ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/00 H03F3/45 

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

Известны схемы ИУ, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-11]. 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 RU 2421879, фиг.2. Он содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.

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

На фиг.3 показан ИУ, фиг.2, с конкретным выполнением источника вспомогательного напряжения 7 на элементах 17 и 18.

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

На фиг.5 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0-100 ГГц.

На фиг.6 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0,760-1,5 ГГц.

На фиг.7 приведена амплитудно-частотная характеристика ИУ (АЧХ), фиг.4, в более крупном масштабе.

На фиг.8 приведена фазочастотная характеристика ИУ, фиг.4, в более крупном масштабе.

На фиг.9 приведена временная характеристика по вых. 14 при подаче на вход 1 схемы, фиг.4, синусоидального сигнала.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора. Коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.

Конденсаторы 15 и 16 учитывают емкость на подложку транзисторов 2 и 6, которые оказываются включенными параллельно емкости первого 11 корректирующего конденсатора. Это одна из замечательных особенностей предлагаемой схемы, способствующая расширению частотного диапазона ИУ.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы, фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх (1) изменяет токи эмиттера и коллектора входного транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки транзистора 2, образованной параллельным соединением резистора 9 и конденсатора 11, а также последовательным соединением конденсатора 13 и резистора 10, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 10. В области нижних частот (f<f₀) конденсатор 13 обеспечивает увеличение тока с ростом частоты входного сигнала, а в области верхних частот (f>f₀) конденсатор 11 - уменьшение как напряжения в цепи коллектора транзисторов 2 и 6, так и тока в резисторе 10. Именно поэтому максимальное значение этого тока соответствует частоте квазирезонанса f₀ ИУ, которая определяется соотношениями между резистивными и емкостными элементами этой цепи. Подключение резистора 10 к эмиттеру транзистора 6 образует первый контур обратной связи, действие которого направлено на увеличение добротности Q. Так, изменение эмиттерного тока транзистора 6 за счет тока резистора 10 приводит к пропорциональному изменению тока его коллектора. В силу указанной выше особенности характера нагрузки коллекторной цепи отношение этих токов достигает максимального значения на частоте квазирезонанса f₀ ИУ. Следовательно, образованная обратная связь является вещественной только на частоте f₀, и ее действие направлено на увеличение добротности Q. В силу ограничения на коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (α<1) это не может привести к заметному увеличению добротности и является достаточным для изменения структуры цепи и организации дополнительно контура обратной связи путем подключения резистора 10 к базе транзистора 3. Пропорциональность напряжения на базе этого транзистора и тока резистора 10 приводит к изменению токов эмиттеров и коллекторов входных транзисторов 2 и 3. Таким образом, суммарный ток в нагрузке (резистор 9 и конденсатор 11) и тока резистора 10 гарантирует вещественность обратной связи только на частоте квазирезонанса f₀, увеличение добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ. Действительно, на частотах f<<f₀ эта связь в силу действия конденсатора 13 является реактивной, на частотах f>>f₀ ее глубина в силу влияния конденсатора 11 оказывается очень низкой. Таким образом, вводимые в схему обратные связи увеличивают как добротность, так и коэффициент усиления ИУ без изменения его частоты квазирезонанса.

Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения (выход устройства 14) к входному напряжению u_вх 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.

Частота квазирезонанса схемы определяется из следующего соотношения

а реализуемая добротность и коэффициент усиления

где τ₁=C₁₃(R₁₀+h_11.6); τ₂=C₁₁R₉ - эквивалентные постоянные времени цепи нагрузки, α_i, h_11.i - статический коэффициент передачи эмиттерного тока и входное сопротивление i-го транзистора с общей базой.

Важным преимуществом схемы является возможность обеспечения равнономинальности цепи нагрузки и, следовательно, максимизации динамического диапазона схемы. Действительно, как это следует из (3) и (4), выполнение условий

приводит к следующим соотношениям

Таким образом, выбор сопротивления

обеспечивает предельное значение Q и создает согласно (5) необходимые степени параметрической свободы для реализации f₀ (2) при максимальном динамическом диапазоне схемы.

Представленные на фиг.5-9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ 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, 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 4.267.518.

4. Патент WO 2003/052925, fig.3.

5. Патентная заявка US 2011/0169568, fig.4.

6. Патент US 7.135.923.

7. Патент US 3.843.343.

8. Патентная заявка US 2008/0122530.

9. Патент US 6.972.624, fig.6А.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент US 5.298.802.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления. Избирательный усилитель содержит источник сигнала (1), связанный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго (3) входного транзистора и через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (5) шиной источника питания, выходной транзистор (6), база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (7), а коллектор подключен к коллектору первого (2) входного транзистора, второй (8) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора (6) и первой (5) шиной источника питания, первый (9) и второй (10) частотозадающие резисторы, первый (11) корректирующий конденсатор, вторую (12) шину источника питания, связанную с коллектором второго (3) входного транзистора. Коллектор выходного транзистора (6) связан со второй (12) шиной источника питания через первый (9) частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый (11) корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора (6) через второй (13) корректирующий конденсатор соединен с базой второго (3) входного транзистора, которая через второй (10) частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора (6) и выходу устройства (14). 9 ил.

Избирательный усилитель, содержащий источник сигнала (1), связанный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго (3) входного транзистора и через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (5) шиной источника питания, выходной транзистор (6), база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (7), а коллектор подключен к коллектору первого (2) входного транзистора, второй (8) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора (6) и первой (5) шиной источника питания, первый (9) и второй (10) частотозадающие резисторы, первый (11) корректирующий конденсатор, вторую (12) шину источника питания, связанную с коллектором второго (3) входного транзистора, отличающийся тем, что коллектор выходного транзистора (6) связан со второй (12) шиной источника питания через первый (9) частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый (11) корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора (6) через второй (13) корректирующий конденсатор соединен с базой второго (3) входного транзистора, которая через второй (10) частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора (6) и выходу устройства (14).