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 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 с токовыми зеркалами, 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 [3-9]. 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) на n-р-n транзисторах, представленный в патенте US 4.843.343, fig.2. Он содержит источник сигнала 1, связанный со входом 2 устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания и входом дополнительного токового зеркала 6, токовый выход которого через первый 7 частотно-задающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 7 частотно-задающему резистору, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной транзистор.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀), где f_в, f_н - верхняя (f_в) и нижняя (f_н) граничные частоты ИУ по уровню - 3 дБ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ избирательного 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 источник сигнала 1, связанный со входом 2 устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания и входом дополнительного токового зеркала 6, токовый выход которого через первый 7 частотно-задающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 7 частотно-задающему резистору, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной транзистор, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттерами первого 3 и второго 11 входных транзисторов включены последовательно соединенные второй 12 корректирующий конденсатор и второй 13 частотно-задающий резистор, база второго 11 входного транзистора соединена со входом 2 устройства, коллектор связан с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер соединен со второй 10 шиной источника питания через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, причем между выходом устройства и базой первого 3 входного транзистора включен повторитель напряжения.

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, а на фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 представлена схема ИУ по п.4 формулы изобретения.

На фиг.6 пример практического построения заявляемого ИУ на основе выходного каскада.

На фиг.7 приведена схема ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (техпроцесс SGB25VD), а на фиг.8 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.7 в крупном масштабе при коэффициенте передачи по току К_i6 токового зеркала 6, равном двум единицам (К_i6=2), что обеспечивается транзисторами Q₂, Q₃.

На фиг.9 показаны логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.7 в более мелком масштабе.

На фиг.10 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (техпроцесс SGB25VD).

На фиг.11 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.10 в крупном масштабе, а на фиг.12 - логарифмические амплитудно- и фазо-частотная характеристики фильтра фиг.10 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, связанный со входом 2 устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания и входом дополнительного токового зеркала 6, токовый выход которого через первый 7 частотно-задающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 7 частотно-задающему резистору, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной транзистор. Между эмиттерами первого 3 и второго 11 входных транзисторов включены последовательно соединенные второй 12 корректирующий конденсатор и второй 13 частотно-задающий резистор, база второго 11 входного транзистора соединена со входом 2 устройства, коллектор связан с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер соединен со второй 10 шиной источника питания через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, причем между выходом устройства и базой первого 3 входного транзистора включен повторитель напряжения. На чертеже фиг.2 токовое зеркало 6 реализовано на р-n переходе 18 и многоэмиттерном транзисторе 19.

На фиг.3 повторитель напряжения реализован на первом 15 вспомогательном транзисторе, цепи согласования потенциалов 16 и четвертом 17 токостабилизирующем двухполюснике, в котором база первого 15 вспомогательного транзистора подключена к выходу устройства, коллектор соединен с первой 5 шиной источника питания, между эмиттером первого 15 вспомогательного транзистора и базой первого 3 входного транзистора включена цепь согласования потенциалов 16, а четвертый 17 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой первого 3 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания. Кроме этого, здесь в соответствии с п.2 формулы изобретения общий эмиттерный выход 20 дополнительного токового зеркала 6 подключен к эмиттеру второго 21 вспомогательного транзистора, база которого соединена с дополнительным источником напряжения 22, коллектор подключен к первой 5 шине источника питания, а эмиттер через пятый 23 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 10 шине источника питания. Данная схема НУ обеспечивает более широкий диапазон изменения выходного напряжения.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения коллектор второго 11 входного транзистора связан с первой 5 шиной источника питания через первый 7 частотно-задающий резистор.

На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения повторитель напряжения, включенный между выходом устройства и базой первого 3 входного транзистора, реализован в виде корректирующего конденсатора 24, причем база первого 3 входного транзистора соединена с общей шиной источников питания 26 через дополнительный резистор 25.

На фиг.6 показан пример построения заявляемого устройства с использованием выходного каскода на транзисторе 29, источнике вспомогательного питания 30 и дополнительном резисторе 23. Эта схема обладает более широким частным диапазоном.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала u_вх (1) изменяет ток коллектора первого 3 входного транзистора, причем в силу частотной зависимости проводимости, образованной вторым 13 частотно-задающим резистором и вторым 12 корректирующим конденсатором, это приводит к прямо пропорциональной зависимости тока коллектора транзистора 19 токового зеркала 6 от частоты. Характер частотной зависимости цепи, образованной элементами 8 и 7, реализует требуемый для ИУ вид - резонансной амплитудно-частотной характеристики, которая достигает своего максимального значения на частоте квазирезонанса (f₀).

