ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 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 (ИУ) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа вспомогательных, универсальных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ узкоспециализированных избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы избирательных усилителей на основе каскадов с управляемым токовым зеркалом [3-11], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется входным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US №4.999.585, fig.2. Он содержит входной транзистор 1, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику вспомогательного напряжения, а коллектор связан со входом токового зеркала 5, имеющего общий эмиттерный выход 6, согласованный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный по переменному току параллельно первому 9 корректирующему конденсатору.

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=1÷5 ГГц).

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 входной транзистор 1, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику вспомогательного напряжения, а коллектор связан со входом токового зеркала 5, имеющего общий эмиттерный выход 6, согласованный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный по переменному току параллельно первому 9 корректирующему конденсатору, предусмотрены новые элементы и связи - общий эмиттерный выход 6 токового зеркала 5 связан со второй 7 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с эмиттером входного транзистора 1 через последовательно соединенные второй 10 частотозадающий резистор и второй 11 корректирующий конденсатор, общий узел второго 10 частотозадающего резистора и второго 11 корректирующего конденсатора связан со входом 12 дополнительного усилителя тока 13 через третий 14 корректирующий конденсатор, причем токовый вход 15 устройства связан с эмиттером (или коллектором) входного транзистора 1, а инвертирующий токовый выход токового зеркала 5 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.

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

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением основных функциональных узлов, в котором показано типовое исполнение токового зеркала 5, содержащего p-n переход 21 и транзистор 20, а также дополнительного усилителя тока 13.

На фиг.4, фиг.5 приведены варианты построения входных преобразователей «напряжение-ток», обеспечивающих (в необходимых случаях) преобразование потенциального входного сигнала в токовый сигнал, поступающий на вход устройства 15.

На фиг.6 представлена схема заявляемого усилителя фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига от частоты ИУ фиг.6 в крупном масштабе, а на фиг.8 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит входной транзистор 1, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику вспомогательного напряжения, а коллектор связан со входом токового зеркала 5, имеющего общий эмиттерный выход 6, согласованный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный по переменному току параллельно первому 9 корректирующему конденсатору. Общий эмиттерный выход 6 токового зеркала 5 связан со второй 7 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с эмиттером входного транзистора 1 через последовательно соединенные второй 10 частотозадающий резистор и второй 11 корректирующий конденсатор, общий узел второго 10 частотозадающего резистора и второго 11 корректирующего конденсатора связан со входом 12 дополнительного усилителя тока 13 через третий 14 корректирующий конденсатор, причем токовый вход 15 устройства связан с эмиттером (или коллектором) входного транзистора 1, а инвертирующий токовый выход токового зеркала 5 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного тока i_вх.1 с частотой f изменяет или входной ток токового зеркала 5, или эмиттерный ток входного транзистора 1. Возникающее приращение тока увеличивается (усиливается) токовым зеркалом 5, нагрузкой которого по выходу 6 является частотозадающая цепь, образованная резисторами 8, 10 и конденсаторами 9, 11, 14. Указанная частотозадающая цепь обеспечивает необходимый вид АЧХ и ФЧХ ИУ и реализует посредством взаимодействия транзистора 1 и входа токового зеркала 5 регенеративную обратную связь, которая оказывается вещественной только на одной частоте - частоте квазирезонанса f₀ ИУ. В области нижних частот (f<<f₀) и в области верхних частот (f>>f₀) эта же регенеративная обратная связь оказывается реактивной. Следовательно, частота квазирезонанса f₀ не зависит от глубины этой обратной связи и определяется только значениями сопротивлений R₈, R₁₀ и емкостей C₉, C₁₁, C₁₄, а численное значение добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ определяется возвратным отношением вещественной обратной связи и, поэтому, коэффициентом передачи токового зеркала 5.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в рабочем диапазоне частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где f - частота входного сигнала;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте f₀;

Q - добротность;

где K_i13.6 и K_i - коэффициенты передачи по току токового зеркала 5 и дополнительного усилителя тока 13;

α₁ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 1.

Таким образом, численные значения коэффициента K_i13.6 токового зеркала 5 обеспечивают необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f₀ (2).

Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность реализации частотозадающей цепи при относительно большой добротности. Как видно из (4), при R₈=R₁₀=R, C₁₁=C₁₄=C₉=C и реализации условия:

в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации коэффициента передачи по току токового зеркала 5 для необходимого значения добротности.

Как видно из фиг.3, на которой показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе токового зеркала путем масштабирования эмиттерного перехода транзистора 20. При этом выходной преобразователь в схеме фиг.3 выполнен на базе транзистора 18 с нагрузкой 20.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.7, фиг.8.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

Литература

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 4.999.585, fig.2.

4. Патент US 4.262.261, fig.1B.

5. Патент WO/2002/047257.

6. Патент US 7.782.139, fig.5.

7. Патент US 6.844.781.

8. Патент US 6.657.465.

9. Патент US 4.366.442, fig.2.

10. Патент US 5.371.476, fig.3.

11. Патент US 2006/0139098, fig.1.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель содержит входной транзистор (1), эмиттер которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, база подключена к первому (4) источнику вспомогательного напряжения, а коллектор связан со входом токового зеркала (5), имеющего общий эмиттерный выход (6), согласованный со второй (7) шиной источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный по переменному току параллельно первому (9) корректирующему конденсатору. Общий эмиттерный выход (6) токового зеркала (5) связан со второй (7) шиной источника питания через первый (8) частотозадающий резистор и соединен с эмиттером входного транзистора (1) через последовательно соединенные второй (10) частотозадающий резистор и второй (11) корректирующий конденсатор, общий узел второго (10) частотозадающего резистора и второго (11) корректирующего конденсатора связан со входом (12) дополнительного усилителя тока (13) через третий (14) корректирующий конденсатор, причем токовый вход (15) устройства связан с эмиттером (или коллектором) входного транзистора (1), а инвертирующий токовый выход токового зеркала (5) подключен ко второму (16) источнику вспомогательного напряжения. 8 ил.

Избирательный усилитель, содержащий входной транзистор (1), эмиттер которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, база подключена к первому (4) источнику вспомогательного напряжения, а коллектор связан со входом токового зеркала (5), имеющего общий эмиттерный выход (6), согласованный со второй (7) шиной источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный по переменному току параллельно первому (9) корректирующему конденсатору, отличающийся тем, что общий эмиттерный выход (6) токового зеркала (5) связан со второй (7) шиной источника питания через первый (8) частотозадающий резистор и соединен с эмиттером входного транзистора (1) через последовательно соединенные второй (10) частотозадающий резистор и второй (11) корректирующий конденсатор, общий узел второго (10) частотозадающего резистора и второго (11) корректирующего конденсатора связан со входом (12) дополнительного усилителя тока (13) через третий (14) корректирующий конденсатор, причем токовый вход (15) устройства связан с эмиттером (или коллектором) входного транзистора (1), а инвертирующий токовый выход токового зеркала (5) подключен ко второму (16) источнику вспомогательного напряжения.