RU2500065C2 - Modulator on mos-transistors - Google Patents
Modulator on mos-transistors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2500065C2 RU2500065C2 RU2011150300/08A RU2011150300A RU2500065C2 RU 2500065 C2 RU2500065 C2 RU 2500065C2 RU 2011150300/08 A RU2011150300/08 A RU 2011150300/08A RU 2011150300 A RU2011150300 A RU 2011150300A RU 2500065 C2 RU2500065 C2 RU 2500065C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- modulator
- frequency
- input
- transistors
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplitude Modulation (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано для модуляции слабых постоянных и инфранизкочастотных электрических токов и напряжений в усилителях типа МДМ (модулятор-демодулятор).The invention relates to the field of amplification technology and can be used to modulate weak direct and infra-low-frequency electric currents and voltages in amplifiers of the MDM type (modulator-demodulator).
Когда входной сигнал, поступающий на усилитель, имеет частоту ниже или вблизи нижней границы частотного диапазона усилителя, решением проблемы является преобразование входного сигнала в модулированный сигнал более высокой частоты, его усиление, а затем демодуляция до исходной частоты (модуляция-усиление-демодуляция). Характеристики модулятора вносят весьма существенный, а зачастую определяющий вклад в конечные результаты усиления, особенно при низком уровне входного сигнала.When the input signal to the amplifier has a frequency below or near the lower limit of the frequency range of the amplifier, the solution is to convert the input signal to a modulated signal of a higher frequency, its amplification, and then demodulation to the original frequency (modulation-gain-demodulation). The characteristics of the modulator make a very significant and often decisive contribution to the final amplification results, especially at a low input signal level.
В МДМ-усилителях преимущественное распространение получили контактные и транзисторные модуляторы. Последние характеризуются высокой надежностью и долговечностью [1-3].In MDM amplifiers, contact and transistor modulators are predominantly distributed. The latter are characterized by high reliability and durability [1-3].
Известен транзисторный модулятор, содержащий два МОП-транзистора, включенных в цепь сигнала и возбуждаемых (управляемых) знакопеременными прямоугольными импульсами тока, и согласующее устройство в виде RC-цепочки [3, стр.54, рис.2.19].Known transistor modulator containing two MOS transistors included in the signal circuit and excited (controlled) by alternating rectangular current pulses, and a matching device in the form of an RC chain [3, p. 54, Fig. 2.19].
Это устройство принято нами за прототип.This device is accepted by us as a prototype.
Схема известного устройства показана на фиг.1,а.A diagram of a known device is shown in figure 1, a.
На схеме изображены: 1 - два МОП-транзистора; 2 - возбуждающие импульсы тока i1(t) и i2(t); 3 - согласующее устройство в виде RC-цепочки; U0 - входное напряжение; uвых(t) - выходное модулированное напряжение.The diagram shows: 1 - two MOS transistors; 2 - exciting current pulses i 1 (t) and i 2 (t); 3 - matching device in the form of an RC chain; U 0 is the input voltage; u o (t) is the output modulated voltage.
На фиг.1,б приведены графики, поясняющие работу известного устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i1(t) и i2(t) - возбуждающие импульсы тока uвых(t) - импульсы выходного напряжения. Угол α задан начальными условиями настройки генератора возбуждения.Figure 1, b shows graphs explaining the operation of the known device. Shown here (from top to bottom): i 1 (t) and i 2 (t) are the exciting current pulses and u output (t) are the output voltage pulses. The angle α is given by the initial settings of the excitation generator.
МОП-транзисторы работают как ключи, коммутируя входное напряжение. Наилучшие результаты показывает режим, при котором α→0 и длительность импульсов i1(t) и i2(t) равна π (скважность равна 2). МОП-транзисторы работают противофазно, а модулированный ток i0(t) приобретает форму меандра. При этом из спектра выходного напряжения, содержащего основную частоту и высшие нечетные гармоники, выделяют напряжение основной частоты uвых.1(t)=Um1sin(ωt+φ1), где φ1 - начальная фаза, которое и служит выходным сигналом модулятора.MOSFETs work like keys, switching input voltage. The best results are shown in the regime in which α → 0 and the pulse duration i 1 (t) and i 2 (t) is π (duty cycle is 2). MOS transistors operate out of phase, and the modulated current i 0 (t) takes the form of a meander. In this case, the voltage of the fundamental frequency u output 1 (t) = U m1 sin (ωt + φ 1 ), where φ 1 is the initial phase, which serves as the output signal of the modulator, is isolated from the spectrum of the output voltage containing the fundamental frequency and higher odd harmonics .
