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, 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 [3-28]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_n определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4.267.518 fig.6. Он содержит источник сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 5 резистор нагрузки, включенный между второй 6 шиной источника питания и выходом устройства 7, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 5 резистору нагрузки, второй 9 входной транзистор, эмиттер которого через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 9 входных транзисторов.

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).

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 источник сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 5 резистор нагрузки, включенный между второй 6 шиной источника питания и выходом устройства 7, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 5 резистору нагрузки, второй 9 входной транзистор, эмиттер которого через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 9 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 2 входного транзистора соединен с эмиттером первого 12 выходного транзистора и базой второго 13 выходного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером третьего 14 выходного транзистора, и через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, четвертый 16 выходной транзистор, база которого соединена с базой первого 12 выходного транзистора и подключена к вспомогательному источнику напряжения питания 17, а эмиттер соединен с базой третьего 14 выходного транзистора, и через четвертый 18 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, причем выход устройства 7 связан с базой второго 9 входного транзистора, коллекторы третьего 14 и первого 12 выходных транзисторов связаны с выходом устройства 7, коллекторы четвертого 16 и второго 13 выходных транзисторов соединены со второй 6 шиной источника питания, а последовательно со вторым 11 корректирующим конденсатором включен частотно-задающий резистор 19.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. Здесь функции первого 8 корректирующего конденсатора выполняет емкость на подложку транзистора 2. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

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

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

На чертеже фиг.5 приведена схема ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npnVs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.mах=6 мА), а на чертежах фиг.6 и фиг.7 - логарифмические амплитудно-частотные (фиг.6) и фазочастотные (фиг.7) характеристики ИУ фиг.5 в более мелком масштабе при разных значениях влияющего на добротность Q и коэффициент усиления К₀ тока I₄, устанавливающих статический режим транзисторов Q14 и Q13 схемы фиг.5.

На чертеже фиг.8 приведена схема ИУ фиг.4 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npn Vs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.mах=6 мА) в режиме управления добротностью Q.

На чертеже фиг.9 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.8 в режиме управления добротностью за счет изменения тока I₄.

На чертеже фиг.10 представлена схема ИУ фиг.4 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов с более высокими значениями К₀ и Q в режиме управления этими величинами.

На чертеже фиг.11 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.10 в укрупненном масштабе, а на чертеже фиг.12 - логарифмические фазочастотные характеристики ИУ фиг.10 в мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 5 резистор нагрузки, включенный между второй 6 шиной источника питания и выходом устройства 7, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 5 резистору нагрузки, второй 9 входной транзистор, эмиттер которого через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 9 входных транзисторов. Коллектор первого 2 входного транзистора соединен с эмиттером первого 12 выходного транзистора и базой второго 13 выходного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером третьего 14 выходного транзистора и через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, четвертый 16 выходной транзистор, база которого соединена с базой первого 12 выходного транзистора и подключена к вспомогательному источнику напряжения питания 17, а эмиттер соединен с базой третьего 14 выходного транзистора и через четвертый 18 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, причем выход устройства 7 связан с базой второго 9 входного транзистора, коллекторы третьего 14 и первого 12 выходных транзисторов связаны с выходом устройства 7, коллекторы четвертого 16 и второго 13 выходных транзисторов соединены со второй 6 шиной источника питания, а последовательно со вторым 11 корректирующим конденсатором включен частотно-задающий резистор 19.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, выход устройства 7 связан с базой второго 9 входного транзистора через буферный усилитель 20.

Кроме этого, на чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, четвертый 18 токостабилизирующий двухполюсник реализован на основе дополнительного транзистора 21, коллектор которого является выходом четвертого 18 токостабилизирующего двухполюсника, база соединена с базой второго 2 входного транзистора, а эмиттер через пятый 22 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания.

Рассмотрим работу ИУ, фиг.2.

Источник входного переменного сигнала u_вх (1) в силу комплексного характера сопротивления эмиттерной цепи первого 2 входного транзистора (частотно-задающий резистор 19 и второй 11 корректирующий конденсатор) изменяет ток его коллектора и, следовательно, ток эмиттера первого 12 выходного транзистора и ток базы второго 13 выходного транзистора. Эти токи синфазны входному напряжению и их численные значения пропорциональны частоте входного сигнала (ƒ). Эта особенность приводит к пропорциональному изменению коллекторных токов первого 12 и третьего 14 выходных транзисторов и общего тока в выходной цепи ИУ, который формирует посредством первого 5 резистора нагрузки и первого 8 корректирующего конденсатора его выходное напряжение по выходу устройства 7. В силу комплексного характера этой нагрузки и частотной зависимости тока коллектора первого 2 входного транзистора (влияние частотно-задающего резистора 19 и второго 11 корректирующего конденсатора) в ИУ реализуется резонансный вид амплитудно-частотной характеристики, экстремальная точка которой определяет частоту квазирезонанса ƒ₀. Подключение базы второго 9 входного транзистора к выходу устройства 7 ИУ в силу комплексного характера сопротивления его эмиттерной цепи (частотно-задающий резистор 19 и второй 11 корректирующий конденсатор) создает на частотах ƒ<ƒ₀ реактивную обратную связь, которая совместно со входной цепью ИУ изменяет как фазовые, так и амплитудные соотношения токов коллектора первого 12 и третьего 14 выходных транзисторов, причем их величина достигает своего максимального значения на частотах в окрестности частоты ƒ₀. Таким образом, глубина вводимой обратной связи (возвратное отношение на частоте квазирезонанса) непосредственно определяет реализуемые ИУ добротность Q и коэффициент усиления по напряжению К₀, причем численное значение этих величин непосредственно определяется коэффициентом передачи тока коллектора транзистора 2 в цепь нагрузки ИУ на элементах 5 и 8.

