ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/45 

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 транзисторов, образующих операционный усилитель с парафазным выходом [1, 2]. В этой связи весьма актуальной является задача построения избирательных усилителей с парафазными выходами на транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров (ИУ) с парафазным выходом на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-10]. 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 с парафазными выходами, представленный в патентной заявке US 2008/0211580 fig.7A. Он содержит источник входного сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 6 резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора, связанного с первым 7 выходом устройства и первой 8 шиной источника питания, первый 9 конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 6 резистору, второй резистор 10, включенный между коллектором второго 4 входного транзистора, связанного со вторым 11 выходом устройства и первой 8 шиной источника, источник опорного тока 12, связанный с базой второго 5 выходного транзистора, второй 13 конденсатор, третий 14 и четвертый 15 выходы устройства, связанные соответственно с коллекторами второго 5 и первого 3 выходных транзисторов, согласованные со второй 16 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного устройства с парафазным выходом состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большой коэффициент усиления по напряжению (K₀>1) на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого 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 с двумя противофазными выходами.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе с парафазными выходами фиг.1, содержащем источник входного сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 6 резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора, связанного с первым 7 выходом устройства и первой 8 шиной источника питания, первый 9 конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 6 резистору, второй резистор 10, включенный между коллектором второго 4 входного транзистора, связанного со вторым 11 выходом устройства и первой 8 шиной источника, источник опорного тока 12, связанный с базой второго 5 выходного транзистора, второй 13 конденсатор, третий 14 и четвертый 15 выходы устройства, связанные соответственно с коллекторами второго 5 и первого 3 выходных транзисторов, согласованные со второй 16 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - параллельно эмиттерно-базовым переходам первого 3 и второго 5 выходных транзисторов включены соответствующие дополнительные первый 17 и второй 18 прямосмещеныые p-n переходы, первый 7 выход устройства соединен с базой второго 4 входного транзистора через второй 13 конденсатор, база второго 4 входного транзистора соединена с общей шиной источников питания 19 через первый 20 дополнительный резистор, а база первого 3 выходного транзистора связана с базой второго 5 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2, п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема ИУ в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.5 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика для выхода (OUT1) при f=100 кГц÷100 ГГц ИУ фиг.4, а на чертеже фиг.6 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ для выхода (OUT1) в более узком диапазоне частот (10 мГц÷1 ГГц).

На чертеже фиг.7 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выхода (OUT2) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.8 - ЛАЧХ ИУ для выхода (OUT2) в более узком диапазоне частот 10 МГц÷1 ГГц.

На чертеже фиг.9 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выхода (OUT3) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.10 - ЛАЧХ ИУ для выхода (OUT3) в диапазоне 10МГц÷1ГГц.

На чертеже фиг.11 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выхода (OUT4) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.12 - ЛАЧХ ИУ для выхода (OUT4) в диапазоне 10 МГц÷1 ГГц.

На чертеже фиг.13 приведены фазо-частотные характеристики для всех выходов ИУ фиг.4.

На чертеже фиг.14 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выходов (OUT2, OUT1) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.15 - ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выходов (OUT2, OUT1) в более узком диапазоне 10 МГц÷1 ГГц.

На чертеже фиг.16 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выходов (OUT2, OUT3) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.17 - ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выходов (OUT2, OUT3) в более узком диапазоне частот 10 МГц÷1 ГГц.

На чертеже фиг.18 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.4 для выходов (OUT2, OUT4) в диапазоне частот 100 кГц÷100 ГГц, а на чертеже фиг.19 - ЛАЧХ ИУ для выходов (OUT2, OUT4) в более узком диапазоне частот 10 МГц÷1 ГГц.

Избирательный усилитель с парафазными выходами фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 6 резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора, связанного с первым 7 выходом устройства и первой 8 шиной источника питания, первый 9 конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 6 резистору, второй резистор 10, включенный между коллектором второго 4 входного транзистора, связанного со вторым 11 выходом устройства и первой 8 шиной источника, источник опорного тока 12, связанный с базой второго 5 выходного транзистора, второй 13 конденсатор, третий 14 и четвертый 15 выходы устройства, связанные соответственно с коллекторами второго 5 и первого 3 выходных транзисторов, согласованные со второй 16 шиной источника питания. Параллельно эмиттерно-базовым переходам первого 3 и второго 5 выходных транзисторов включены соответствующие дополнительные первый 17 и второй 18 прямосмещенные p-n переходы, первый 7 выход устройства соединен с базой второго 4 входного транзистора через второй 13 конденсатор, база второго 4 входного транзистора соединена с общей шиной источников питания 19 через первый 20 дополнительный резистор, а база первого 3 выходного транзистора связана с базой второго 5 выходного транзистора.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между третьим 14 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания включен первый 21 дополнительный резистор нагрузки, а между четвертым 15 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания включен второй 22 дополнительный резистор нагрузки.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, между третьим 14 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания включен первый 21 дополнительный резистор, зашунтированный третьим 23 конденсатором, а третий 14 выход устройства связан с базой второго 2 входного транзистора через четвертый 24 конденсатор.

В соответствии с п.4 и п.3 формулы изобретения, на чертеже фиг.3 база первого 3 выходного транзистора связана с базой второго 5 выходного транзистора через пятый 25 конденсатор и соединена со вторым 26 источником опорного тока.