Недостатком известного устройства является то, что выходной сигнал и подводимый к модулятору ток возбуждения имеют одну и ту же частоту. Поскольку часть энергии из цепи возбуждения неминуемо проникает в сигнальную цепь модулятора, являясь внутренней помехой, это существенно ограничивает характеристики устройства, особенно при усилении очень малых токов и напряжений. Отфильтровать эту помеху невозможно, поскольку она имеет частоту выходного сигнала.A disadvantage of the known device is that the output signal and the excitation current supplied to the modulator have the same frequency. Since part of the energy from the excitation circuit inevitably penetrates the signal circuit of the modulator, being an internal noise, this significantly limits the characteristics of the device, especially when amplifying very small currents and voltages. It is not possible to filter out this interference because it has an output signal frequency.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение смещения и дрейфа нуля модулятора (и в целом МДМ-усилителя) по сравнению с прототипом.The aim of the invention is to reduce the offset and zero drift of the modulator (and in general MDM amplifier) compared with the prototype.
Указанный недостаток прототипа устраняется тем, что в предлагаемом изобретении частота возбуждения модулятора и частота модулированного сигнала разделены (различны): модуляция сигнала осуществляется на удвоенной частоте относительно частоты возбуждения, что создает возможность эффективно отфильтровать полезный сигнал от помехи основной частоты.The specified disadvantage of the prototype is eliminated by the fact that in the present invention, the excitation frequency of the modulator and the frequency of the modulated signal are separated (different): the signal is modulated at twice the frequency relative to the excitation frequency, which makes it possible to effectively filter the useful signal from the interference of the fundamental frequency.
Модулирование на удвоенной частоте достигается тем, что в заявляемом устройстве использована комплементарная пара МОП-транзисторов (КМОП-пара), включенных по параллельной схеме и возбуждаемых попеременно импульсами тока длительностью π/2. По зависимому пункту 2 формулы изобретения отсекающим основную частоту элементом является RC-фильтр высоких частот,Double frequency modulation is achieved by the fact that the inventive device uses a complementary pair of MOS transistors (CMOS couple) connected in a parallel circuit and excited alternately by current pulses of π / 2 duration. According to
Схема заявляемого устройства по п.2 показана на фиг.2,а.The diagram of the inventive device according to
На схеме изображены: 1 - входной RC-фильтр нижних частот; 2 - КМОП-пара транзисторов; 3 - i1(t) и i2(t) импульсы тока длительностью π/2; 4 - выходной фильтр RC-высоких частот; U0 и uвых(t)- входное и выходное напряжения соответственно.The diagram shows: 1 - input low-pass RC filter; 2 - CMOS couple of transistors; 3 - i 1 (t) and i 2 (t) current pulses of duration π / 2; 4 - output filter RC-high frequencies; U 0 and u o (t) are the input and output voltages, respectively.
На фиг.2,б показаны графики, поясняющие работу заявляемого устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i1(t) и i2(t) - возбуждающие импульсы тока длительностью π/2 (α=π/4, скважность равна 4); uвых(t) - выходное напряжение модулятора. Угол α=π/4 задан начальными условиями настройки генератора возбуждения.Figure 2, b shows graphs explaining the operation of the claimed device. Shown here (from top to bottom): i 1 (t) and i 2 (t) are exciting current pulses of duration π / 2 (α = π / 4, duty cycle is 4); u o (t) is the output voltage of the modulator. The angle α = π / 4 is given by the initial conditions for tuning the excitation generator.
Заявляемое устройство по п.2 работает следующим образом. Благодаря использованию комплементарной пары МОП-транзисторов, включенных параллельно, открывающихся поочередно длительностью π/2, перед выходным RC-фильтром формируются прямоугольные импульсы напряжения, которые появляются дважды за период тока возбуждения основной частоты. Спектр этой последовательности содержит вторую и высшие четные гармоники. При заданной длительности импульсов наибольший вес имеет вторая гармоника, помеха первой гармоники отсекается RC-фильтром высоких частот.The inventive device according to
Данное устройство предназначено для работы с высокоомным источником входного напряжения. Для уменьшения входных помех и повышения входного сопротивления в предлагаемом модуляторе используется RC-фильтр нижних частот.This device is designed to work with a high-resistance source of input voltage. To reduce input noise and increase input impedance in the proposed modulator uses an RC low-pass filter.
