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 на базе ячеек Гильберта [3-14], интегрированных в архитектуру RC-фильтров, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-14]. 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 4528517. Он содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, а база соединена со входом устройства 6, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 4 входного транзистора и базой третьего 9 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения 10, связанный с базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов, выход устройства 11, с которым связаны коллекторы второго 8 выходного транзистора и четвертого 12 выходного транзистора, первый 13 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 11 и второй 14 шиной источника питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 12 выходных транзисторов и первой 3 шиной источника питания, причем база третьего 12 и выходного транзистора соединена с эмиттером первого 7 выходного транзистора, коллекторы первого 7 выходного и третьего 9 выходного транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, а второй 16 частотно-задающий резистор включен между эмиттерами первого 1 и второго 4 входных транзисторов.

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).

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, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, а база соединена со входом устройства 6, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 4 входного транзистора и базой третьего 9 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения 10, связанный с базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов, выход устройства 11, с которым связаны коллекторы второго 8 выходного транзистора и четвертого 12 выходного транзистора, первый 13 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 11 и второй 14 шиной источника питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 12 выходных транзисторов и первой 3 шиной источника питания, причем база третьего 12 и выходного транзистора соединена с эмиттером первого 7 выходного транзистора, коллекторы первого 7 выходного и третьего 9 выходного транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, а второй 16 частотно-задающий резистор включен между эмиттерами первого 1 и второго 4 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно со вторым 16 частотно-задающим резистором включен первый 17 корректирующий конденсатор, параллельно первому 13 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 18 корректирующий конденсатор, а выход устройства 11 связан с базой первого 1 входного транзистора через буферный усилитель 19.

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

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

На фиг.4 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 (укрупненный масштаб), а на фиг.5 - логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.3 в более мелком масштабе.

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, эмиттер которого через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, а база соединена со входом устройства 6, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 4 входного транзистора и базой третьего 9 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения 10, связанный с базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов, выход устройства 11, с которым связаны коллекторы второго 8 выходного транзистора и четвертого 12 выходного транзистора, первый 13 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 11 и второй 14 шиной источника питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 12 выходных транзисторов и первой 3 шиной источника питания, причем база третьего 12 и выходного транзистора соединена с эмиттером первого 7 выходного транзистора, коллекторы первого 7 выходного и третьего 9 выходного транзисторов связаны со второй 14 шиной источника питания, а второй 16 частотно-задающий резистор включен между эмиттерами первого 1 и второго 4 входных транзисторов, последовательно со вторым 16 частотно-задающим резистором включен первый 17 корректирующий конденсатор, параллельно первому 13 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 18 корректирующий конденсатор, а выход устройства 11 связан с базой первого 1 входного транзистора через буферный усилитель 19, который реализован на транзисторе 20, p-n переходах 21-22 и источнике тока 23.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх в силу комплексного характера проводимости эмиттерных цепей (второй 16 частотно-задающий резистор и первый 17 корректирующий конденсатор) первого 1 и второго 4 входных транзисторов изменяет токи их коллекторов и, следовательно, эмиттерные, коллекторные и базовые токи первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 12 выходных транзисторов. При этом токи коллекторов второго 8 и четвертого 12 входных транзисторов синфазны, а их величины непосредственно определяются токами I₅ и I₁₅ второго 5 и третьего 15 токостабилизирующих двухполюсников. Поэтому комплексная нагрузка (первый 13 частотно-задающий резистор и второй 18 корректирующий конденсатор) обеспечивает их преобразование в выходное напряжение (выход устройства 11) не только в соответствии с законом изменения сопротивлений этой нагрузки, но и согласно закону изменения коллекторных токов первого 1 и второго 4 входных транзисторов. Таким образом, характер сопротивления нагрузки (первый 13 частотно-задающий резистор и второй 18 корректирующий конденсатор) и структура проводимости эмиттерных цепей первого 1 и второго 4 входных транзисторов (второй 16 частотно-задающий резистор и первый 17 корректирующий конденсатор) обеспечивают резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ в широком диапазоне рабочих частот. Необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления ИУ при сохранении неизменной частоты квазирезонанса f₀ обеспечивается посредством подключения выхода устройства 11 через буферный усилитель 19, образованный транзистором 20, прямосмещенными переходами 21, 22 и источником тока 23 к базе первого 1 входного транзистора. Возникающая при этом обратная связь имеет реактивный характер в диапазоне низких частот (f<<f₀) и комплексна в диапазоне верхних частот (f>f₀). Поэтому изменение токов коллекторов первого 1 и второго 4 входных транзисторов приводит к аналогичному действию входного сигнала - изменению токов второго 8, третьего 9 и четвертого 12 выходных транзисторов и, следовательно, изменению напряжения на первом 13 частотно-задающем резисторе и втором 18 корректирующем конденсаторе. Глубина этой обратной связи будет определяться соотношением токов четвертого 12 выходного, первого 1 и второго 4 входных транзисторов. В силу указанных причин в данном ИУ реализуется высокая, определяемая глубиной обратной связи добротность Q и коэффициент усиления К₀.

