ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ ТОКА Российский патент 2013 года по МПК H03F3/45 H03G3/14 

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 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 [3-20]. 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 US 5304946, фиг.24. Он содержит источник входного напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность $$Q\approx \frac{f_0}{f_{в}-f_{н}}$$ 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 (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 напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор, предусмотрены новые элементы и связи - выход преобразователя «напряжение-ток» 2 подключен к коллектору выходного транзистора 3 и связан по переменному току с общей шиной источников питания 10 через первый 7 корректирующий конденсатор, а также через второй 8 корректирующий конденсатор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 11, причем неинвертирующий выход 12 дополнительного токового зеркала 11 соединен с эмиттером выходного транзистора 3 и выходом устройства 13 через второй 9 частотозадающий резистор, а эмиттер выходного транзистора 3 подключен к первому дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 14.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25Hl).

На фиг.4 приведены логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при Rvar=R1=70 Ом, Cvar=C6=C7=250 фФ.

На фиг.5 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при Rvar=R1=70 Ом, Cvar=C6=C7=250 фФ.

На фиг.6 представлена зависимость добротности Q от сопротивления Rvar ИУ фиг.3.

На фиг.7 показана зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.3 от параметра Cvar.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор. Выход преобразователя «напряжение-ток» 2 подключен к коллектору выходного транзистора 3 и связан по переменному току с общей шиной источников питания 10 через первый 7 корректирующий конденсатор, а также через второй 8 корректирующий конденсатор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 11, причем неинвертирующий выход 12 дополнительного токового зеркала 11 соединен с эмиттером выходного транзистора 3 и выходом устройства 13 через второй 9 частотозадающий резистор, а эмиттер выходного транзистора 3 подключен к первому дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 14.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом дополнительного токового зеркала 11 и первой 6 шиной источника питания включен второй 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник.

Кроме того, на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, инвертирующий выход 16 дополнительного токового зеркала 11 связан с дополнительным выходом устройства 17 и через вспомогательный резистор 18 подключен к первой 6 шине источника питания. Токовое зеркало 11 выполнено на основе транзистора 19 и p-n-перехода 20.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала (u_вх) 1 через преобразователь напряжение-ток 2 изменяет ток цепи нагрузки, образованной резисторами 5, 9 и конденсаторами 8, 10. В силу емкостного делителя, реализованного на конденсаторах 10 и 8, ток, протекающий через резистор 9, имеет частотную характеристику, совпадающую с частотной характеристикой резонансного ИУ. При этом его максимальное значение достигается на частоте квазирезонанса f₀, определяемой соотношением только пассивных элементов указанной цепи. Выходной ток вышеназванной частотно-зависимой цепи (ток через резистор 9) определяет изменение тока эмиттера и коллектора выходного транзистора 3 и тока дополнительного токового зеркала 11, обеспечивающих реализацию контура комплексной обратной связи. В силу указанных выше свойств цепи нагрузки выходного транзистора 3 эта обратная связь является вещественной на частоте квазирезонанса ИУ f₀ и, следовательно, ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления K₀. Глубина контура указанной обратной связи определяется количеством m эмиттеров транзистора 19 токового зеркала 11.

Комплексный коэффициент передачи ИУ (фиг.2) как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению u_вх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K\left(jf\right)=\frac{u_{13}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\left(1\right)$$

где f - частота сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем

$$f_0\approx \frac{1}{2\pi \sqrt{C_8{C}_{10}{R}_5\left(R_9+h_{11.20}+h_{11.3}\right)}},\left(2\right)$$

где C₈, C_10, R_5, R₉ - параметры элементов схемы 8, 10, 5 и 9;

h_11.i - входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_8}{C_{10}}}\sqrt{\frac{R_5}{R_9+h_{11.20}+h_{11.3}}}\left[1-{\alpha }_3\left(2+m\right)\right],\left(3\right)$$

где α_i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;

m - число р-n-переходов многоэмиттерного транзистора 19 в токовом зеркале 11;

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{C_8}{C_{10}}}+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_8}}\right)\sqrt{\frac{R_9+h_{11.20}+h_{11.3}}{R_5}}$$

- эквивалентное затухание пассивной цепи.

