ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/00 

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 двух-трех 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 специальным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является управляемый избирательный усилитель, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа 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 ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) 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 входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.

Чертеж фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4, соответствующему п.2 и п.3 формулы изобретения, буферный усилитель 14 реализован по схеме классического эмиттерного повторителя.

На чертеже фиг.5 показана схема ИУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.6 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.7 приведена логарифмическая фазо-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.8 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.9 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в широком диапазоне частот (0-100 ГГц).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2. Источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между эмиттером выходного транзистора 7 и выходом устройства 12 включен дополнительный резистор 13.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, к выходу устройства 12 подключен буферный усилитель 14, обеспечивающий работу ИУ на низкоомную нагрузку.

На чертеже фиг.4 буферный усилитель 14 реализован в виде классического эмиттерного повторителя на транзисторе 15 и источнике опорного тока 16.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы фиг.3.

Источник входного сигнала u_вх (1) через конденсатор 10 изменяет по дифференциальному закону ток базы транзистора 7 и, следовательно, его эмиттерный ток. Емкостной характер нагрузки этой цепи (конденсатор 9) обеспечивает интегрирующий закон преобразования этого тока в выходное напряжение схемы (Вых.12). Именно поэтому вид как амплитудно-частотной, так и фазочастотной характеристик схемы соответствует полосно-пропускающему фильтру второго порядка и, следовательно, избирательному усилителю, частота квазирезонанса f₀ которого определяется постоянными времени указанных законов преобразования. Преобразование выходного напряжения посредством конденсатора 9 в переменный эмиттерный ток транзистора 2 подчинятся дифференцирующему закону. Комплексный характер нагрузки коллекторной цепи транзистора 2, образованной параллельным соединением конденсатора 10 и резистора 3, способствует преобразованию этого тока в напряжение по интегрирующему закону и в пропорциональное изменение тока базы и, как следствие, тока эмиттера транзистора 7. Таким образом, в области нижних частот (f<<f₀) в схеме в силу влияния конденсатора 9 действует реактивная обратная связь, а в области верхних частот (f>>f₀) за счет преобладающего влияния проводимости конденсатора 10 характер этой связи сохраняется с изменением знака фазового соотношения цепи обратной связи. Таким образом, на частоте квазирезонанса ИУ f₀ обратная связь схемы является вещественной и ее глубина максимальной. В силу положительного возвратного отношения этой связи на частоте f₀ ей действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К₀.

Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения u₁₂ (выход устройства 12) к входному напряжению u_вх усилителя фиг.2 определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ по напряжению на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где τ₁=C₁₀R₃, τ₂=С₉(R₁₃+h_11.7+h_11.2);

h_11.i - h-параметр i-го транзистора;

C₉, С₁₀, R₁₃, R₃ - параметры элементов 9, 10, 13, 3.

Добротность ИУ фиг.3 определяется формулой

где ;

α₂ - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2.

Если выбрать τ₁=τ₂, то Для получения заданного значения добротности Q параметры элементов 3 и 13 (R3 и R13) должны удовлетворять условию

Формула для коэффициента усиления ИУ К₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид

Отличительной особенностью предлагаемой схемы ИУ является возможность реализации различных параметрических условий и ограничений на параметры элементов 2, 3, 7, 9, 13.

Как показано на фиг.2 (пункт 1 формулы изобретения) при R₁₃=0

поэтому изменением тока I₅ и I₈ двухполюсников 5 и 8 можно изменить h_11.2≈φ_T/I₅ и (или) h_11.7≈φ_T/I₅ (φ_T=kT/q) и, следовательно, реализовать необходимые значения добротности. При максимизации динамического диапазона схемы, когда τ₁=τ₂ можно также реализовать условие

направленное на минимизацию R₃ и обеспечение дополнительных условий выбора оптимального режима работы транзистора 2.

Кроме этого, включение (фиг.3) дополнительного резистора 13 (п.2 формулы изобретения) за счет изменения структуры τ₂ (соотношение (2)) можно обеспечить уменьшение чувствительности f₀ к малосигнальным параметрам биполярных транзисторов

Выбором соотношения между R3 и R13 можно реализовать заданную добротность

При R₃=R₁₃+h_11.7+h_11.2, τ₁=τ₂(1-α₂) добротность можно найти по формуле

Кроме этого, при выполнении параметрического условия

добротность Q принимает значение

обеспечивающее минимальную чувствительность добротности к изменению емкостей 10 и 9:

Представленные на чертежах фиг.6 - фиг.9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ 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. - 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 4267518 fig.6.

4. Патент US 6642794.

5. Патент WO 2003/052925.

6. Патентная заявка US 2008/0122530.

7. Патент US 5304946 fig.22.

8. Патент JP 2004096589.

9. Патент US 6972624, fig.6а.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент CN 101204009.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит источник входного сигнала, первый входной транзистор, коллектор которого через первый частотозадающий резистор связан с первой шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, выходной транзистор, коллектор которого подключен к первой шине источника питания, а эмиттер через второй токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора и эмиттером входного транзистора. Источник входного сигнала связан с коллектором входного транзистора и базой выходного транзистора через второй корректирующий конденсатор, база входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания, а выход устройства подключен к эмиттеру входного транзистора через первый корректирующий конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник входного сигнала (1), первый (2) входной транзистор, коллектор которого через первый (3) частотозадающий резистор связан с первой (4) шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (5) соединен со второй (6) шиной источника питания, выходной транзистор (7), коллектор которого подключен к первой (4) шине источника питания, а эмиттер через второй (8) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (6) шиной источника питания, первый (9) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора (7) и эмиттером входного транзистора (2), отличающийся тем, что источник входного сигнала (1) связан с коллектором входного транзистора (2) и базой выходного транзистора (7) через второй (10) корректирующий конденсатор, база входного транзистора (2) подключена по переменному току к общей шине источников питания (11), а выход устройства (12) подключен к эмиттеру входного транзистора (2) через первый (9) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между эмиттером выходного транзистора (7) и выходом устройства (12) включен дополнительный резистор (13).

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что к выходу устройства (12) подключен буферный усилитель (14).