ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/00 

Предлагаемое 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 (ИУ) на нескольких транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей подкласса dual-input-stage [3-12] с низкоомным входом, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-12]. 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 (ИУ), представленный в патенте US 4.636.743, fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀), где f_в, f_н - верхняя и нижняя граничные частоты АЧХ по уровню

- 3 дБ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя Q и его коэффициента усиления по напряжению К₀ 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, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9, предусмотрены новые элементы и связи - между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор, базы первого 1 и второго 4 входных транзисторов подключены к выходу 9 устройства, а между выходом 9 устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий 15 дополнительный резистор и третий 16 корректирующий конденсатор.

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

На фиг.3 приведена схема ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 (укрупненный масштаб), а на фиг.5 - частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.3 (мелкий масштаб).

На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На схеме фиг.7, которая соответствует фиг.6, показан ИУ по п.3 с конкретным выполнением первого 17 и второго 18 дополнительных эмиттерных повторителей, которые реализованы на транзисторах 19, 21 и источниках тока 20 и 22.

На фиг.8 представлена схема ИУ фиг.7 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На график фиг.9 показана частотная зависимость коэффициентов усиления по напряжению ИУ фиг.8 (укрупненный масштаб), а на фиг.10 - частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.8 (мелкий масштаб).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9. Между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор, базы первого 1 и второго 4 входных транзисторов подключены к выходу 9 устройства, а между выходом 9 устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий 15 дополнительный резистор и третий 16 корректирующий конденсатор. В качестве первого 7 и второго 8 токовых зеркал могут использоваться типовые схемотехнические решения.

На фиг.6, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 17 дополнительный эмиттерный повторитель, первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, а между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 18 дополнительный эмиттерный повторитель, второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор.

Кроме этого, на фиг.6, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коэффициенты передачи по току первого 7 и второго 8 токовых зеркал лежат в пределах 1-2.

На схеме фиг.7, которая соответствует фиг.6, показан ИУ с конкретным выполнением первого 17 и второго 18 дополнительных эмиттерных повторителей - на транзисторах 19, 21 и источниках тока 20, 22.

В качестве токовых зеркал 7 и 8 авторы рекомендуют применять классические схемы, широко представленные в технической литературе по микроэлектронике.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх (10) изменяет токи эмиттеров (i_R) первого 1 и второго 4 входных транзисторов, причем комплексный характер проводимости эмиттерных цепей, образованных первым 11 и вторым 13 дополнительными резисторами, первым 12 и вторым 14 корректирующими конденсаторами обеспечивает в диапазоне нижних частот ИУ (f<f₀) увеличение этого тока с ростом частоты входного сигнала f. Посредством передачи этих токов через коллекторы упомянутых транзисторов во входные цепи первого 7 и второго 8 токовых зеркал осуществляется противофазное изменение тока нагрузки ИУ. Характер комплексной проводимости этой нагрузки, образованной третьим 15 дополнительным резистором и третьим 16 корректирующим конденсатором, приводит к уменьшению выходного напряжения (выход устройства 9) ИУ в диапазоне верхних частот (f>f₀). Взаимосвязь характера изменения тока i_R от частоты входного сигнала и указанное влияние этого параметра на выходное напряжение ИУ обеспечивает резонансный вид амплитудно-частотной характеристики схемы ИУ фиг.2, которая имеет максимум на частоте квазирезонанса f₀.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 при C₁₂=C₁₄, R₁₁=R₁₃ определяется по формуле:

где - частота квазирезонанса; (2)

τ₁=C₁₂(R₁₁+h_11.4);

τ₂=R₁₅C₁₆,

где K_i∑=α₁K_i12.7+α₄K_i12.8; α_i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора; К_i12.7 и K_i12.8 - коэффициенты передачи первого 7 и второго 8 токовых зеркал; h_11.i - входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.

При равенстве проводимостей входных цепей ИУ целенаправленный выбор коэффициентов передачи тока К_i12.7 и K_i12.8 позволяет реализовать практически любое значение добротности АЧХ Q (3) и коэффициента усиления K₀ (4) на частоте квазирезонанса f₀ (2), численное значение которой не зависит от реализуемой добротности Q.