За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.

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

$$K_0=-Q\cdot \left(-S_2\right)\cdot \sqrt{\frac{C_8}{C_{10}}\frac{R_5}{R_9+h_{11.19}+h_{11.3}}},\left(4\right)$$

где S₂ - крутизна преобразователя «напряжение-ток» 2.

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации использования равноминимальных элементов пассивной цепи. Действительно, как это следует из соотношения (3) при выполнении условий R=R₅=R₉, C₈=C₁₀=C:

$$Q^{-1}=\left[3-{\alpha }_3\left(2+m\right)\right]+\frac{h_{11.3}+h_{11.20}}{R}\left[1+{\alpha }_3\left(1+m/2\right)\right].\left(5\right)$$

Необходимое значение Q можно задавать структурно путем выбора числа эмиттерных переходов m транзистора 19 и параметрическим выбором режимных токов I₁₄ и $$I_0^{*}$$ Действительно,

$$h_{11.3}\approx {\varphi }_{т}/I{}_0,h_{11.20}\approx {\varphi }_{т}/I_{0.}^{*}\left(6\right)$$

Изменением сопротивления токозадающего резистора 15 контролируется ток $$I_0^{*}$$ , а изменением тока источника тока 14 - ток I₀.

Представленные на фиг.4-7 результаты моделирования предлагаемого ИУ, фиг.3, 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., 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. Ежков Ю.С.Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М., ИП РадиоСофт, 2002. - С.21, рис.1.10в.

4. Волгин Л.И. Синтез и схемотехника аналоговых электронных средств в элементном базисе усилителей и повторителей тока / Л.И.Волгин, А.И.Зарукин; под.общ.ред. Л.И.Волгина. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - С.33, рис.27.

5. Патент US 5304946 fig. 22.

6. Патент US 7113043.

7. Патент US 7598810.

8. Патентная заявка US 2005/0146389, fig.3.

9. Патентная заявка US 2008/0231369, fig.2.

10. Патент US 7110742, fig.5.

11. Патент US 6515547, fig.4a.

12. Патент US 7633344, fig.7.

13. Патент US 7847636, fig.4a.

14. Патент US 7786807.

15. Патентная заявка US 2007/0296501.

16. Патентная заявка US 2008/0018403.

17. US 3351865.

18. Патент US 7737790.

19. Патент US 4151483, fig.2.

20. Патентная заявка JP 2003011396.

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 (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Технический результат достигается с помощью избирательного усилителя на основе неинвертирующего усилителя тока, который содержит источник входного напряжения (1), преобразователь «напряжение-ток» (2), выходной транзистор (3), источник вспомогательного напряжения (4), первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, второй (9) частотозадающий резистор. 7 ил.

1. Избирательный усилитель на основе неинвертирующего усилителя тока, содержащий источник входного напряжения (1), связанный с преобразователем «напряжение-ток» (2), выходной транзистор (3), база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения (4), а коллектор через первый (5) частотозадающий резистор соединен с первой (6) шиной источника питания, первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, второй (9) частотозадающий резистор, отличающийся тем, что выход преобразователя «напряжение-ток» (2) подключен к коллектору выходного транзистора (3) и связан по переменному току с общей шиной источников питания (10) через первый (7) корректирующий конденсатор, а также через второй (8) корректирующий конденсатор подключен ко входу дополнительного токового зеркала (11), причем неинвертирующий выход (12) дополнительного токового зеркала (11) соединен с эмиттером выходного транзистора (3) и выходом устройства (13) через второй (9) частотозадающий резистор, а эмиттер выходного транзистора (3) подключен к первому дополнительному токостабилизирующему двухполюснику (14).

2. Избирательный усилитель на основе неинвертирующего усилителя тока по п.1, отличающийся тем, что между входом дополнительного токового зеркала (11) и первой (6) шиной источника питания включен второй (15) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник.

3. Избирательный усилитель на основе неинвертирующего усилителя тока по п.1, отличающийся тем, что инвертирующий выход (16) дополнительного токового зеркала (11) связан с дополнительным выходом устройства (17) и через вспомогательный резистор (18) подключен к первой (6) шине источника питания.