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

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 [3-17]. 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 RU 2428786, фиг.2. Он содержит источник входного сигнала 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания. Причем роль первого 7 корректирующего конденсатора выполняет емкость на подложку транзистора 3.

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 сигнала 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - выход преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором входного транзистора 3 и через первый 5 частото-задающий резистор связан с первой 9 шиной источника питания, а также подключен ко входу 11 дополнительного токового зеркала 12, общий эмиттерный выход 13 дополнительного токового зеркала 12 соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, инвертирующий 16 выход дополнительного токового зеркала 12 связан с первой 9 шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора 3 соединен со второй 10 шиной источника питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов и выходом устройства 18 через второй 6 частото-задающий 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 компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.4 представлены амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот.

На чертеже фиг.5 представлены ЛАЧХ и ФЧХ коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания. Выход преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором входного транзистора 3 и через первый 5 частото-задающий резистор связан с первой 9 шиной источника питания, а также подключен ко входу 11 дополнительного токового зеркала 12, общий эмиттерный выход 13 дополнительного токового зеркала 12 соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, инвертирующий 16 выход дополнительного токового зеркала 12 связан с первой 9 шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора 3 соединен со второй 10 шиной источника питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов и выходом устройства 18 через второй 6 частото-задающий резистор.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала u_BX (1) посредством входного преобразователя «напряжение-ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи транзистора 3. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 5 и 6, а также конденсаторами 7 и 8, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 6 выходной цепи. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 7 и 8, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор 7 уменьшает этот ток в области нижних частот (f<f₀), где f₀ является частотой квазирезонанса ИУ, а конденсатор 8 уменьшает выходное напряжение ИУ в области верхних частот (f>f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы избирательного усилителя.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 18) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K\left(jf\right)=\frac{u_{18}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\left(1\right)$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_7{C}_8{R}_5\left(R_6+h_{11.3}\right)}},\left(2\right)$$

где С₇, C₈, R₅, R₆ - параметры элементов 7, 8, 5 и 6;

h_11.3 - входное сопротивление транзистора 3.

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_7}{C_8}}\sqrt{\frac{R_5}{R_6+h_{11.3}}}[1-K_{i13}],\left(3\right)$$

где α₃ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 3;

K_i13 - коэффициент передачи по току токового зеркала 12;

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{C_7}{C_8}}+\sqrt{\frac{C_8}{C_7}}\right)\sqrt{\frac{R_6+h_{11.3}}{R_5}}$$ - 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

$$K_0=-Q{S}_2\sqrt{R_5\left(R_6+h_{11.3}\right)}\sqrt{\frac{C_7}{C_8}},\left(4\right)$$

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

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 7 и 8 (С₇=С₈). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором коэффициента усиления по току K_i13 токового зеркала 12), так и параметрически - установлением определенного соотношения между сопротивлениями резисторов 5 (R₅) и 6 (R₆) ((R₆+h_11.3)/R₅=k). В этом случае параметрическая чувствительность добротности

$$S_k^Q=-Q\left(4k+1/Q\right)\approx -4Qk\left(5\right)$$

определяется коэффициентом отношения сопротивлений резисторов 7 и 8 (коэффициентом к).

Например, уменьшение указанного отношения резисторов к до уровня Q/2 переводит настоящую схему в разряд низкочувствительных. Действительно, как это следует из (3), при условии выбора коэффициента усиления K_i13 токового зеркала 12 и, следовательно, чувствительности α₃K_i13=1

$$S_{C_7}^Q=S_{C_8}^Q=0;S_{R_5}^Q\approx -S_{R_6}^Q=\frac{1}{2}\left(6\right)$$

переводят параметр Q в разряд недоминирующих по степени его влияния на частотные характеристики ИУ. В этом случае условие

$$R_5=\left(R_6+h_{11.3}\right)4Q^2\left(7\right)$$

является достаточным для реализации требуемой добротности Q.

Кроме этого численное значение К_i13 токового зеркала 12 транзистора 15:

$$K_{i13}=\frac{1}{{\alpha }_3}\left(2k^2-\frac{k}{Q}+1\right)\left(8\right)$$

позволяет получить заданное значение добротности Q при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно при K_i13=3, k=1

$$Q=\frac{1}{3\left(1-{\alpha }_3\right)}\approx \frac{{\beta }_3}{3},\left(9\right)$$

где $${\beta }_3=\frac{{\alpha }_3}{1-{\alpha }_3}$$ - коэффициент усиления по току базы транзистора 3.

Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств транзистора 3 на частоту квазирезонанса ИУ f₀ и его добротность Q. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов (ΔΘ_R), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f₀.

Сравнительный анализ показывает, что рассмотренная схема ИУ имеет присущие только ей достоинства, которые могут играть доминирующую роль при проектировании конкретных изделий.

Кроме этого, основные модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационно-стойких изделий.

Представленные на чертежах фиг.4-фиг.5 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуются более высокими значениями коэффициента усиления Ко 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. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4

4. Патент US 4.257.518 fig.4

5. Патент US 6.972.624 fig.6A

6. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.4

7. Патент WO/2005/043749 fig.5

8. Патент WO/2009/127724 fig.4

9. Патентная заявка US 2011/0057723

10. Патент US 6.011.431 fig.4

11. Патент US 6.642.794

12. Патент WO 2007/022705

13. Патент CN 101204009

14. Патент US 7.135.923 fig.5

15. Патент US 6.801.090 fig.2

16. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3

17.Патентная заявка US 2006/0186951.

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 f_o. Избирательный усилитель содержит источник входного сигнала, преобразователь «напряжение-ток», входной транзистор, источник вспомогательного напряжения, первый и второй частото-задающие резисторы, первый и второй корректирующие конденсаторы, дополнительное токовое зеркало, два токостабилизирующих двухполюсника. Источник входного сигнала связан со входом преобразователя «напряжение-ток». База входного транзистора подключена к источнику вспомогательного напряжения. Выход преобразователя «напряжение-ток» соединен с коллектором входного транзистора и через первый частото-задающий резистор связан с первой шиной источника питания, а также подключен ко входу дополнительного токового зеркала. Общий эмиттерный выход дополнительного токового зеркала соединен со второй шиной источника питания через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 5 ил.

Избирательный усилитель, содержащий источник входного сигнала (1), связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» (2), входной транзистор (3), база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения (4), первый (5) и второй (6) частото-задающие резисторы, первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, первую (9) и вторую (10) шины источников питания, отличающийся тем, что выход преобразователя «напряжение-ток» (2) соединен с коллектором входного транзистора (3) и через первый (5) частото-задающий резистор связан с первой (9) шиной источника питания, а также подключен ко входу (11) дополнительного токового зеркала (12), общий эмиттерный выход (13) дополнительного токового зеркала (12) соединен со второй (10) шиной источника питания через первый (14) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания (15) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, инвертирующий (16) выход дополнительного токового зеркала (12) связан с первой (9) шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора (3) соединен со второй (10) шиной источника питания через второй (17) токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого (7) и второго (8) корректирующих конденсаторов и выходом устройства (18) через второй (6) частото-задающий резистор.