ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/45 H03H11/00 H03K5/00 

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 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 корректирующими конденсаторами.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 5.304.946, fig. 24. Он содержит источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, коллектор которого через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, источник вспомогательного напряжения 6, второй 7 частотозадающий резистор, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, вторую 11 шину источника питания.

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 К₀>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 со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, коллектор которого через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, источник вспомогательного напряжения 6, второй 7 частотозадающий резистор, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, вторую 11 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - выход 12 преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором выходного транзистора 3 и через последовательно соединенные первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источников питания 13, общий узел первого 9 и второго 10 корректирующих конденсаторов через второй 7 частотозадающий резистор соединен с выходом устройства 14 и подключен к эмиттеру выходного транзистора 3, эмиттер выходного транзистора 3 через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 11 шиной источника питания, база выходного транзистора 3 соединена с эмиттером дополнительного транзистора 15 и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена с первой 5 шиной источника питания, коллектор дополнительного транзистора 15 связан с эмиттером выходного транзистора 3, а его база подключена к источнику вспомогательного напряжения 6.

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

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства с конкретным выполнением преобразователя «напряжение-ток» 2 в виде дифференциального каскада на элементах 17, 18 и 19.

На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.5 представлена схема ИУ фиг.2 без дополнительного усилителя тока 12 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов. Здесь входной преобразователь 2 реализован на транзисторе Q3.

На фиг.6 показаны логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.5 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при Rvar=0, Cvar=700 фФ, Ivar=200 мкА.

На фиг.7 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.5 от тока Ivar.

На фиг.8 показан ИУ фиг.4 с дополнительным усилителем тока 20 (К_i) в среде Cadence на модулях SiGe транзисторов.

На фиг.9 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.8 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при Rvar=0, Cvar=700 фФ, Ki=25, Ivar=50 мкА.

На фиг.10 приведена зависимость добротности Q ИУ фиг.8 от коэффициента передачи тока Ki дополнительного усилителя тока 20.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, коллектор которого через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, источник вспомогательного напряжения 6, второй 7 частотозадающий резистор, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, вторую 11 шину источника питания. Выход 12 преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором выходного транзистора 3 и через последовательно соединенные первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источников питания 13, общий узел первого 9 и второго 10 корректирующих конденсаторов через второй 7 частотозадающий резистор соединен с выходом устройства 14 и подключен к эмиттеру выходного транзистора 3, эмиттер выходного транзистора 3 через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 11 шиной источника питания, база выходного транзистора 3 соединена с эмиттером дополнительного транзистора 15 и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена с первой 5 шиной источника питания, коллектор дополнительного транзистора 15 связан с эмиттером выходного транзистора 3, а его база подключена к источнику вспомогательного напряжения 6.

На фиг.3 представлен избирательный усилитель фиг.2, в котором входной преобразователь «напряжение-ток» 2 реализован на транзисторах 17, 18 и источнике тока 19.

На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор дополнительного транзистора 15 связан с эмиттером выходного транзистора 3 через дополнительный усилитель тока 20 через токовое зеркало. В частном случае дополнительным выходом устройства может быть узел 21.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх (1) посредством входного преобразователя «напряжение-ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи транзистора 3. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 7, а также конденсаторами 9 и 10 обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 7 выходной цепи ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 9 и 10, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор 9 уменьшает этот ток в области нижних частот (f<f₀), где f₀ является частотой квазирезонанса ИУ, а конденсатор 10 уменьшает выходное напряжение в области верхних частот (f>f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно- и фазочастотных характеристик схемы ИУ. В силу этого действие контура обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ.

Комплексный коэффициент передачи ИУ, фиг.2, как отношение выходного напряжения (выход устройства 14) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K(jf)=\frac{u_{14}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\left(1\right)$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_9{C}_{10}{R}_4(R_7+h_{11.3})}},\left(2\right)$$

где С₉, С₁₀, R₄, R₇ - параметры элементов 9, 10, 4 и 7;

h_11.i - h-параметр i-го транзистора в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}}\sqrt{\frac{R_4}{R_7+h_{11.3}}}[1-{\alpha }_3(1+{\alpha }_{15}(1-{\alpha }_3))],\left(3\right)$$

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

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}}+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_9}}\right)\sqrt{\frac{R_7+h_{11.3}}{R_4}}$$ эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой 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

$$K_0=-Q{S}_2\sqrt{R_4(R_7+h_{11.3})}\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}},\left(4\right)$$

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

Важной особенностью схемы является возможность реализации высокой добротности и оптимизации ее параметрической чувствительности. Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 9 и 10 (C₉=C₁₀). В этой связи необходимое максимальное значение добротности Q может быть обеспечено выбором оптимального соотношения сопротивлений резисторов 4 и 7.

Из соотношения (3) следует, что при реализации параметрического условия:

$$R_7=\frac{R_4}{2}[1-{\alpha }_3(1+{\alpha }_{15}(1-{\alpha }_3))]-h_{11.3},\left(5\right)$$

добротность ИУ принимает максимальное значение

$$Q_{\max }=\frac{1}{2\sqrt{2}}\cdot \frac{1}{\sqrt{1-{\alpha }_3(1+{\alpha }_{15}(1-{\alpha }_3))}},\left(6\right)$$

Например, при α₃≈α₁₅≈0,99, Q_max=25, a без указанных в схеме специальных обратных связей эта величина не превышает 3,5.

При реализации более низких численных значений добротности Q в схеме ИУ возможна минимизация ее параметрической чувствительности при выполнении условия С₉=С₁₀. Тогда:

$$Q=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{R_4}{R_7+h_{11.3}}}<<Q\max ,\left(7\right)$$

а ее параметрическая чувствительность глобально минимизируется:

$$S_{C_{{}_9}}^Q=S_{C_{{}_{10}}}^Q=0;S_{R_4}^Q=-S_{R_7+h_{11.3}}^Q=\frac{1}{2},\left(8\right)$$

Указанные возможности обеспечивают универсальность схемы заявляемого ИУ.

Представленное на фиг.4 развитие принципиальной схемы ИУ фиг.2 позволяет снять ограничение, входящее в соотношение (7). Действительно в этом случае:

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}}\sqrt{\frac{R_4}{R_7+h_{11.3}}}[1-K_i{\alpha }_3(1+{\alpha }_{15}(1-{\alpha }_3))],\left(9\right)$$

где К_i - коэффициент усиления по току дополнительного усилителя тока 20.

Поэтому при выполнении параметрического условия

$$K_i=\frac{1}{{\alpha }_3+{\alpha }_{15}{\alpha }_3(1-{\alpha }_3)},\left(10\right)$$

добротность схемы ИУ фиг.4 при сохранении параметрических чувствительностей (8) принимает значение

$$Q=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{R_4}{R_7+h_{11.3}}},\left(11\right)$$

Кроме этого указанная модификация ИУ позволяет использовать условия равнономинальности (R₄=R₇). Тогда добротность:

$$Q^{-1}=3-K_i{\alpha }_3[1+{\alpha }_{15}(1-{\alpha }_3)].\left(12\right)$$

Седовательно, выбором К_i можно реализовать заданную добротность ИУ фиг.4.

Представленные на фиг.6 и 7, а также фиг.9 и 10 результаты моделирования предлагаемых ИУ подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления Ко на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

Литература

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 5.304.946 fig.22.

6. Патент US 7.113.043.

7. Патент US7.598.810.

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

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

10. Патент US 7.110.742 fig.5.

11. Патент US 6.515.547 fig.4a.

12. Патент US 7.633.344 fig.7.

13. Патент US 7.847.636 fig.4a.

14. Патент US7.786.807.

15. Патентная заявка US 20070296501.

16. Патентная заявка US 2008/0018403

17. Патент US 351.865

18. Патент US 7.737.790

19. Патент US 4.151.483 fig.2

20. Патентная заявка JP 2003011396

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Техническим результатом является повышение добротности амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса fo. Избирательный усилитель содержит источник входного напряжения, источник дополнительного питания, преобразователь «напряжение-ток», выходной и дополнительный транзисторы, два частото-задающих резистора, два токостабилизирующих двухполюсника, два корректирующих конденсатора. Выходной транзистор содержит коллектор, который через первый частото-задающий резистор связан с первой шиной источника питания. Выход преобразователя «напряжение-ток» соединен с коллектором выходного транзистора и через последовательно соединенные первый и второй корректирующие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источников питания. Общий узел первого и второго корректирующих конденсаторов через второй частотозадающий резистор соединен с выходом устройства и подключен к эмиттеру выходного транзистора. Эмиттер выходного транзистора через первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания. База выходного транзистора соединена с эмиттером дополнительного транзистора и через второй токостабилизирующий двухполюсник соединена с первой шиной источника питания. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник входного напряжения (1), связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» (2), выходной транзистор (3), коллектор которого через первый (4) частотозадающий резистор связан с первой (5) шиной источника питания, источник вспомогательного напряжения (6), второй (7) частотозадающий резистор, первый (8) токостабилизирующий двухполюсник, первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы, вторую (11) шину источника питания, отличающийся тем, что выход (12) преобразователя «напряжение-ток» (2) соединен с коллектором выходного транзистора (3) и через последовательно соединенные первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источников питания (13), общий узел первого (9) и второго (10) корректирующих конденсаторов через второй (7) частотозадающий резистор соединен с выходом устройства (14) и подключен к эмиттеру выходного транзистора (3), эмиттер выходного транзистора (3) через первый (8) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (11) шиной источника питания, база выходного транзистора (3) соединена с эмиттером дополнительного транзистора (15) и через второй (16) токостабилизирующий двухполюсник соединена с первой (5) шиной источника питания, коллектор дополнительного транзистора (15) связан с эмиттером выходного транзистора (3), а его база подключена к источнику вспомогательного напряжения (6).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллектор дополнительного транзистора (15) связан с эмиттером выходного транзистора (3) через дополнительный усилитель тока (20).