ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/00 

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 трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей с низкоомным (токовым) входом, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-10]. 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 фирмы National Semiconductor cor. US 7791414, fig.2. Он содержит источник сигнала 1, который связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 р-n переходы, включенные между базами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первое 6 токовое зеркало, согласованное с первой 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору второго 3 входного транзистора.

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÷5ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг. 1, содержащем источник сигнала 1, который связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 р-n переходы, включенные между базами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первое 6 токовое зеркало, согласованное с первой 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору второго 3 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - источник сигнала 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через последовательно соединенные первый 10 корректирующий конденсатор и первый 11 частотно-задающий резистор, а также с эмиттером второго 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 10 корректирующий конденсатор и второй 12 частотно-задающий резистор, выход первого 6 токового зеркала соединен с базой первого 2 входного транзистора, выход второго 8 токового зеркала соединен с базой второго 3 входного транзистора, а общий узел первого 4 и второго 5 р-n переходов соединен с выходом устройства 13, причем между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания включены по переменному току второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг. 4 показана зависимость коэффициента передачи по напряжению от частоты (АЧХ) и фазы ИУ фиг. 3.

На фиг.5 - зависимость добротности АЧХ ИУ фиг.3 от емкости С1 при R1=200 Ом и C=600 fF.

Избирательный усилитель фиг. 2 содержит источник сигнала 1, который связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 р-n переходы, включенные между базами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первое 6 токовое зеркало, согласованное с первой 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору второго 3 входного транзистора. Источник сигнала 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через последовательно соединенные первый 10 корректирующий конденсатор и первый 11 частотно-задающий резистор, а также с эмиттером второго 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 10 корректирующий конденсатор и второй 12 частотно-задающий резистор, выход первого 6 токового зеркала соединен с базой первого 2 входного транзистора, выход второго 8 токового зеркала соединен с базой второго 3 входного транзистора, а общий узел первого 4 и второго 5 р-n переходов соединен с выходом устройства 13, причем между выходом устройства 13 и общей шиной источников питания включены по переменному току второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.

На фиг. 2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, площади эмиттерных переходов первого 2 и второго 3 входных транзисторов в несколько раз больше площадей первого 4 и второго 5 р-n переходов, которые в соответствии с классическими рекомендациями могут быть реализованы на основе эмиттерно-базовых переходов вспомогательных транзисторов.

В качестве первого 6 и второго 8 токовых зеркал могут использоваться широкий спектр традиционных схемотехнических решений, описанных в технической литературе.

Кроме этого, на фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, коэффициенты передачи по току К_i первого 6 и второго 8 токовых зеркал лежат в пределах К_i=1÷3 единиц.

Рассмотрим работу ИУ фиг. 2.

Источник входного сигнала u_вх (1) изменяет токи эмиттеров (i_R) первого 2 и второго 3 входных транзисторов, причем комплексный характер проводимости входных цепей, образованных первым 10 корректирующим конденсатором, а также первым 11 и вторым 12 частотно-задающими резисторами, обеспечивает в диапазоне нижних частот ИУ (ƒ<ƒ_о) увеличение этого тока с ростом частоты входного сигнала ƒ. Таким образом, посредством передачи этих токов через коллекторы упомянутых транзисторов во входные цепи первого 6 и второго 8 токовых зеркал осуществляется изменение тока нагрузки ИУ, образованной третьим 14 частотно-задающим резистором и вторым 15 корректирующим конденсатором. В результате это приводит к уменьшению выходного напряжения ИУ в диапазоне верхних частот (ƒ>ƒ₀). Взаимосвязь характера изменения тока i_R от частоты входного сигнала и указанное влияние этого параметра на выходное напряжение ИУ обеспечивает резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ фиг.2, которая имеет максимум на частоте квазирезонанса ƒ₀.

Выбор соотношений площадей эмиттерных переходов транзисторов 2, 3 и элементов 4 и 5 в соответствии с п.2 формулы изобретения позволяет обеспечить стабильный статический режим ИУ.

Пункт 3 формулы изобретения характеризует наиболее оптимальные значения коэффициентов усиления по току токовых зеркал 6 и 8.