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

Можно показать, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁=С₁₂(R₁₃+h_11.3+h_11.11);

τ₂=R₇C₈,

α₃ - коэффициент передачи эмиттерного тока первого 3 входного транзистора, К_i6 - коэффициент передачи по току токового зеркала 6, h_11.i - входное сопротивление (h-параметр) i-го транзистора в схеме с общей базой.

Если выбрать τ₁=τ₂, то

В частном случае, когда h_11.3=h_11.1<<R₁₃

Основными условиями получения высоких значений Q и К₀ являются следующие приближенные формулы

или

Таким образом, как видно из (3)-(10), за счет выбора соотношений между R₇ и R₁₃, а также значений коэффициента передачи по току К_i6, можно реализовать высокие значения добротности Q и коэффициента усиления К₀. При этом, как следует из (2), частота квазирезонанса f₀ сохраняется неизменной.

Замечательная особенность предлагаемых ИУ - высокое ослабление входного сигнала на частотах f<<f₀, что обусловлено свойствами его архитектуры (фиг.9, 12).

Данные теоретические выводы подтверждают графики на фиг.8, 9, 11, 12.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение, которое реализуется только на n-р-n транзисторах техпроцесса SGB25VD, характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности, характеризующей его избирательные свойства.

Источники информации

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 4.306.198.

4. Патент ФРГ 2938994, fig.2.

5. Патент US 6.870.426, fig.5.

6. Патент US 4.191.856.

7. Патент US 5.148.121, fig.1.

8. Патент US 4.367.419.

9. Патент US 4.223.276, fig.2.

Заявленное изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Технический результат: повышение добротности АЧХ избирательного 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. Для этого избирательный усилитель содержит источник сигнала (1), связанный со входом (2) устройства, первый (3) входной транзистор, коллектор которого через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания и входом дополнительного токового зеркала (6), токовый выход которого через первый (7) частотно-задающий резистор связан с первой (5) шиной источника питания, первый (8) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (7) частотно-задающему резистору, второй (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (3) входного транзистора и второй (10) шиной источника питания, второй (11) входной транзистор. Между эмиттерами первого (3) и второго (11) входных транзисторов включены последовательно соединенные второй (12) корректирующий конденсатор и второй (13) частотно-задающий резистор, база второго (11) входного транзистора соединена со входом (2) устройства, коллектор связан с первой (5) шиной источника питания, а эмиттер соединен со второй (10) шиной источника питания через третий (14) токостабилизирующий двухполюсник, причем между выходом устройства и базой первого (3) входного транзистора включен повторитель напряжения. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник сигнала (1), связанный со входом (2) устройства, первый (3) входной транзистор, коллектор которого через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания и входом дополнительного токового зеркала (6), токовый выход которого через первый (7) частотно-задающий резистор связан с первой (5) шиной источника питания, первый (8) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (7) частотно-задающему резистору, второй (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (3) входного транзистора и второй (10) шиной источника питания, второй (11) входной транзистор, отличающийся тем, что между эмиттерами первого (3) и второго (11) входных транзисторов включены последовательно соединенные второй (12) корректирующий конденсатор и второй (13) частотно-задающий резистор, база второго (11) входного транзистора соединена со входом (2) устройства, коллектор связан с первой (5) шиной источника питания, а эмиттер соединен со второй (10) шиной источника питания через третий (14) токостабилизирующий двухполюсник, причем между выходом устройства и базой первого (3) входного транзистора включен повторитель напряжения.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что общий эмиттерный выход (20) дополнительного токового зеркала (6) подключен к эмиттеру второго (21) вспомогательного транзистора, база которого соединена с дополнительным источником напряжения (22), коллектор подключен к первой (5) шине источника питания, а эмиттер через пятый (23) токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй (10) шине источника питания.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллектор второго (11) входного транзистора связан с первой (5) шиной источника питания через первый (7) частотно-задающий резистор.

4. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что повторитель напряжения, включенный между выходом устройства и базой первого (3) входного транзистора, реализован в виде корректирующего конденсатора (24), причем база первого (3) входного транзистора соединена с общей шиной источников питания (26) через дополнительный резистор (25).