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

Действительно, комплексный коэффициент передачи и добротность по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁=С₁₁(R₁₉+h_11.9+h_11.2),

τ₂=C₈R₅;

где α≤1 - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора, I₀=I₃=I₁₀, I₁₅ - токи токостабилизирующих двухполюсников 3, 10, 15, h_11.i - входное сопротивление (h-параметр) i-го транзистора в схеме с общей базой.

Таким образом, в предложенной схеме ИУ выбором соотношений между резисторами R₅ и R₉ и токами I₁₅ и I₀ можно обеспечить необходимое значение добротности Q(3) и коэффициента усиления К₀(4) за счет токов I₁₅ и I₀ без изменений частоты квазирезонанса (2). В этом случае для повышения эффективности использования этих двухполюсников при значительных добротностях в схему необходимо ввести дополнительный буферный усилитель 20 (фиг.3), связывающий выходную цепь ИУ с базовой цепью транзистора 9.

Таким образом, Q и К₀ могут принимать более высокие значения:

При относительно больших добротностях возникающую проблему согласования режимов работы второго 13 и третьего 14 выходных транзисторов можно решить применением схемы ИУ, представленной на фиг.4. Однако в этом случае комплексный коэффициент передачи (1) в области низких частот (ƒ<ƒ₀) получит асимптотическое приращение при сохранении неизменными величин Q(5), К₀(6) и ƒ₀, что противоположно влиянию:

где R_i22, R_i3 - дифференциальные сопротивления пятого 22 и первого 3 токостабилизирующих двухполюсников.

Таким образом, совокупность предложенных схемотехнических разновидностей ИУ позволяет реализовать относительно большое значение добротности Q и коэффициента передачи К₀, повысить при необходимости их численное значение без пропорционального увеличения потребляемого тока, а также решить вспомогательную задачу согласования режимов работы основных транзисторов.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.12.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, 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 WO/2006/077525.

4. Патент US 4.267.518, 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/03052925A1, fig.3.

10. Патент US 6.011.431, fig.4.

11. Патент US 5.331.478, fig.3.

12. Патент US 4.885.548, fig.9.

13. Патент US 4.974.916, fig.1.

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

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899, fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UA 17276.

20. Патент US 2009/0289714, fig.4.

21. Патент US 7.202.762.

22. Патент US 6.188.272.

23. Патент US 5.847.605.

24. Патент US 7.116.961.

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

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

27. Патент US 5.012.201, fig.2.

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Такой технический результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит источник сигнала (1), базу первого (2) входного транзистора, первый (3) токостабилизирующий двухполюсник, первую (4) шину источника питания, первый (5) резистор нагрузки, вторую (6) шину источника питания, устройство (7), первый (8) корректирующий конденсатор, второй (9) входной транзистор, второй (10) токостабилизирующий двухполюсник, второй (11) корректирующий конденсатор, первый (12) выходной транзистор, второй (13) выходной транзистор, третий (14) выходной транзистор, третий (15) токостабилизирующий двухполюсник, четвертый (16) выходной транзистор, вспомогательный источник напряжения питания (17), четвертый (18) токостабилизирующий двухполюсник и частотно-задающий резистор (19). 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник сигнала (1), соединенный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, первый (5) резистор нагрузки, включенный между второй (б) шиной источника питания и выходом устройства (7), первый (8) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (5) резистору нагрузки, второй (9) входной транзистор, эмиттер которого через второй (10) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, второй (11) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (2) и второго (9) входных транзисторов, отличающийся тем, что коллектор первого (2) входного транзистора соединен с эмиттером первого (12) выходного транзистора и базой второго (13) выходного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером третьего (14) выходного транзистора и через третий (15) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, четвертый (16) выходной транзистор, база которого соединена с базой первого (12) выходного транзистора и подключена к вспомогательному источнику напряжения питания (17), а эмиттер соединен с базой третьего (14) выходного транзистора и через четвертый (18) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, причем выход устройства (7) связан с базой второго (9) входного транзистора, коллекторы третьего (14) и первого (12) выходных транзисторов связаны с выходом устройства (7), коллекторы четвертого (16) и второго (13) выходных транзисторов соединены со второй (6) шиной источника питания, а последовательно со вторым (11) корректирующим конденсатором включен частотно-задающий резистор (19).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что выход устройства (7) связан с базой второго (9) входного транзистора через буферный усилитель (20).

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что четвертый (18) токостабилизирующий двухполюсник реализован на основе дополнительного транзистора (21), коллектор которого является выходом четвертого (18) токостабилизирующего двухполюсника, база соединена с базой второго (2) входного транзистора, а эмиттер через пятый (22) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания.