ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/00 

Предполагаемое 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 токопотреблении.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. 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 (ИУ), представленный в патенте WO/2006/077525. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность $$Q\approx \frac{f_0}{f_{в}-f_{н}}$$ амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предполагаемого 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 СВЧ диапазона с f₀=1÷5 ГГц с малым токопотреблением.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12.

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 показан ИУ фиг.2 с конкретным выполнением дополнительного источника напряжения 13, а также цепью смещения статических потенциалов 18.

На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с формулой изобретения при реализации второго 5 и первого 1 входных транзисторов на КМОП-активных элементах.

На чертеже фиг.5 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.6 - логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в мелком масштабе.

На чертеже фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в более крупном масштабе.

На чертеже фиг.8 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при разных значениях коэффициента передачи (K_i) токового зеркала 15 на транзисторах Q6, Q7, который определяется числом параллельно включенных транзисторов Q5.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12. Дополнительное токовое зеркало 15 выполнено на транзисторе 16 и p-n переходе 17.

В схеме фиг.3 источник напряжения 13 содержит резистор 19 и стабилитрон 20, а последовательно со вторым 10 частотозадающим резистором включена цепь смещения статического напряжения 18.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Можно получить, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

α₁, α₁₂ - коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов 1 и 12,

K_i15 - коэффициент передачи по току токового зеркала 15,

h_11.i - входное сопротивление (h-параметр) i-го транзистора в схеме с общей базой.

Если выбрать τ₁=τ₂, то

Основными условиями получения высоких значений Q и K₀ являются следующие приближенные формулы

$$K_{i15}\frac{R_{10}\cdot {\alpha }_{12}}{R_9}{\alpha }_1\approx 2(9)$$

или

$$K_{i15}\approx 2\frac{R_{10}}{{\alpha }_{12}{R}_9{\alpha }_1}.(10)$$

Таким образом, как видно из (3)-(10), за счет выбора соотношений между R₉ и R₁₀, а также значений коэффициента передачи по току K_i15 токового зеркала 15 можно реализовать высокие значения добротности Q и коэффициента усиления K₀. При этом, как следует из (2), частота квазирезонанса f₀ сохраняется неизменной.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, 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.

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 WO/2006/077525.

4. Патент US 4.267.518, fig.6.

5. Патент RU 2101850 fig.1.

6. Патент WO/2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3.

8. Патентная заявка US 2007/0040604 fig.3.

9. Патент WO/03052925A1 fig.3.

10. Патент US 6.011.431 fig.4.

11. Патент US 5.331.478 fig.3.

12. Патент US 4.885.548 fig.9.

13. Патент US 4.974.916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент US 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент US 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7.202.762.

22. Патент US 6.188.272.

23. Патент US 5.847.605.

24. Патент US 7.116.961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.

27. Патент US 5.012.201 fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса (f₀). Избирательный усилитель содержит первый входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала, а эмиттер связан с первой шиной источника питания, второй входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй шине источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого и второго входных транзисторов. Последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый частотно-задающий резистор, между базой второго входного транзистора и первой шиной источника питания включен второй частотно-задающий резистор, второй корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения, а эмиттер подключен ко второй шине источника питания, причем коллектор первого входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала, коллекторный выход которого связан с первой шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора. 8 ил.

Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, отличающийся тем, что последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый (9) частотно-задающий резистор, между базой второго (5) входного транзистора и первой (4) шиной источника питания включен второй (10) частотно-задающий резистор, второй (11) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму (10) частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор (12), коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго (5) входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения (13), а эмиттер через третий (14) токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй (7) шине источника питания, причем коллектор первого (1) входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала (15), коллекторный выход которого связан с первой (4) шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора (12).