Действительно, из (3) следует, что при τ₁=τ₂, R₁₁=R₁₅ для получения заданной добротности Q_з, например, Q_з=10, необходимо, чтобы параметр схемы

При подключении ко входу ИУ 10 дополнительных эмиттерных повторителей 17 и 18 в схеме фиг.6 сохраняется частота квазирезонанса f₀ (2) и добротность (3), причем коэффициент усиления ИУ принимает значение

где K₁₇≈1, K₁₈≈1 - коэффициенты передачи по напряжению эмиттерных повторителей 17 и 18.

С точки зрения системной интеграции ИУ в РЭА нового поколения в качестве эмиттерных повторителей 17 и 18 целесообразно использовать традиционные схемотехнические решения (фиг.7), реализованные на базе транзисторов 19 и 21 и дополнительных источников тока 20 и 22.

Если соблюдаются режимные условия, показанные на фиг.7, то параметры ИУ фиг.7 определяются следующими соотношениями:

τ₁=C₁₂(R₁₁+2h_11.4);

τ₂=R₁₅C₁₆,

где α_i, h_11.i - статический коэффициент передачи эмиттерного тока i-го биполярного транзистора и его входное дифференциальное сопротивление в схеме с общей базой.

Таким образом, конкретная схемотехническая реализация токовых зеркал 7 и 8 позволяет реализовать желаемые значения Q (7) и К₀ (8) при заданных соотношениях частотозадающих резисторов R₁₁=R₁₃ и R₁₅. Например, в ИУ на базе токовых зеркал (при К_i12.7=К_i12.8=1) не изменяются условия его системной интеграции в СФ блоке.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5, фиг.9 и фиг.10.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

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 №4.636.743 fig.1.

4. Патент US №5.291.149 fig.3.

5. Патент US №5.479.133 fig.1.

6. Патент US №4.636.743 fig.1.

7. Патент US №5.515.005 fig.12, fig.21.

8. Патент US №4.783.637 fig.1.

9. Патент US №3.974.455 fig.9.

10. Патент JP №53-25232 98(5)A332.

11. Патент JP №2008/235963.

12. Патент JP №7050528.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления избирательного усилителя. В избирательном усилителе, содержащем два входных транзистора и два токовых зеркала, между входом устройства и эмиттером входного транзистора включены последовательно соединенные дополнительные резисторы и корректирующие конденсаторы, базы входных транзисторов подключены к выходу устройства, между выходом устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные дополнительный резистор и третий корректирующий конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, эмиттер которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, второй (4) входной транзистор, база которого подключена к базе первого (1) входного транзистора, а эмиттер через второй (5) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания, первое (7) токовое зеркало, согласованное со второй (6) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, второе (8) токовое зеркало, согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (4) входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого (7) токового зеркала и выходу устройства (9), отличающийся тем, что между входом устройства (10) и эмиттером второго (4) входного транзистора включены последовательно соединенные первый (11) дополнительный резистор и первый (12) корректирующий конденсатор, между входом устройства (10) и эмиттером первого (1) входного транзистора включены последовательно соединенные второй (13) дополнительный резистор и второй (14) корректирующий конденсатор, базы первого (1) и второго (4) входных транзисторов подключены к выходу (9) устройства, а между выходом (9) устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий (15) дополнительный резистор и третий (16) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между входом устройства (10) и эмиттером второго (4) входного транзистора включены последовательно соединенные первый (17) дополнительный эмиттерный повторитель, первый (11) дополнительный резистор и первый (12) корректирующий конденсатор, а между входом устройства (10) и эмиттером первого (1) входного транзистора включены последовательно соединенные второй (18) эмиттерный повторитель, второй (13) дополнительный резистор и второй (14) корректирующий конденсатор.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты передачи по току первого (7) и второго (8) токовых зеркал лежат в пределах 1÷2.