ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/45 

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. 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).

Известны схемы избирательных усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров 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 С_п), а нижняя f_н определяется корректирующим конденсатором [3-28].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг.1, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания,

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению на частоте квазирезонанса (f₀) больше единицы.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление систем на кристалле и реализовать высококачественное избирательное устройство с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 13 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с первой 5 шиной источника питания и коллектором второго 14 дополнительного транзистора, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен с базой третьего 15 дополнительного транзистора и через первый 16 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, эмиттеры первого 13 и третьего 15 дополнительных транзисторов соединены друг с другом и через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединены со второй 7 шиной источника питания, причем база второго 14 дополнительного транзистора подключена к базе первого 1 входного транзистора, а коллектор третьего 15 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора.

Схема избирательного усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого ИУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертежах фиг.4 и фиг.5 представлены амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.3 в разных масштабах. Из данных графиков следует, что ИУ фиг.3 имеет добротность Q, изменяющуюся в широких пределах в зависимости от тока дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 17 (фиг.2) (I_var. - фиг.3). Данные графики показывают, что схема фиг.3 имеет коэффициент усиления и добротность, зависящую от численных значений тока I₁₇=I_var, которые можно выбирать по усмотрению разработчика.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 1, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания. Последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 13 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с первой 5 шиной источника питания и коллектором второго 14 дополнительного транзистора, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен с базой третьего 15 дополнительного транзистора и через первый 16 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, эмиттеры первого 13 и третьего 15 дополнительных транзисторов соединены друг с другом и через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединены со второй 7 шиной источника питания, причем база второго 14 дополнительного транзистора подключена к базе первого 1 входного транзистора, а коллектор третьего 15 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Входной сигнал u_вх (2) через базовые цепи транзисторов 1 и 14 приводит к изменению токов транзисторов 1, 13, 14, 15, причем передача этого сигнала через эмиттерные цепи основных (1 и 14) транзисторов в коллектор транзистора 1, имеющего комплексную нагрузку в виде параллельно соединенных резистора 4 и конденсатора 12, обеспечивает селекцию сигнала на частотах, превышающих частоту квазирезонанса. Использование комплексной проводимости в виде резистора 11 и конденсатора 10 в цепи эмиттера транзисторов 1 и 8 обеспечивает реализацию резонансной амплитудно-частотной характеристики ИУ и совместно с упомянутой комплексной нагрузкой (4, 12) обеспечивает селекцию сигнала в широком диапазоне частот. Посредством контура реактивной обратной связи, образованного транзисторами 8, 1, 13, 15, база первого из которых (8) подключена к комплексной нагрузке (резистор 4 и конденсатор 12) и его характера, определяемого резисторами 11 и 4, конденсаторами 10 и 12, обеспечивается изменение глубины обратной связи без изменения частоты квазирезонанса (f₀) в ее окрестности. Причем дополнительная передача сигнала в контуре реактивной обратной связи через эмиттерные цепи транзисторов 13 и 15 в коллекторную цепь транзистора 1 повышает эффективность действия комплексных проводимостей, образованных резисторами 4, 11 и конденсаторами 10, 12. Указанные особенности функционирования контура обратной связи и цепи передачи сигнала со входа ИУ на его выход сохраняет неизменной частоту квазирезонанса и позволяет параметрически (режимно) изменить его добротность и коэффициент усиления.

Покажем аналитически, что в схеме фиг.2 реализуется более высокое значение добротности Q и коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса. Действительно, комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 определяется по формуле

где ;

τ₂=С₁₂R₄).

I₁₇, I₆ - токи задающих режим работы транзисторов ИУ источников тока 17 и 6;

α_i, (h₁₁)_i - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой.

Из соотношений (2)-(4) следует, что при фиксированных значениях токов I₉=I₆=I₁₆=I₀ малосигнальные параметры транзисторов (h₁₁)₈, (h₁₁)₆ остаются неизменными, т.е. частота квазирезонанса ИУ сохраняет свое стабильное значение, определяемое соотношением (2). В то же время изменение тока источника 17 (как видно из (3) и (4)), позволяет изменять численное значение добротности Q и коэффициента усиления К₀ без изменения (заметного ухудшения) параметрической чувствительности реализуемой добротности к параметрам пассивных элементов схемы ИУ

где

При необходимости эту чувствительность при заданном значении добротности Q можно минимизировать путем рационального выбора соотношения между τ₁ и τ₂ (2):

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями добротности и коэффициента усиления по напряжению.

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 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/03052925 A1 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 и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Технический результат: повышение добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление систем на кристалле и реализовать высококачественное избирательное устройство с f₀=1÷5 ГГц. Избирательный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый резистор, первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй дополнительные токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй корректирующие конденсаторы, первый дополнительный резистор, с первого по третий дополнительные транзисторы. 5 ил.

Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с источником сигнала (2), коллектор подключен к выходу устройства (3) и через первый резистор (4) соединен с первой (5) шиной источника питания, а эмиттер через первый (6) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (7) шиной источника питания, второй (8) входной транзистор, эмиттер которого через второй (9) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (7) шиной источника питания и через первый (10) корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого (1) входного транзистора, а коллектор связан с первой (5) шиной источника питания, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен первый (11) дополнительный резистор, база второго (8) входного транзистора соединена с коллектором первого (1) входного транзистора, параллельно первому (4) резистору включен по переменному току второй (12) корректирующий конденсатор, эмиттер первого (1) входного транзистора соединен с базой первого (13) дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с первой (5) шиной источника питания и коллектором второго (14) дополнительного транзистора, эмиттер второго (14) дополнительного транзистора соединен с базой третьего (15) дополнительного транзистора и через первый (16) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (7) шиной источника питания, эмиттеры первого (13) и третьего (15) дополнительных транзисторов соединены друг с другом и через второй (17) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединены со второй (7) шиной источника питания, причем база второго (14) дополнительного транзистора подключена к базе первого (1) входного транзистора, а коллектор третьего (15) дополнительного транзистора связан с коллектором первого (1) входного транзистора.