ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/45 

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 (ИУ) (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 (ИУ) на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. 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 4267518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов.

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 связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено токовое зеркало 11, базовый вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом 9 устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов 12, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора, причем параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 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 показана схема ИУ в соответствии с п.2 и п.4 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 приведена схема ИУ по п.4 формулы изобретения, в которой между выходом 9 устройства и базой транзистора 5 включен согласующий буферный усилитель 17, а токовое зеркало 11 реализовано на транзисторе 21 и p-n переходе 20.

На фиг.6 приведена схема ИУ фиг.3, фиг.4, в которой токовое зеркало 11 реализовано на элементах 25, 26, 27, а согласующий буферный усилитель 17 содержит элементы 22, 23, 24.

На фиг.7 показана схема ИУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.8 представлена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.7 в крупном масштабе, а на фиг.9 - логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.7 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов. В схему введено токовое зеркало 11, базовый вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом 9 устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов 12, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора, причем параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен второй 14 частотно-задающий резистор.

Кроме этого, на фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора через согласующий буферный усилитель 17.

На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, общий узел первого 10 корректирующего конденсатора и второго 14 частотно-задающего резистора связан со вторым входом 15 устройства через третий 16 корректирующий конденсатор.

На фиг.5 представлена схема ИУ фиг.3, в которой показано конкретное выполнение токового зеркала 11 и согласующего буферного усилителя 17.

На фиг.6 представлена схема ИУ фиг.3, в которой показан другой вариант конкретного выполнения токового зеркала 11 и согласующего буферного усилителя 17.

На фиг.7 приведена схема ОУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.8 приведена амплитудно-частотная и характеристика ИУ фиг.7 в укрупненном масштабе.

На фиг.9 приведена амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ИУ фиг.7 в более мелком масштабе.

В качестве токового зеркала 11 могут применяться классические схемы, широко представленные в технической литературе (например, фиг.5).

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 первым 10 корректирующим конденсатором и сопротивлениями эмиттерных переходов первого 1 и второго 5 входных транзисторов (r_э1≈h_11.1, r_э5≈h_11.5) обеспечивает передачу этого сигнала через эмиттер первого 1 входного транзистора и токовое зеркало 11 в выходную 9 цепь устройства, которая реализована на базе второго 13 корректирующего конденсатора и первого 8 частотно-задающего резистора. Комплексность полного сопротивления этой цепи (С₁₃, R₈) и характер изменения тока коллектора транзистора 1 обеспечивают резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ. Вводимый в ИУ контур обратной связи, образованный подключением базы второго 5 входного транзистора к выходу устройства 9, имеет реактивный характер в области низких частот (ƒ<<ƒ₀) благодаря комплексной проводимости эмиттерных цепей второго 5 и первого 1 входных транзисторов. Указанная особенность сохраняет неизменной частоту квазирезонанса ИУ (ƒ₀) 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 С 13 и сопротивление резистора R₈).

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=C₁₀(h_11.1+h_11.5);

τ₂=C₁₃R₈,

h_21.i=α_i, h_11.i - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой; К_i13≈2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 11 от базового входа к общему эмиттерному выходу. Под базовым входом понимается вход токового зеркала (например, узел соединения базы транзистора 21 и перехода 20 (фиг.5), а под общим эмиттерным выходом - неинвертирующий выход токового зеркала (например, эмиттерный узел этих же компонентов на фиг.5).

Таким образом, из (1)-(4) следует, что в предлагаемом ИУ может быть реализована заданная добротность Q независимо от выбранной частоты квазирезонанса ƒ₀.

Аналогично можно показать, что коэффициент усиления по напряжению (К₀), ƒ₀ и добротность (Q) модифицированной схемы избирательного усилителя фиг.3 (при коэффициенте усиления по напряжению буферного усилителя 17 К_y17=1) определяются по формулам:

τ₁=C₁₀(R₁₄+h_11.1+h_11.5);

τ₂=C₁₃R₈,

Если выбрать R₁₄>>h_11.1≈h_11.5 и τ₁=τ₂, то добротность заявляемого ИУ и коэффициент К₀ устройства фиг.3 будут определяться формулами:

где

Выбирая при R₈=R₁₄ те или иные значения коэффициента передачи токового зеркала 11 (K_i13=1,8-1,999), которые (для схемы токового зеркала, показанной на фиг.5) зависят от отношения площадей эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21, можно получить практически любые заданные значения добротности Q и коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.8, фиг.9, полученные в результате моделирования схемы фиг.7 (фиг.2).

Введение частотно-задающего резистора 14 (п.2 формулы изобретения) позволяет ослабить влияние статического режима транзисторов схемы и его нестабильности на основные параметры ИУ: Q, K₀, ƒ₀.

Введение согласующего буферного усилителя 17 решает задачу согласования статических потенциалов в схеме заявляемого устройства и оптимизации динамического диапазона ИУ.

При реализации ИУ по схеме фиг.4 (п.3 формулы изобретения) создаются условия для более грубого подавления сигнала в области частот ƒ<<ƒ₀.

В этом случае

τ₁=(R₁₄+h_11.1+h_11.5)(C₁₀+C₁₆),

τ₂=R₈C₁₃,

Так, при выполнении ранее оговоренных условий и с учетом реализации в токовом зеркале К_i13>2 добротность схемы (фиг.4) определяется из формулы (8) при

В схеме фиг.6, в котором токовое зеркало реализовано на транзисторах 25, 26, 27, обеспечивается симметрирование статического режима входных транзисторов 1 и 5 по напряжению коллектор-база, что улучшает динамические параметры ИУ.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса ƒ₀ 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 WO/2006/077525.

4. Патент US 4267518, fig.6.

5. Патент RU 2101850 fig.1.

6. Патент WO/2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3.

8. Патентная заявка US 2007/0040604 fig.3.

9. Патент WO/03052925 A1 fig.3.

10. Патент 6011431 fig.4.

11. Патент US 5331478 fig.3.

12. Патент US 4885548 fig.9.

13. Патент US 4974916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5298802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент СН 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UА 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7202762.

22. Патент US 6188272.

23. Патент US 5847605.

24. Патент US 7116961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.

27. Патент US 5012201 fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель, содержащий первый входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания, второй входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой шиной источника питания через второй токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй шине источника питания, первый частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства и второй шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого и второго входных транзисторов, причем в схему введено токовое зеркало, базовый вход которого подключен к коллектору первого входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов, выход устройства связан с базой второго входного транзистора, причем параллельно первому частотно-задающему резистору включен по переменному току второй корректирующий конденсатор. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (1) и второго (5) входных транзисторов, отличающийся тем, что в схему введено токовое зеркало (11), базовый вход которого подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом (9) устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов (12), выход (9) устройства связан с базой второго (5) входного транзистора, причем параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен второй (14) частотно-задающий резистор.

3. Избирательный усилитель по п.2, отличающийся тем, что общий узел первого (10) корректирующего конденсатора и второго (14) частотно-задающего резистора связан со вторым входом (15) устройства через третий (16) корректирующий конденсатор.

4. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что выход (9) устройства связан с базой второго (5) входного транзистора через согласующий буферный усилитель (17).