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 при R₁₁=R₁₂=R_э, h_11.2=h_11.3=h₁₁ определяется по формуле:

где

τ₁₌С₁₀(R_Э+h₁₁)/2;

τ₂=R₁₅C_14,

квазирезонанса ƒ₀;

К_iΣ=α₂K_i12.6+α₃K_i12.8

α_i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора;

K_i12.6 и K_i12.8 - коэффициенты передачи по току первого 6 и второго 8 токовых зеркал;

h_11.i - входное сопротивление i-гo транзистора в схеме с общей базой.

Из (3)-(4) следует, что за счет выбора коэффициентов передачи тока K_i12.6 и K_i12.8 можно реализовать любое (желаемое) значение добротности АЧХ Q (3) и коэффициента усиления К₀ (4) на частоте квазирезонанса ƒ₀ (2), численное значение которой не зависит от реализуемой добротности Q.

Действительно, из (3) следует, что в частном случае при τ₁=τ₂, R₁₄≈R₁₁≈R₁₂ для получения заданной добротности Q_з, например, Q_з=10, необходимо, чтобы параметры схемы удовлетворяли условиям

Таким образом, конкретная схемотехническая реализация токовых зеркал 6 и 8 позволяет реализовать желаемые значения Q(3) и K₀ (4) при заданных соотношениях частотозадающих резисторов R₁₁=R₁₂ и R_14.

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

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса ƒ₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства. Кроме этого, ИУ фиг. 2 имеет широкий диапазон изменения выходного напряжения «от шины питания - до шины питания» (опцию rail-to-rail).

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 7.791414 fig.2.

4. Патент US 5.742154 fig.1.

5. Патент US 5.557220 fig.3.

6. Патeнт US 6.624701.

7. Патент US 6.529078 fig.2.

8. Патент US 5.140282 fig.6.

9. Патент US 4.446443 fig.1.

10. Патент US 6.734737 fig.9.

Изобретение относится к устройствам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель содержит источник сигнала, который связан с эмитерами входных транзисторов, p-n переходы, включенные между базами входных транзисторов, токовое зеркало, согласованное с шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору входного транзистора, токовое зеркало, согласованное с шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору входного транзистора. Источник сигнала связан с эмиттером входного транзистора через последовательно соединенные корректирующий конденсатор и частотно-задающий резистор, а также с эмиттером входного транзистора через последовательно соединенные корректирующий конденсатор и частотно-задающий резистор, выход токового зеркала соединен с базой входного транзистора, выход второго токового зеркала соединен с базой входного транзистора, а общий узел p-n переходов соединен с выходом устройства (13), причем между выходом устройства (13) и общей шиной источников питания включены по переменному току частотно-задающий резистор и корректирующий конденсатор. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник сигнала (1), который связан с эмиттерами первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первый (4) и второй (5) p-n переходы, включенные между базами первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первое (6) токовое зеркало, согласованное с первой (7) шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого (2) входного транзистора, второе (8) токовое зеркало, согласованное со второй (9) шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору второго (3) входного транзистора, отличающийся тем, что источник сигнала (1) связан с эмиттером первого (2) входного транзистора через последовательно соединенные первый (10) корректирующий конденсатор и первый (11) частотно-задающий резистор, а также с эмиттером второго (3) входного транзистора через последовательно соединенные первый (10) корректирующий конденсатор и второй (12) частотно-задающий резистор, выход первого (6) токового зеркала соединен с базой первого (2) входного транзистора, выход второго (8) токового зеркала соединен с базой второго (3) входного транзистора, а общий узел первого (4) и второго (5) p-n переходов соединен с выходом устройства (13), причем между выходом устройства (13) и общей шиной источников питания включены по переменному току второй (14) частотно-задающий резистор и второй (15) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что площади эмиттерных переходов первого (2) и второго (3) входных транзисторов в несколько раз больше площадей первого (4) и второго (5) p-n переходов, которые реализованы на основе эмиттерно-базовых переходов вспомогательных транзисторов.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты передачи по току К_i первого (6) и второго (8) токовых зеркал лежат в пределах К_i=1÷3 единиц.