Для работы с низкоомными источниками входного напряжения предлагается разновидность (вариант, модификация) заявляемого устройства по п.3. Целью данной модификации предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и отношения сигнал/шум на выходе модулятора и уменьшение его входного сопротивления при работе с низкоомными источниками входного напряжения.To work with low-impedance sources of input voltage, a variety (option, modification) of the inventive device according to
Эта цель достигается тем, что в разновидности заявляемого устройства использована комплементарная пара МОП-транзисторов (КМОП-пара), включенных по параллельной схеме и возбуждаемых по очереди импульсами тока длительностью π/2. По зависимому пункту 3 формулы изобретения фильтрующим элементом служит трансформатор, две идентичные первичные обмотки которого соединены с транзисторами, а вторичная обмотка настроена в резонанс на удвоенную частоту, при этом на входе модулятора установлен LC-фильтр нижних частот.This goal is achieved by the fact that in the variant of the claimed device, a complementary pair of MOS transistors (CMOS couplers) are used, connected in a parallel circuit and excited in turn by current pulses of duration π / 2. According to
Схема разновидности заявляемого устройства по п.3 показана на фиг.3,а.A diagram of a variation of the claimed device according to
На схеме изображены: 1 - входной LC-фильтр нижних частот; 2 - КМОП-пара транзисторов; 3 - i1(t) и i2(t) импульсы тока длительностью π/2; 4 - трансформатор, вторичная обмотка которого настроена в резонанс на удвоенную частоту; U0 и uвых.2(t)=Um2sin(2ωt+φ2) - входное и выходное напряжения модулятора соответственно.The diagram shows: 1 - input low-pass LC filter; 2 - CMOS couple of transistors; 3 - i 1 (t) and i 2 (t) current pulses of duration π / 2; 4 - a transformer, the secondary winding of which is tuned in resonance at a double frequency; U 0 and u out.2 (t) = U m2 sin (2ωt + φ 2 ) are the input and output voltages of the modulator, respectively.
На фиг.3,б показаны графики, поясняющие работу разновидности заявляемого устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i1(t) и i2(t) - возбуждающие импульсы тока длительностью π/2; u0(t) - импульсы модулированного напряжения в случае, когда вторичная обмотка не настроена в резонанс; uвых.2(t)=Um2sin(2ωt+φ2) - выходное напряжение модулятора при настройке вторичной обмотки трансформатора в резонанс на удвоенную частоту (показано пунктиром).Figure 3, b shows graphs explaining the operation of a variety of the claimed device. Shown here (from top to bottom): i 1 (t) and i 2 (t) are exciting current pulses of duration π / 2; u 0 (t) - pulses of modulated voltage in the case when the secondary winding is not tuned to resonance; u output 2 (t) = U m2 sin (2ωt + φ 2 ) is the output voltage of the modulator when tuning the secondary winding of the transformer to resonance at double frequency (shown by a dotted line).
Разновидность заявляемого устройства работает следующим образом. Срабатывающие поочередно КМОП-транзисторы образуют две параллельные линии коммутации входного сигнала, подключенные к соответствующим первичным обмоткам согласующего трансформатора. В результате во вторичной обмотке трансформатора (когда она не настроена в резонанс на удвоенную частоту) наводятся прямоугольные импульсы напряжения. Площадь этих импульсов значительно больше площади импульсов выходного напряжения, показанных на фиг.2,б, благодаря чему повышается чувствительность заявляемой разновидности модулятора. Прямоугольные импульсы напряжения появляются дважды за период тока возбуждения основной частоты. Спектр этой последовательности содержит вторую и высшие четные гармоники. При заданной длительности импульсов наибольший вес имеет вторая гармоника, которая и выделяется при настройке вторичной обмотки трансформатора в резонанс, что также повышает чувствительность модулятора.A variation of the claimed device operates as follows. The CMOS transistors operating alternately form two parallel input signal switching lines connected to the corresponding primary windings of the matching transformer. As a result, rectangular voltage pulses are induced in the secondary winding of the transformer (when it is not tuned to a double frequency resonance). The area of these pulses is significantly larger than the area of the output voltage pulses shown in figure 2, b, thereby increasing the sensitivity of the inventive variety of the modulator. Rectangular voltage pulses appear twice during the period of the excitation current of the fundamental frequency. The spectrum of this sequence contains the second and highest even harmonics. For a given pulse duration, the second harmonic has the greatest weight, which is released when the secondary winding of the transformer is tuned to resonance, which also increases the sensitivity of the modulator.