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

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

где

τ₁=С₁₇(R₁₆+h_11.1+h_11.4);

τ₂=C₁₈R₁₃,

по напряжению ИУ на частоте f₀;

α_i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора;

h_11.i-h₁₁ - параметр i-го транзистора в схеме с общей базой;

I₁₅, I₀ - токи двухполюсников 15, 2 и 3, показанные на фиг.2.

Из приведенных соотношений следует, что численные значения добротности Q (3) и K₀ (4) определяются не только соотношением резисторов R₁₃ и R₁₆, но могут задаваться (контролироваться) током третьего 15 токостабилизирующего двухполюсника I₁₅, определяющим режим работы четвертого 12 и третьего 9 выходных транзисторов. При этом, как видно из соотношения (2), частота квазирезонанса f₀ сохраняет свое численное значение.

В устройстве-прототипе (фиг.1)

где τ₁=C_KR₁₆, τ₂=C_ÏR₁₃K'₀,

C_Ï - емкость на «подложку» транзисторов схемы, С_K - емкость корректирующего конденсатора, - коэффициент усиления ИУ-прототипа в области низких частот.

Сравнение (3), (4) и (5) показывает, что введение в схему в соответствии с формулой изобретения дополнительных активных и пассивных элементов существенно повышает качественные показатели (Q и K₀) избирательного усилителя.

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

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности, 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. - p.50-53

2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.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 №3931583, fig.7.

4. Патент US №6529075, fig.2.

5. Патент US №4779057, fig.1.

6. Патент US №4528517.

7. Патент US №4322688.

8. Патент US №6529075.

9. Патент US №4048577.

10. Патент US №4146844, fig.4.

11. Патент SU 1769345.

12. Патентная заявка JP 2004/88498.

13. Патент JP 54-34308, кл. 98 (5) А21.

14. Патент US №4147943.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ усилителя за счет повышения коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. В избирательный усилитель последовательно со вторым (16) частотно-задающим резистором включен первый (17) корректирующий конденсатор, при этом параллельно первому (13) частотно-задающему резистору размещен по переменному току второй (18) корректирующий конденсатор, а выход устройства (11) связан с базой первого (1) входного транзистора через буферный усилитель 19. 5 ил.

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, эмиттер которого через второй (5) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, а база соединена со входом устройства (6), первый (7) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, второй (8) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго (4) входного транзистора и базой третьего (9) выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения (10), связанный с базами первого (7) и второго (8) выходных транзисторов, выход устройства (11), с которым связаны коллекторы второго (8) выходного транзистора и четвертого (12) выходного транзистора, первый (13) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (11) и второй (14) шиной источника питания, третий (15) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами третьего (9) и четвертого (12) выходных транзисторов и первой (3) шиной источника питания, причем база третьего (12) и выходного транзистора соединена с эмиттером первого (7) выходного транзистора, коллекторы первого (7) выходного и третьего (9) выходного транзисторов связаны со второй (14) шиной источника питания, а второй (16) частотно-задающий резистор включен между эмиттерами первого (1) и второго (4) входных транзисторов, отличающийся тем, что последовательно со вторым (16) частотно-задающим резистором включен первый (17) корректирующий конденсатор, параллельно первому (13) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (18) корректирующий конденсатор, а выход устройства (11) связан с базой первого (1) входного транзистора через буферный усилитель (19).