ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п.

В задачах выделения высокочастотных 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 транзисторов, образующих операционный усилитель с парафазным выходом [1, 2]. В этой связи весьма актуальной является задача построения избирательных усилителей с парафазным выходом на четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров (ИУ) с парафазным выходом на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-7]. 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 с парафазным выходом, представленный в патенте US 4406990, fig.3. Он содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через второй 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора, второй 8 входной транзистор, коллектор которого через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения питания 11, связанный с базами первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного транзистора, соединенным с первым 13 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, пятый 14 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 10 выходного транзистора, соединенным со вторым 15 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 входные конденсаторы.

Существенный недостаток известного устройства с парафазным выходом состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 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 (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство с двумя противофазными выходами.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе с противофазным выходом фиг.1, содержащем источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через второй 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора, второй 8 входной транзистор, коллектор которого через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения питания 11, связанный с базами первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного транзистора, соединенным с первым 13 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, пятый 14 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 10 выходного транзистора, соединенным со вторым 15 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 входные конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттерами первого 2 и второго 8 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый 16 входной конденсатор и первый 18 дополнительный резистор, общий узел которых через второй 17 входной конденсатор соединен с источником входного сигнала 1, эмиттер второго 8 входного транзистора через шестой 19 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, база первого 2 входного транзистора соединена со вторым 15 выходом устройства, база второго 8 входного транзистора соединена с первым 13 выходом устройства, первый 13 выход устройства зашунтирован по переменному току первым 20 дополнительным конденсатором, а второй 15 выход устройства зашунтирован по переменному току вторым 21 дополнительным конденсатором.

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 ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.5 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.4 и его фазового сдвига с мелком масштабе.

На фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.4 при добротности Q=41 (укрупненный масштаб).

На фиг.7 приведены амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.4 по первому и второму выходам относительно входа inl, а на фиг.8 - осциллограммы выходных сигналов ИУ при уровне входного напряжения u_вх=10 мВ на частоте f₀=1.549 ГГц.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через второй 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора, второй 8 входной транзистор, коллектор которого через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания и соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения питания 11, связанный с базами первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного транзистора, соединенным с первым 13 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, пятый 14 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 10 выходного транзистора, соединенным со вторым 15 выходом устройства и первой 4 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 входные конденсаторы. Между эмиттерами первого 2 и второго 8 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый 16 входной конденсатор и первый 18 дополнительный резистор, общий узел которых через второй 17 входной конденсатор соединен с источником входного сигнала 1, эмиттер второго 8 входного транзистора через шестой 19 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, база первого 2 входного транзистора соединена со вторым 15 выходом устройства, база второго 8 входного транзистора соединена с первым 13 выходом устройства, первый 13 выход устройства зашунтирован по переменному току первым 20 дополнительным конденсатором, f второй 15 выход устройства зашунтирован по переменному току вторым 21 дополнительным конденсатором.

Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве четвертого 12 и пятого 14 токостабилизирующих двухполюсников используются частотно-задающие резисторы (R₁₂, R₁₄).

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве четвертого 12 и пятого 14 токостабилизирующих двухполюсников используются источники опорного тока I₁₂=I₁₄=I₀, причем между первым 13 выходом устройства и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 22 вспомогательный резистор, а между вторым 15 выходом устройства и общей шиной источников питания включен по переменному току второй 23 вспомогательный резистор.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного сигнала 1 изменяет эмиттерные токи транзисторов 2 и 8, причем с увеличением частоты входного напряжения (u_вх) приращения этих токов увеличиваются. Именно поэтому увеличиваются как эмиттерные, так и коллекторные токи р-n-р транзисторов 7 и 10. Такое взаимодействие исключает ненулевое значение асимптотических коэффициентов передачи ИУ. Учитывая, что нагрузкой транзисторов 7 и 10 является параллельное соединение резистора 12 (14) и конденсатора 20 (21), выходные напряжения ИУ, определяющиеся падением напряжения в этих цепях, будут иметь экстремум, положение которого на частотной оси определяется постоянными времени входной цепи, образованной резистором 18, конденсаторами 16 и 17, и выходных цепей ИУ (резисторы 12, 14 и конденсаторы 20, 21). Взаимодействие выходных цепей ИУ (узлы 13 и 15) с базами транзисторов 8 и 2 приводит к реализации комплексной обратной связи, причем в силу особенностей входной цепи ИУ (резистор 18 и конденсаторы 16, 17) глубина этой обратной связи за счет передачи этой цепи части эмиттерного переменного тока транзистора 2 в эмиттерную цепь транзистора 8, а также части эмиттерного тока транзистора 8 в эмиттерную цепь транзистора 2 по каждому из рассматриваемых каналов зависит от особенностей АЧХ и ФЧХ соответствующих контуров. Характер частотной зависимости эквивалентного сопротивления эмиттерных цепей транзисторов 2 и 8 и проводимостей нагрузок (сопротивления 12, 14 и конденсаторы 20, 21) показывает, что только на одной частоте (частоте квазирезонанса f₀ ИУ) эта связь является вещественной с положительным возвратным отношением, а при f₀>>f>>f₀ является реактивной. Именно поэтому действие образованных контуров направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ без изменения его частоты квазирезонанса.

