ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/00 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.

В задачах выделения высокочастотных и СВЧ-сигналов сегодня широко используются интегральные операционные усилители со специальными элементами RC-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа [1, 2]. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей на двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-13]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4.843.343 фиг.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор 5, включенный по переменному току между первой 4 шиной источника питания и базой второго 6 входного транзистора, выход 7 устройства, связанный с выходом токового зеркала 8, которое согласовано со второй 9 шиной источника питания, первый 10 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 7 и первой 4 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ-усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор 5, включенный по переменному току между первой 4 шиной источника питания и базой второго 6 входного транзистора, выход 7 устройства, связанный с выходом токового зеркала 8, которое согласовано со второй 9 шиной источника питания, первый 10 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 7 и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 6 входного транзистора соединен со входом токового зеркала 8, эмиттер второго 6 входного транзистора соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, а между эмиттерами первого 1 и второго 6 входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный корректирующий конденсатор 12 и второй 13 частотно-задающий резистор.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема ИУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.5 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению (крупный масштаб).

На фиг.6 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.4 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор 5, включенный по переменному току между первой 4 шиной источника питания и базой второго 6 входного транзистора, выход 7 устройства, связанный с выходом токового зеркала 8, которое согласовано со второй 9 шиной источника питания, первый 10 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 7 и первой 4 шиной источника питания. Коллектор второго 6 входного транзистора соединен с входом токового зеркала 8, эмиттер второго 6 входного транзистора соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, а между эмиттерами первого 1 и второго 6 входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный корректирующий конденсатор 12 и второй 13 частотно-задающий резистор.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения общий узел дополнительного корректирующего конденсатора 12 и второго 13 частотно-задающего резистора связан со вторым входом 14 устройства через третий 15 корректирующий конденсатор.

В качестве токового зеркала 8 авторы рекомендуют классические схемы, например, фиг.1.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник переменного входного сигнала u_вх (2) изменяет коллекторный и эмиттерный токи первого 1 входного транзистора. Комплексный характер проводимости его эмиттерной цепи, образованной дополнительным корректирующим конденсатором 12 и сопротивлением второго 13 частотно-задающего резистора, обеспечивает передачу этого сигнала через эмиттер второго 6 входного транзистора и токовое зеркало 8 в выходную 7 цепь устройства, которая реализована на базе первого 5 корректирующего конденсатора и первого 10 частотно-задающего резистора. Комплексность полного сопротивления этой цепи (C₅, R₁₀) и характер изменения тока коллектора транзистора 6 обеспечивают резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ. Вводимый в ИУ контур обратной связи, образованный подключением базы второго 6 входного транзистора к выходу устройства 7, имеет реактивный характер в области низких частот (f<<f₀) благодаря комплексной проводимости эмиттерных цепей второго 6 и первого 1 входных транзисторов. Указанная особенность сохраняет неизменной частоту квазирезонанса ИУ (f₀) при любой глубине этой обратной связи и позволяет увеличить добротность Q ИУ и его коэффициент усиления по напряжению К₀ при заданном значении полного сопротивления в выходной цепи устройства (конденсатор C₅ и сопротивление резистора R₁₀).

Покажем аналитически, что более высокие значения К₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

В результате анализа схемы фиг.2 можно показать, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁=C₁₂(h_11.1+h_11.6+R₁₃);

τ₂=C₅R₁₀,

h_21.i=α_i, h_11.i - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой; K_i12,8≈-2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 8.

Таким образом, из (1)-(4) следует, что в предлагаемом ИУ может быть реализована заданная добротность Q независимо от частоты квазирезонанса f₀.

Если выбрать R₁₃>>h_11.1≈h_11.6 и τ₁=τ₂, то добротность заявляемого ИУ и коэффициент К₀ устройства фиг.3 будут определяться формулами:

где .

Выбирая (при R₁₃=R₁₀) те или иные значения коэффициента передачи токового зеркала 8 (например, K_i12.8=1,8-1,999), которые для классических схем токовых зеркал зависят от отношения площадей эмиттерных переходов образующих их транзисторов, можно получить практически любые заданные значения добротности Q и коэффициента усиления К₀.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5 и фиг.6, полученные в результате моделирования схемы фиг.4 (фиг.2).

При реализации ИУ по схеме фиг.3 создаются условия для более грубого подавления сигнала в области частот f<<f₀ (фиг.6).

Здесь основные параметры определяются из следующих соотношений:

τ₁=(R₁₃+h_11.1+h_11.6)(C₁₂+C₁₅),

τ₂=C₅R₁₀,

Поэтому при выполнении указанных выше условий, а также равенства емкостей C₁₂=C₁₅ добротность ИУ фиг.3

Таким образом, как видно из сравнения формул (9) и (5) для реализации больших Q в схеме ИУ фиг.3, требуется бóльшее значение коэффициента передачи токового зеркала 8 (например, Т=3,9÷3,99), чем в схеме фиг.2.

Замечательная особенность заявляемого ИУ состоит в том, что он имеет широкий диапазон изменения выходного напряжения

где - максимальные амплитуды выходных напряжений;

- напряжения питания (9, 4) положительной и отрицательной полярности.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀, повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства, а также повышенным подавлением сигнала в диапазоне частот f<f₀.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz / N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.

2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., К.Schmalz, С.Scheytt // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов / Под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.

3. Патент US 4.748.422, фиг.3.

4. Патент US 4.262.261, фиг.1B.

5. Патент US 4.843.343, фиг.1.

6. Патент US 4.172.999, фиг.2.

7. Патентная заявка US 2006/0012432.

8. Патент US 3.531.730, фиг.5.

9. Патент US 4.558.287, фиг.2.

10. Патент US 5.371.476, фиг.1.

11. Патент JP 54-102949, 98(5) А 21.

12. Патент WO/2002/058227.

13. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей: 2-е изд. - М. ИП. Радиософт, 2002. - С 218, рис.8.40.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение энергопотребления избирательного усилителя. В избирательном усилителе коллектор входного транзистора соединен со входом токового зеркала, эмиттер входного транзистора соединен с шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник, а между эмиттерами входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный корректирующий конденсатор и частотно-задающий резистор. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор (5), включенный по переменному току между первой (4) шиной источника питания и базой второго (6) входного транзистора, выход (7) устройства, связанный с выходом токового зеркала (8), которое согласовано со второй (9) шиной источника питания, первый (10) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (7) и первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор второго (6) входного транзистора соединен со входом токового зеркала (8), эмиттер второго (6) входного транзистора соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, а между эмиттерами первого (1) и второго (6) входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный корректирующий конденсатор (12) и второй (13) частотно-задающий резистор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что общий узел дополнительного корректирующего конденсатора (12) и второго (13) частотно-задающего резистора связан со вторым входом (14) устройства через третий (15) корректирующий конденсатор.