Заявляемое устройство по схеме фиг.2,а может быть использовано в электрометрических устройствах. Заявляемое устройство по схеме фиг.3,а - в магнитометрических устройствах, в которых источником входного напряжения служит индукционная катушка. В обоих случаях эффект от осуществления модуляции на удвоенной частоте будет весьма значительным.The inventive device according to the scheme of figure 2, and can be used in electrometric devices. The inventive device according to the scheme of figure 3, a - in magnetometric devices in which the source of the input voltage is an induction coil. In both cases, the effect of the implementation of the modulation at double frequency will be very significant.
Оценим этот эффект количественно.Let us evaluate this effect quantitatively.
Как отмечалось выше, смещение и дрейф нуля известных модуляторов определяются уровнем помех, создаваемых генератором возбуждения. Наибольший вклад вносит помеха с основной частотой генератора, т.е. первая гармоника тока возбуждения. В заявляемом устройстве - модуляторе с выходом на удвоенной частоте - помеха с основной частотой легко отфильтровывается, благодаря чему и достигается эффект уменьшения смещения и дрейфа нуля.As noted above, the offset and zero drift of known modulators are determined by the level of interference generated by the excitation generator. The greatest contribution is made by the interference with the fundamental frequency of the generator, i.e. first harmonic of the excitation current. In the inventive device, a modulator with an output at a double frequency, the interference with the fundamental frequency is easily filtered out, due to which the effect of reducing the bias and zero drift is achieved.
Однако из-за несовершенства реальных генераторов возбуждения в токе возбуждения обычно присутствует и составляющая удвоенной частоты. Оценим ее уровень в 1-2% от уровня тока основной частоты (в действительности в двухтактных балансируемых генераторах этот уровень значительно ниже). Эта составляющая (с частотой 2ω) не сможет быть отфильтрована и неминуемо будет проникать в выходной сигнал и вызывать смещение и дрейф нуля модулятора, подобно тому как в известных устройствах в выходной сигнал проникает составляющая основной частоты. Тогда при прочих равных условиях смещение и дрейф нуля предлагаемого устройства будут по крайней мере в 50-100 раз меньше чем в известных модуляторах. Иными словами, получаем выигрыш в уменьшении смещения и дрейфа нуля не в разы, а на 1-2 порядка.However, due to the imperfection of real excitation generators, the doubled frequency component is usually present in the excitation current. Let us estimate its level at 1-2% of the current level of the fundamental frequency (in fact, in push-pull balanced oscillators this level is much lower). This component (with a frequency of 2ω) cannot be filtered out and will inevitably penetrate the output signal and cause a shift and zero drift of the modulator, just as the fundamental frequency component penetrates the output signal in known devices. Then, ceteris paribus, the offset and zero drift of the proposed device will be at least 50-100 times less than in the known modulators. In other words, we get a gain in reducing the displacement and zero drift not at times, but by 1-2 orders of magnitude.
Поэтому внедрение предлагаемого устройства позволяет заявить о реальной возможности освоения не только микровольтового, но и нано-, и пиковольтового диапазонов усиливаемых токов и напряжений.Therefore, the introduction of the proposed device allows us to state the real possibility of developing not only the microvoltaic, but also the nano- and picovoltaic ranges of amplified currents and voltages.
ЛитератураLiterature
1. Калинчук Б.А., Пичугин О.А. Модуляторы малых сигналов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 200 с.1. Kalinchuk B.A., Pichugin O.A. Modulators of small signals. - L .: Energy. Leningrad branch, 1980 .-- 200 p.
2. Лондаренко О.П., Сильчев А.Ю., Цыбуленко Н.И. Высокочувствительный операционный усилитель типа модулятор-демодулятор. - Полупроводниковая электроника в технике связи, 1982, вып.22, с.75-78.2. Londarenko O.P., Silchev A.Yu., Tsybulenko N.I. Highly sensitive operational amplifier type modulator-demodulator. - Semiconductor electronics in communication technology, 1982, issue 22, p. 75-78.
3. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принцип построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.3. Polonnikov D.E. Operational amplifiers: construction principle, theory, circuitry. - M .: Energoatomizdat, 1983 .-- 216 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150300/08A RU2500065C2 (en) | 2011-12-06 | 2011-12-06 | Modulator on mos-transistors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150300/08A RU2500065C2 (en) | 2011-12-06 | 2011-12-06 | Modulator on mos-transistors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011150300A RU2011150300A (en) | 2013-06-20 |
RU2500065C2 true RU2500065C2 (en) | 2013-11-27 |
Family
ID=48785036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011150300/08A RU2500065C2 (en) | 2011-12-06 | 2011-12-06 | Modulator on mos-transistors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2500065C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU168893U1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" (ВГТУ) | Frequency Modulated Rectangular Pulse Generator |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1192105A1 (en) * | 1984-05-29 | 1985-11-15 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Frequency multplier |
US5265120A (en) * | 1990-08-27 | 1993-11-23 | Axonn Corporation | Binary phase shift keying modulation system and/or frequency multiplier |
US5455543A (en) * | 1994-01-28 | 1995-10-03 | Thomson Consumer Electronics, Inc. | Low power consumption binary phase shift keyed (BPSK) modulator using absorptive electronic switching techniques |
RU2165125C1 (en) * | 1999-10-19 | 2001-04-10 | Ульяновский государственный технический университет | Transistor inverter |
RU2285330C1 (en) * | 2005-01-26 | 2006-10-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Frequency converter |
RU2382510C2 (en) * | 2003-03-18 | 2010-02-20 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Quadrature modulator using four carriers with 90 degree phase shift |
-
2011
- 2011-12-06 RU RU2011150300/08A patent/RU2500065C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1192105A1 (en) * | 1984-05-29 | 1985-11-15 | Рыбинский Авиационный Технологический Институт | Frequency multplier |
US5265120A (en) * | 1990-08-27 | 1993-11-23 | Axonn Corporation | Binary phase shift keying modulation system and/or frequency multiplier |
US5455543A (en) * | 1994-01-28 | 1995-10-03 | Thomson Consumer Electronics, Inc. | Low power consumption binary phase shift keyed (BPSK) modulator using absorptive electronic switching techniques |
RU2165125C1 (en) * | 1999-10-19 | 2001-04-10 | Ульяновский государственный технический университет | Transistor inverter |
RU2382510C2 (en) * | 2003-03-18 | 2010-02-20 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Quadrature modulator using four carriers with 90 degree phase shift |
RU2285330C1 (en) * | 2005-01-26 | 2006-10-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Frequency converter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU168893U1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" (ВГТУ) | Frequency Modulated Rectangular Pulse Generator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011150300A (en) | 2013-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8159225B2 (en) | Multi-frequency transmitter for a metal detector | |
US3537022A (en) | Signal translating circuit | |
RU2500065C2 (en) | Modulator on mos-transistors | |
FR3038063A1 (en) | APPARATUS FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD | |
Liao et al. | Chip-scale dual-comb source using a breathing soliton with an increased resolution | |
CN105406884A (en) | Semiconductor Apparatus And Radio Communication Apparatus | |
JPH04290301A (en) | Frequecy doubling device | |
RU2531871C1 (en) | Quartz oscillator | |
RU2488942C2 (en) | Contact electric current modulator | |
RU2490782C2 (en) | Contact current modulator | |
JP5573308B2 (en) | Electronic circuit | |
US9949028B2 (en) | Device for measuring an electric current generated by an acoustic amplifier in order to actuate an acoustic speaker | |
RU2405242C2 (en) | Harmonic frequency doubler | |
RU2533314C1 (en) | Harmonic frequency multiplier | |
SU264475A1 (en) | ||
JP4194135B2 (en) | Transmitter | |
SU280558A1 (en) | POWER SUPPLY DEVICE FOR NONLINEAR REACTIVE ELEMENTS | |
JP5876736B2 (en) | Modulator and frequency converter | |
RU2316889C1 (en) | Frequency detector of radio-electronic equipment | |
RU2318291C1 (en) | Frequency discriminator of radio electronic equipment | |
RU2285330C1 (en) | Frequency converter | |
CA2470160A1 (en) | Device for monitoring transmission antennae of electromagnetic detection systems | |
RU2169427C1 (en) | Noise generator | |
SU557825A1 (en) | Ultrasonic generator with automatic frequency control | |
RU1841308C (en) | Parametric transmission path |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171207 |