ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/191 

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) (RC-фильтров) 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 (ИУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [3-14], 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 корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 7.679.445. Он содержит токовый вход устройства 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а база подключена к дополнительному источнику напряжения 5, токовое зеркало 6, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы.

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 токовый вход устройства 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а база подключена к дополнительному источнику напряжения 5, токовое зеркало 6, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 2 входного транзистора соединен со входом токового зеркала 6, между общим эмиттерным выходом которого и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 7 корректирующий конденсатор, причем между общим эмиттерным выходом токового зеркала 6 и второй 9 шиной источника питания включены последовательно соединенные первый 10 и второй 11 частотозадающие резисторы, общий узел которых соединен с эмиттером первого 2 входного транзистора через второй 8 корректирующий конденсатор и через третий 12 корректирующий конденсатор связан со входом дополнительного усилителя тока 13, а токовый вход устройства 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора или входом токового зеркала 6.

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 показана схема РТУ фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения и конкретным выполнением основных функциональных узлов, в котором показано исполнение токового зеркала 6, содержащего p-n переход 16 и транзистор 17.

На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.4 в крупном масштабе, а на фиг.6 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.4 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит токовый вход устройства 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а база подключена к дополнительному источнику напряжения 5, токовое зеркало 6, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы. Коллектор первого 2 входного транзистора соединен со входом токового зеркала 6, между общим эмиттерным выходом которого и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 7 корректирующий конденсатор, причем между общим эмиттерным выходом токового зеркала 6 и второй 9 шиной источника питания включены последовательно соединенные первый 10 и второй 11 частотозадающие резисторы, общий узел которых соединен с эмиттером первого 2 входного транзистора через второй 8 корректирующий конденсатор и через третий 12 корректирующий конденсатор связан со входом дополнительного усилителя тока 13, а токовый вход устройства 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора или входом токового зеркала 6.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, выход дополнительного усилителя тока 13 соединен с потенциальным выходом устройства 14 и через вспомогательный резистор 15 связан с первой 4 шиной источника питания.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, между источником входного напряжения устройства и токовым входом 1 устройства включен преобразователь «напряжение-ток» 16, токовое зеркало 6 реализовано на транзисторе 17 и p-n переходе 18, а дополнительный усилитель тока 13 содержит транзистор 19 и источник тока 20.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала в виде тока i_вх.1 или (i_вх.2) изменяет эмиттерный ток первого входного транзистора 2, либо непосредственно входной ток токового зеркала 6. Эти изменения через коэффициент передачи по току K_i13.6 передаются в частотно-зависимую цепь нагрузки токового зеркала 6. Структура этой цепи нагрузки, образованная резисторами 10, 11 и конденсаторами 7, 8, 12, обеспечивает полосно-пропускающий тип частотных характеристик ИУ - конденсатор 7 - формирует уменьшение амплитуды токов конденсаторов 8 и 12 в области верхних частот ИУ, а конденсаторы 8 и 12 - уменьшают сигнал в области нижних частот ИУ. В результате протекающие через конденсаторы 8 и 12 токи обеспечивают полосно-пропускающую селекцию выходного тока токового зеркала 6. Именно поэтому протекающий через конденсатор 12 ток приводит к изменению входного тока дополнительного усилителя тока 13, выход которого посредством сопротивления вспомогательного резистора 15 обеспечивает изменение выходного напряжения (14) в соответствии с требуемой для ИУ частотной зависимостью его коэффициента усиления. Аналогично, ток конденсатора 8 изменяет ток эмиттера транзистора 2 и, следовательно, выходной ток токового зеркала 6. Совпадение вида частотной зависимости этого тока с характеристиками ИУ позволяет реализовать как в области верхних частот, так и в области нижних частот ИУ реактивную обратную связь, повышающую ослабление сигналов в этом диапазоне частот на выходе 14. Таким образом, только на одной частоте (частоте квазирезонанса ИУ f₀) фазовые сдвиги в контуре обратной связи ИУ совпадают, а численное значение коэффициента передачи тока K_i13.6 будет направлено на повышение добротности Q и коэффициента усиления K₀ избирательного усилителя.

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

K₀ - коэффициент усиления u_y на частоте f₀

Q - добротность, причем:

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

α₂ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 2.

Таким образом, численные значения коэффициента K_i13.6 токового зеркала 6 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 параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно большой добротности. Как видно из (4) при R₁₁=R₁₀=R и реализации условия

в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматривающемся случае добротность:

а ее коэффициенты чувствительности:

При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.

Как видно из чертежа фиг.3, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе входного преобразователя «напряжение-ток» 16 (дифференциального каскада), обеспечивающего преобразование входного напряжения u_вх во входной ток u_y i_вх.1, а также токового зеркала 6 на базе многоэмиттерного транзистора 17 и p-n перехода 18, который при С₁₂=С₈ обеспечивает реализацию условия (3) и дополнительного усилителя тока 13, выполненного на базе биполярного транзистора 19.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5, фиг.6.

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., K.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 7.679.445.

4. Патент US 6.734.737, fig.7.

5. Патент US 4.600.893, fig.6.

6. Патент US 6.448.853, fig.5.

7. Патент US 4.406.990, fig.2, fig.3.

8. Патент US 3.440.448.

9. Патентная заявка US 2002/0196079, fig.1.

10. Патент US 5.091.701, fig.1.

11. Патент US 6.448.853, fig.5.

12. Патент US 7.560.987, fig.15.6.

13. Патент US 3.644.838.

14. Патент US 4.649.352, fig.1.

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 заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Усилитель содержит токовый вход устройства (1), первый (2) входной транзистор, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, а база подключена к дополнительному источнику напряжения (5), токовое зеркало (6), первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, при этом коллектор первого (2) входного транзистора соединен со входом токового зеркала (6), между общим эмиттерным выходом которого и общей шиной источников питания включен по переменному току первый (7) корректирующий конденсатор, причем между общим эмиттерным выходом токового зеркала (6) и второй (9) шиной источника питания включены последовательно соединенные первый (10) и второй (11) частотозадающие резисторы, общий узел которых соединен с эмиттером первого (2) входного транзистора через второй (8) корректирующий конденсатор и через третий (12) корректирующий конденсатор связан со входом дополнительного усилителя тока (13), а токовый вход устройства (1) связан с эмиттером первого (2) входного транзистора или входом токового зеркала (6). 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий токовый вход устройства (1), первый (2) входной транзистор, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, а база подключена к дополнительному источнику напряжения (5), токовое зеркало (6), первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, отличающийся тем, что коллектор первого (2) входного транзистора соединен со входом токового зеркала (6), между общим эмиттерным выходом которого и общей шиной источников питания включен по переменному току первый (7) корректирующий конденсатор, причем между общим эмиттерным выходом токового зеркала (6) и второй (9) шиной источника питания включены последовательно соединенные первый (10) и второй (11) частотозадающие резисторы, общий узел которых соединен с эмиттером первого (2) входного транзистора через второй (8) корректирующий конденсатор и через третий (12) корректирующий конденсатор связан со входом дополнительного усилителя тока (13), а токовый вход устройства (1) связан с эмиттером первого (2) входного транзистора или входом токового зеркала (6).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что выход дополнительного усилителя тока (13) соединен с потенциальным выходом устройства (14) и через вспомогательный резистор (15) связан с первой (4) шиной источника питания.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между источником входного напряжения устройства и токовым входом (1) устройства включен преобразователь «напряжение-ток» (16).