В частном случае э.д.с. входного сигнала 29 может подаваться на базу транзистора 2 через RC-цепь 28, 27 (фиг.2).

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K_y(jf) избирательного усилителя фиг.2 для выхода 7 при C₂₄=C₂₃=0 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса.

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ фиг.2 на частоте квазирезонанса t₀;

Причем при постоянной времени конденсатора 28

где C₉, C₁₃, R₆, R₂₀ - параметры соответствующих элементов схемы 9, 13, 6 и 20.

Добротность ИУ определяется формулой

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал;

2I₀ - статический ток двухполюсника 12;

- эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой цепи.

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

Формула для коэффициента усиления K₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид

где .

Из соотношения (3) следует возможность параметрической оптимизации схемы ИУ при реализации требуемой добротности. Действительно,

где ; .

При этом параметрические чувствительности

могут оптимизироваться по одному из критериев - суммарная чувствительность, среднеквадратическая чувствительность и т.п. Так, при минимизации среднеквадратической чувствительности k_opt=1,6(SR₆)_opt=2,5, соотношение между резистивными элементами определяется из условия (5) практической реализации Q.

При условиях C₂₀=C₉=C и , параметрические чувствительности основных параметров ИУ имеют следующий вид:

Это характеризует схему заявляемого ИУ в классе низкочувствительных звеньев второго порядка. В этом случае K₀=Q.

Представленные на чертежах фиг.5 - фиг.19 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы, которая обеспечивает противофазные на выходах (фиг.3) напряжения.

Особенность схемы фиг.2 (в соответствии с п.3 формулы изобретения) - введение второго канала обратной связи через конденсатор 24 (С24=С13) и реактивную цепь нагрузки R21 и С23, что симметрирует свойства выходов 11 и 15, согласованных с разными шинами источников питания 8 и 16.

Схема фиг.3 (п.4 формулы изобретения) имеет дополнительное качество - высокое ослабление входного сигнала в диапазоне низких частот, что позволяет применять прямое подключение u_вх (1) к базе транзистора 2.

Данные теоретические выводы подтверждаются графиками фиг.5 - фиг.19.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ имеет противофазные выходы и характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ 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, C. 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. Патентная заявка US 2006/0192617

4. Патент US 4.059.808 fig.1

5. Патент US 7.560.987 fig.4

6. Патент JP Toshiba 4.600.893 fig.4

7. Патент US 4.406.990 fig.3

8. Патент RU 2349024 фиг.1

9. Патент RU 2384936 фиг.11

10. Патент SU 1283946

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления за счет повышения добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. В избирательный усилитель параллельно эмиттерно-базовым переходам первого (3) и второго (5) выходных транзисторов включены соответствующие дополнительные первый (17) и второй (18) прямосмещенные p-n переходы, при этом первый (7) выход устройства соединен с базой второго (4) входного транзистора через второй (13) конденсатор, база второго (4) входного транзистора соединена с общей шиной источников питания (19) через первый (20) дополнительный резистор, а база первого (3) выходного транзистора связана с базой второго (5) выходного транзистора. 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Избирательный усилитель с парафазными выходами, содержащий источник входного сигнала (1), связанный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора, второй (4) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго (5) выходного транзистора, первый (6) резистор, включенный между коллектором первого (2) входного транзистора, связанного с первым (7) выходом устройства, и первой (8) шиной источника питания, первый (9) конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (6) резистору, второй резистор (10), включенный между коллектором второго (4) входного транзистора, связанного со вторым (11) выходом устройства, и первой (8) шиной источника, источник опорного тока (12), связанный с базой второго (5) выходного транзистора, второй (13) конденсатор, третий (14) и четвертый (15) выходы устройства, связанные соответственно с коллекторами второго (5) и первого (3) выходных транзисторов, согласованные со второй (16) шиной источника питания, отличающийся тем, что параллельно эмиттерно-базовым переходам первого (3) и второго (5) выходных транзисторов включены соответствующие дополнительные первый (17) и второй (18) прямосмещенные p-n-переходы, первый (7) выход устройства соединен с базой второго (4) входного транзистора через второй (13) конденсатор, база второго (4) входного транзистора соединена с общей шиной источников питания (19) через первый (20) дополнительный резистор, а база первого (3) выходного транзистора связана с базой второго (5) выходного транзистора.

2. Избирательный усилитель с парафазными выходами по п.1, отличающийся тем, что между третьим (14) выходом устройства и второй (16) шиной источника питания включен первый (21) дополнительный резистор нагрузки, а между четвертым (15) выходом устройства и второй (16) шиной источника питания включен второй (22) дополнительный резистор нагрузки.

3. Избирательный усилитель с парафазными выходами по п.1, отличающийся тем, что между третьим (14) выходом устройства и второй (16) шиной источника питания включен первый (21) дополнительный резистор, зашунтированный третьим (23) конденсатором, а третий (14) выход устройства связан с базой второго (2) входного транзистора через четвертый (24) конденсатор.

4. Избирательный усилитель с парафазными выходами по п.1, отличающийся тем, что база первого (3) выходного транзистора связана с базой второго (5) выходного транзистора через пятый (25) конденсатор и соединена со вторым (26) источником опорного тока.