ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/45 

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) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей ИУ на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц при малом энергопотреблении.

Известны схемы усилителей, 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 [3-15]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется входным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 6.642.794. Он содержит вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики 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 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 усилителе фиг.1, содержащем вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - между коллектором первого 2 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, между коллектором второго 2 входного транзистора и шинами первого 5 и второго 9 источников питания включен по переменному току третий 16 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, его коллектор связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через третий 18 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, причем между выходом устройства 17 и входом устройства 1 включен четвертый 12 резистор.

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 приведена схема ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов с входным преобразователем «напряжение-ток» на транзисторе Q17.

На чертеже фиг.4 показаны логарифмические амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характеристики ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 100 мГц до 10 ГГц, а на чертеже фиг.5 - в диапазоне частот от 100 кГц до 100 ГГц.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник. Между коллектором первого 2 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, между коллектором второго 2 входного транзистора и шинами первого 5 и второго 9 источников питания включен по переменному току третий 16 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, его коллектор связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через третий 18 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, причем между выходом устройства 17 и входом устройства 1 включен четвертый 12 резистор.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Взаимодействие выходной цепи ИУ через последовательное соединение резистора 12 и конденсатора 3 с эмиттером транзистора 2 обеспечивает реализацию контура обратной связи. При этом в силу дифференциальных свойств этой цепи в области нижних частот (f<<f₀) эта обратная связь является реактивной, а в силу интегрирующих свойств коллекторной нагрузки транзистора 2 (резистор 8 и конденсатор 16) в области верхних частот (f>>f₀) глубина этой обратной связи асимптотически уменьшается. Именно эти свойства эмиттерной и коллекторной цепей транзистора 2 обеспечивают вещественность обратной связи на частоте квазирезонанса f₀ ИУ, и поэтому ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К₀ устройства при сохранении неизменной указанной частоты f₀.

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

α_i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора.

Важной особенностью схемы фиг.2 является возможность реализации ИУ с различными потребительскими свойствами. Так при выборе условия

за счет выбора параметра γ (как видно из соотношения (3)) можно реализовать дополнительные параметрические условия

и обеспечить реализацию добротности, которая определяется следующими аналитическими выражениями

Таким образом, в схеме фиг.2 добротность Q непосредственно определяется сопротивлением резистивных элементов схемы. Действительно, даже при R₁₁<<R₈

Следовательно, выбором соотношения между R₁₀ и R₁₂ можно обеспечить требуемое значение Q без изменения условий получения заданной частоты квазирезонанса (2).

Отметим, что условие (5) потенциально обеспечивает увеличение динамического диапазона схемы ИУ. При этих же условиях в силу γ≤2 (см. соотношения (3) и (8)) коэффициент усиления ИУ К₀ практически определяется реализуемой добротностью, что подчеркивает структурные преимущества предложенной схемы. При этом, как это следует из (2), значение частоты квазирезонанса f₀ и ее параметрическая чувствительность не изменяются.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f₀ и 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., К.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 6.642.794, fig.4.

4. Патент US 5.914.639, fig.2.

5. Патент US 2011/0294446.

6. Патент WO/2006/077525.

7. Патентная заявка US 2007/0040604, fig.3.

8. Патентная заявка US 2006/018695, fig.3.

9. Патент WO/2003/052925 A1, fig.3.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патентная заявка US 2010/0201437.

12. Патент US 5.267.518.

13. Патент US 5.298.802.

14. Патент US 6.972.624.

15. Патент US 7.538.616.

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: повышение 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. Избирательный усилитель отличается тем, что между коллектором первого (2) входного транзистора и эмиттером второго (6) входного транзистора включены последовательно соединенные третий (11) резистор и второй (13) корректирующий конденсатор, между коллектором второго (2) входного транзистора и шинами первого (5) и второго (9) источников питания включен по переменному току третий (16) корректирующий конденсатор, база выходного транзистора (14) подключена к коллектору второго (6) входного транзистора, его коллектор связан со второй (9) шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства (17) и через третий (18) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, причем между выходом устройства (17) и входом устройства (1) включен четвертый (12) резистор. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Избирательный усилитель, вход (1) которого связан с эмиттером первого (2) входного транзистора через первый (3) корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник (4), включенный между эмиттером первого (2) входного транзистора и первой (5) шиной источника питания, второй (6) входной транзистор, база которого соединена с базой первого (2) входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения (7), первый (8) резистор, включенный между второй (9) шиной источника питания и коллектором первого (2) входного транзистора, второй (10) резистор, включенный между второй (9) шиной источника питания и коллектором второго (6) входного транзистора, третий (11) и четвертый (12) резисторы, второй (13) корректирующий конденсатор, выходной транзистор (14) и второй (15) токостабилизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что между коллектором первого (2) входного транзистора и эмиттером второго (6) входного транзистора включены последовательно соединенные третий (11) резистор и второй (13) корректирующий конденсатор, между коллектором второго (2) входного транзистора и шинами первого (5) и второго (9) источников питания включен по переменному току третий (16) корректирующий конденсатор, база выходного транзистора (14) подключена к коллектору второго (6) входного транзистора, его коллектор связан со второй (9) шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства (17) и через третий (18) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, причем между выходом устройства (17) и входом устройства (1) включен четвертый (12) резистор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что ко входу устройства (1) подключен источник сигнала с высоким выходным сопротивлением.