ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ ТОКОМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ДЛЯ SiGe ТЕХПРОЦЕССОВ 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 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_B-f_H [3-19]. Причем их верхняя граничная частота f_B иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_H определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте RU 2421879, фиг.2. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность $$Q\approx \frac{f_0}{f_B-f_H}$$ амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большой 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 первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 2 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через первый 6 частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй 9 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 10 дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 11 и базой первого 1 входного транзистора, причем база первого 1 входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания 12 через второй 7 частотозадающий резистор.

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

На чертеже фиг.3 представлена схема ИУ фиг.2 на n-p-n SiGe транзисторах в среде компьютерного моделирования Cadence.

На фиг.4 показаны логарифмические амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при параметрах элементов Rvar=128 Ом, Cvar=280 фФ.

На фиг.5 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при Rvar=128 Ом, Cvar=280 фФ.

На фиг.6 приведена зависимость добротности Q и частоты квазирезонанса f₀ от сопротивления Rvar схемы ИУ фиг.3.

На фиг.7 показана зависимость добротности Q и частоты квазирезонанса f₀ от емкости конденсатора Cvar схемы ИУ фиг.3.

На фиг.8 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.3 при различных значениях тока общей эмиттерной цепи транзисторов ИУ Ivar=I₁₂=I₃=2I₀.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания. Коллектор второго 2 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через первый 6 частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй 9 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 10 дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 11 и базой первого 1 входного транзистора, причем база первого 1 входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания 12 через второй 7 частотозадающий резистор.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала 5 (u_вх) изменяет ток коллектора входного транзистора 2. В силу комплексного характера нагрузки его коллекторной цепи на выходе 11 ИУ воспроизводится амплитудно-частотная характеристика полосно-пропускающего типа - конденсатор 8 обеспечивает высокое подавление входного сигнала в области нижних частот (f<f₀), а конденсатор 10 - в области верхних частот (f>f₀). Функция емкостного делителя и масштабного преобразования коллекторного тока транзистора 2 реализуется на резисторе 6 и резисторе 7. Подключение к выходу 11 базовой цепи транзистора 1 приводит к образованию контура регенеративной обратной связи за счет пропорционального изменения тока коллектора транзистора 2, обусловленного изменением эмиттерных токов транзисторов 1 и 2. В силу указанных выше свойств емкостного делителя в коллекторной цепи транзистора 2 эта обратная связь является реактивной как в области верхних (f>f₀), так и в области нижних (f<f₀) частот. Вещественность этой обратной связи реализуется только на частоте квазирезонанса f₀ ИУ. Поэтому действие вводимой обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ при сохранении неизменной частоты его квазирезонанса f₀.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 11) к входному напряжению ивх (5) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем

$$K(jf)=\frac{u_{11}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\text{ (1)}$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_8{C}_{10}{R}_6{R}_7}},\text{ (2)}$$

где С₈, С₁₀, R₆, R₇ - параметры элементов 8, 10, 6 и 7.

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_8}{C_{10}}}\sqrt{\frac{R_6}{R_7}}\left(1-\frac{{\alpha }_2{R}_7}{h_{11.1}+h_{11.2}}\right),\text{ (3)}$$

где α₂ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 2;

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

- эквивалентное затухание пассивной частотозависимой цепи в коллекторе транзистора 2.

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

$$K_0=Q\frac{{\alpha }_2}{h_{11.1}+h_{11.2}}\sqrt{R_6{R}_7}\sqrt{\frac{C_8}{C_{10}}}.\text{ (4)}$$

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 8 и 10 (С₈=С₁₀). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано параметрически - установлением определенного соотношения между сопротивлениями резисторов 7 (R₇) и h_11.1, h_11.2, которые определяются током 2I₀ источника тока 3. В силу непосредственной связи эмиттеров транзистора 1 и 2

$$h_{11.1}=h_{11.2}\approx {\varphi }_T/I_0,\text{ (5)}$$

где φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

I₃=2I₀ - ток источника тока 3.

Поэтому параметрическое условие реализации необходимой добротности легко реализуется выбором режимов работы этих транзисторов. В частности, при выполнении равенства

$$\frac{2{\varphi }_T}{{\alpha }_2{I}_0}=R\mathrm{7,}\text{ (6)}$$

обеспечивается экстремально низкая чувствительность добротности ИУ к емкостным элементам схемы. Действительно указанная выше оптимальность соотношения их номиналов (С₈=С₁₀) позволяет реализовать равенство

$$S_{C_8}^Q=S_{C_{10}}^Q=0.(7)$$

В практических задачах условие (7) может использоваться для повышения стабильности параметров ИУ в режимах настройки или масштабной перестройки частоты квазирезонанса.

Равенство C₈=C₁₀=C не противоречит условию равнономинальности пассивных элементов схемы (R₇=R₆=R). В этом случае параметр R

$$R=\frac{2{\varphi }_T}{I_0}\cdot \frac{3-\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$Q$}\right.}{{\alpha }_2},\text{ (8)}$$

что обеспечивает реализацию любой требуемой добротности ИУ.

Представленные на фиг.4-8 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.2 и 3 подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуются 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. Патент US 4843343, fig.2.

4. Патент US 6060956, fig.1.

5. Патент US 6801090.

6. Патентная заявка US 2008/0122530, fig.4.

7. Патент WO/2006/077525.

8. Патент US 4974916.

9. Патентная заявка US 2007/0040604, fig.3.

10. Патент JP 2008529334.

11.Патент US 6972624, fig.6А.

12.Патент US 7135923.

13.Патент ЕР 0461922.

14.Патент WO 2007022705.

15.Патентная заявка US 2011/0057723, fig.8.

16.Патент US 6011431.

17.Патент US 5012201, fig.8.

18.Патент CN 101204009.

19.Патент US 5298802.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Устройство содержит первый и второй входные транзисторы, эмиттеры которых через первый токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой шиной источника питания, источник входного напряжения, подключенный к базе второго входного транзистора, первый и второй частотозадающие резисторы, первый корректирующий конденсатор, причем коллектор первого входного транзистора связан со второй шиной источника питания. Коллектор второго входного транзистора связан со второй шиной источника питания через первый частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй шиной источника питания через последовательно соединенные первый и второй дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства и базой первого входного транзистора, причем база первого входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания через второй частотозадающий резистор. 8 ил.

Избирательный усилитель с малым током потребления для SiGe техпроцессов, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой (4) шиной источника питания, источник входного напряжения (5), подключенный к базе второго (2) входного транзистора, первый (6) и второй (7) частотозадающие резисторы, первый (8) корректирующий конденсатор, причем коллектор первого (1) входного транзистора связан со второй (9) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор второго (2) входного транзистора связан со второй (9) шиной источника питания через первый (6) частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй (9) шиной источника питания через последовательно соединенные первый (8) и второй (10) дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства (11) и базой первого (1) входного транзистора, причем база первого (1) входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания (12) через второй (7) частотозадающий резистор.