ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/00 

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 транзисторов, образующих универсальный операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ узкоспециализированных избирательных усилителей на 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 двух токовых зеркал, согласованных с разными шинами источников питания [3-9], 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) или «шунтирующим» конденсатором, а нижняя f_н определяется входным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4380740. Он содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор.

Кроме этого, архитектура ИУ-прототипа запатентована в RC-фильтре по патентной заявке US 2011/0090824 (fig.6, fig.7).

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>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 с малым энергопотреблением.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор, предусмотрены новые элементы и связи - выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.

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

На чертеже фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в с конкретным выполнением первого 11 и второго 15 усилителей тока, имеющим низкое входное сопротивление.

На чертеже фиг.4 показан ИУ фиг.2 с другим вариантом выполнения усилителей тока 11 и 15.

На чертеже фиг.5 показан ИУ фиг.3, у которого во входную цепь введен преобразователь «напряжение-ток» 30.

На чертеже фиг.6 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.6 в крупном масштабе при разных значениях коэффициентов усиления по току токового зеркала 2 (4), а на чертеже фиг.8 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.6 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор. Выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.

В схеме фиг.3 первый 11 усилитель тока реализован на основе каскада с общей базой на транзисторе 17, цепи смещения потенциала 18 и двухполюсника 19, а второй 15 усилитель тока содержит биполярный транзистор с включением по схеме с общей базой, коллектор которого соединен с потенциальным выходом устройства 16. Его нагрузкой является резистор 21.

В схеме фиг.4, соответствующей чертежу фиг.2, используются другие варианты выполнения усилителей тока 11 и 15. В частности, первый усилитель тока 11 реализован на транзисторе 22 и резисторе 23, а второй усилитель тока 15 выполнен на транзисторе 25, резисторах 24 и 26. Статический режим транзисторов 22 и 25 устанавливается резисторами 27, 28 и p-n переходами 29. В данной схеме выход 16 усилителя тока 15, в отличие от схемы фиг.3, согласован со второй 5 шиной источника питания.

Для случая, когда входным сигналом для ИУ является напряжение (u_вх) между источником u_вх и токовым входом 1 устройства необходимо включить преобразователь «напряжение-ток», например, на основе дифференциального каскада 30, который реализован (в частном случае) на транзисторах 31, 32, источнике тока 33 и цепи смещения потенциалов 34.

Токовые зеркала 2 и 4 выполняются по классическим схемам.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала в виде тока i_вх.1 изменяет входной ток токового зеркала 2 и далее входной ток (i_вх.4) токового зеркала 4. Эти изменения i_вх.4 через коэффициент передачи по току K_i12.4 передаются в частотно-зависимую цепь нагрузки токового зеркала 4. Структура этой цепи нагрузки, образованная резисторами 6, 9, 13 и конденсаторами 7, 8, обеспечивает полосно-пропускающий тип частотных характеристик ИУ - конденсатор 8 - формирует уменьшение амплитуды токов резисторов 9 и 13 в области верхних частот ИУ, а конденсатор 7 - уменьшают сигнал в области нижних частот ИУ. В результате протекающие через резисторы 9 и 13 токи обеспечивают полосно-пропускающую селекцию выходного напряжения усилителя 15. Аналогично, ток резистора 9 изменяет входной ток усилителя 11 и, следовательно, входной ток токового зеркала 2. 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 частоте на выходе 16. Таким образом, только на одной частоте (частоте квазирезонанса ИУ f₀) фазовые сдвиги в контуре обратной связи ИУ совпадают, а численное значение коэффициентов передачи К_i12.2, K_i12.4 будет направлено на обеспечение добротности Q и коэффициента усиления К₀ избирательного усилителя.

Покажем аналитически, что более высокие значения К₀ 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 сигнала,

f₀ - частота квазирезонанаса,

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте f₀

Q - добротность, причем:

где К_i12.2, K_i12.4, K_i.11 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 2, 4 и дополнительного усилителей тока 11.

Таким образом, численные значения коэффициентов К_i12.2, K_i12.4 токовых зеркал 4, 2 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 C₇=C₈ и реализации условия

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

а ее коэффициенты чувствительности:

, ,

.

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

Как видно из чертежа фиг.5, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе входного преобразователя «напряжение-ток» 30 (дифференциального каскада), обеспечивающего преобразование входного напряжения u_вх во входной ток ИУ i_вх.1.

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 при низких коэффициентах чувствительности (8).

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 4380740.

4. Патентная заявка US 2003/0218496, fig.10.

5. Патент US 6586918, fig.6.

6. Патент US 4558287, fig.2.

7. Патентная заявка US 2011/0090824, fig.6, fig.7.

8. Патент US 5880639, fig.1.

9. Патент US 5548287.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса. Избирательный усилитель содержит токовый вход (1), связанный со входом первого (2) токового зеркала, согласованного с первой (3) шиной источника питания, второе (4) токовое зеркало, согласованное со второй (5) шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого (2) токового зеркала, причем между выходом второго (4) токового зеркала и первой (3) шиной источника питания включен первый (6) резистор. Выход второго (4) токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, общий узел первого (7) и второго (8) корректирующих конденсаторов через второй (9) резистор связан со входом (10) первого (11) усилителя тока, выход (12) которого подключен ко входу первого (2) токового зеркала, кроме этого общий узел первого (7) и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий (13) резистор соединен со входом (14) второго (15) усилителя тока. 8 ил.

Избирательный усилитель, содержащий токовый вход (1) устройства, связанный со входом первого (2) токового зеркала, согласованного с первой (3) шиной источника питания, второе (4) токовое зеркало, согласованное со второй (5) шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого (2) токового зеркала, причем между выходом второго (4) токового зеркала и первой (3) шиной источника питания включен первый (6) резистор, отличающийся тем, что выход второго (4) токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, общий узел первого (7) и второго (8) корректирующих конденсаторов через второй (9) резистор связан со входом (10) первого (11) усилителя тока, выход (12) которого подключен ко входу первого (2) токового зеркала, кроме этого, общий узел первого (7) и второго (8) корректирующих конденсаторов через третий (13) резистор соединен со входом (14) второго (15) усилителя тока.