Кроме этого настоящая взаимосвязь суммарных приращений как эмиттерных (n-р-n), так и коллекторных (р-n-р) токов создает необходимые параметрические условия максимизации добротности и коэффициента усиления схемы.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K_y(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где C₁₆, C₁₇, С₂₀, C₂₁ - емкости конденсаторов 16, 17, 20, 21;

- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал;

I_эi - статический ток эмиттера i-го транзистора;

α_i<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.

Условие

обеспечивает симметричность выходов 13 и 15 ИУ.

Если выбрать τ₁=τ₂, R₁₂=R₁₄=R₁₈+h_11.2+h_11.8, то уравнения для Q (6) и K₀ (5) существенно упрощаются:

Поэтому при идентичности транзисторов 2, 8 и 7, 10 указанные параметры определяются их коэффициентом передачи тока эмиттера. Как правило α₂α₈>α₇α₁₀. Следовательно, добротность ИУ и его коэффициент усиления ограничиваются β р-n-р транзисторов. Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (7), получить заданные значения Q (8) и K₀ (9).

Данные теоретические выводы подтверждаются графиками фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ имеет два противофазных выхода и характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, 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, 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 7560987, fig.4.

4. Патент JP Toshiba 4600893, fig.4.

5. Патент US 4406990, fig.3.

6. Патент RU 2349024, фиг.1.

7. Патент RU 2384936, фиг.11.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель с парафазным выходом содержит источник входного сигнала, первый входной транзистор, второй токостабилизирующий двухполюсник, первую шину источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, вторую шину источника питания, первый выходной транзистор, второй входной транзистор, третий токостабилизирующий двухполюсник, второй выходной транзистор, источник вспомогательного напряжения питания, четвертый токостабилизирующий двухполюсник, пятый токостабилизирующий двухполюсник, первый и второй входные конденсаторы первый дополнительный резистор, шестой токостабилизирующий двухполюсник, первый дополнительный конденсатор, второй дополнительный конденсатором. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Избирательный усилитель с парафазным выходом, содержащий источник входного сигнала (1), первый (2) входной транзистор, эмиттер которого через второй (3) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, а коллектор через второй (5) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания и соединен с эмиттером первого (7) выходного транзистора, второй (8) входной транзистор, коллектор которого через третий (9) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания и соединен с эмиттером второго (10) выходного транзистора, источник вспомогательного напряжения питания (11), связанный с базами первого (7) и второго (10) выходных транзисторов, четвертый (12) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (7) выходного транзистора, соединенным с первым (13) выходом устройства и первой (4) шиной источника питания, пятый (14) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (10) выходного транзистора, соединенным со вторым (15) выходом устройства и первой (4) шиной источника питания, первый (16) и второй (17) входные конденсаторы, отличающийся тем, что между эмиттерами первого (2) и второго (8) входных транзисторов включены последовательно соединенные первый (16) входной конденсатор и первый (18) дополнительный резистор, общий узел которых через второй (17) входной конденсатор соединен с источником входного сигнала (1), эмиттер второго (8) входного транзистора через шестой (19) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, база первого (2) входного транзистора соединена со вторым (15) выходом устройства, база второго (8) входного транзистора соединена с первым (13) выходом устройства, первый (13) выход устройства зашунтирован по переменному току первым (20) дополнительным конденсатором, а второй (15) выход устройства зашунтирован по переменному току вторым (21) дополнительным конденсатором.

2. Избирательный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что в качестве четвертого (12) и пятого (14) токостабилизирующих двухполюсников используются частотно-задающие резисторы.

3. Избирательный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что в качестве четвертого (12) и пятого (14) токостабилизирующих двухполюсников используются источники опорного тока, причем между первым (13) выходом устройства и общей шиной источников питания включен по переменному току первый (22) вспомогательный резистор, а между вторым (15) выходом устройства и общей шиной источников питания включен по переменному току второй (23) вспомогательный резистор.