ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2014 года по МПК H03F3/189 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.

В задачах выделения высокочастотных и СВЧ-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 (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа основных и вспомогательных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с высокой добротностью резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении и минимально возможном числе транзисторов.

Известны избирательные усилители, реализованные на основе двух биполярных транзисторов [3-20], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется первой группой корректирующих конденсаторов, а нижняя определяется второй группой корректирующих конденсаторов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг.1, представленный в патентной заявке US 5304946 fig.24. Он содержит выходной транзистор 1, база которого связана с источником вспомогательного напряжения 2, а коллектор через первый 3 резистор соединен с первой 4 шиной источника питания, преобразователь «напряжение-ток» 5, согласованный со второй 6 шиной источника питания, выход которого 7 соединен с эмиттером выходного транзистора 1, источник входного напряжения 8, подключенный ко входу преобразователя «напряжение-ток» 5, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀, а также создании условий для электронного управления величинами K₀, Q при f=const. Это позволяет уменьшить общее энергопотребление систем на кристалле и реализовать высококачественное управляемое избирательное устройство с f₀=1÷50 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе СВЧ диапазона фиг.1, содержащем выходной транзистор 1, база которого связана с источником вспомогательного напряжения 2, а коллектор через первый 3 резистор соединен с первой 4 шиной источника питания, преобразователь «напряжение-ток» 5, согласованный со второй 6 шиной источника питания, выход которого 7 соединен с эмиттером выходного транзистора 1, источник входного напряжения 8, подключенный ко входу преобразователя «напряжение-ток» 5, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 выходного транзистора связан по переменному току с первой 4 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом устройства 11 и соединен с выходом 7 преобразователя «напряжение-ток» 5.

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

На фиг.3 изображена схема ИУ фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения, в которой преобразователь «напряжение-ток» реализован на каскаде с общей базой (транзистор 13, конденсатор 14, резистор 15).

Схема фиг.4 соответствует п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 показан ИУ фиг.3 с другим вариантом выполнения преобразователя «напряжение-ток» - на транзисторах 17, 18 и источнике тока 19.

Схема фиг.6 соответствует фиг.2 для случая, когда выходной транзистор 1 выполнен на основе p-n-р транзистора, статический режим которого устанавливается двухполюсником 20, входящим в структуру 5.

На фиг.7 показана схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов по технологии SGB25VD.

На фиг.8 приведена логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.7 в широком диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Rvar1=0, Rvar1=1 кOM, Cvar=680 фФ.

На фиг.9 показана схема ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях сопротивления Rvar2=R17.

На фиг.10 показана схема ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях сопротивления Rvarl=R19.

На фиг.11 приведена схема ИУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.12 представлены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.11 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц.

На фиг.13 показана зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.7 от емкости конденсатора С1.

На фиг.14 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях конденсатора С2.

На фиг.15 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.7 в крайне высоком диапазоне частот (f₀=40÷50 ГГц) при С1=10 фФ, R1=550 Ом, С2=50 фФ, R2=600.

Избирательный усилитель СВЧ-диапазона фиг.2 содержит выходной транзистор 1, база которого связана с источником вспомогательного напряжения 2, а коллектор через первый 3 резистор соединен с первой 4 шиной источника питания, преобразователь «напряжение-ток» 5, согласованный со второй 6 шиной источника питания, выход которого 7 соединен с эмиттером выходного транзистора 1, источник входного напряжения 8, подключенный ко входу преобразователя «напряжение-ток» 5, первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы. Коллектор первого 1 выходного транзистора связан по переменному току с первой 4 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 9 и второй 10 корректирующие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом устройства 11 и соединен с выходом 7 преобразователя «напряжение-ток» 5.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения выход 7 преобразователя «напряжение-ток» 5 соединен с эмиттером выходного транзистора 1 через дополнительный резистор 12.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве источника вспомогательного напряжения 2 используется потенциал общей шины источников питания 16.

На фиг.5 показан ИУ фиг.3 с конкретным выполнением преобразователя «напряжение-ток» 5, который реализован на транзисторах 17, 18 и источнике тока 19.

В схеме фиг.6 преобразователь «напряжение-ток» 5 выполнен на транзисторах 17, 18 и источниках тока 19 и 20. Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного напряжения u_вх (8) изменяет базовый ток транзистора преобразователя «напряжение-ток» 5 и, следовательно, эмиттерный и коллекторный ток транзистора 1. Характер нагрузки коллекторной цепи транзистора 1, образованной резистором 3 и емкостным делителем, состоящим из конденсаторов 9 и 10, обеспечивает на выходе 11 реализацию характеристик избирательного усилителя. Выходной сигнал усилителя подается на эмиттер транзистора 1 и образует контур регенеративной обратной связи, причем в области нижних частот (f<<f₀) и в области верхних частот (f>>f₀) за счет емкости конденсатора 9 и емкости конденсатора 10 эта связь остается реактивной. Вещественность обратной связи обеспечивается только на одной частоте, совпадающей с частотой квазирезонанса f₀ ИУ. Именно по этой причине действие обратной связи направлено на увеличение реализуемой добротности Q и коэффициента усиления К₀ без изменения частоты квазирезонанса f₀.

Покажем аналитически, что в схеме фиг.2 реализуется более высокое значение добротности Q и коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса. Действительно, комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 определяется по формуле

$$F\left(jf\right)=-K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}}.\left(1\right)$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

При этом частота квазирезонанса схемы ИУ f₀ находится из соотношения

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_9{C}_{10}{R}_{30}{h}_{11.1}}},\left(2\right)$$

а его добротность Q зависит от глубины вещественной обратной связи

$$Q={\left[D_0+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_9}}\sqrt{\frac{R_3}{h_{11.1}}}\left(1-{\alpha }_1\right)\right]}^{-1},\left(3\right)$$

где α₁ - статический коэффициент передачи по току транзистора 1;

h_11.1 - входное сопротивление транзистора 1 по схеме с общей базой;

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}}+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_9}}\right)\cdot \sqrt{\frac{h_{11.1}}{R_3}},\left(4\right)$$

где D₀ - затухание нуля цепи нагрузки транзистора 1.

Особенностью схемы является возможность реализации отрицательного (фазоинвертирующего) коэффициента усиления ИУ на частоте квазирезонанса (схема фиг.2)

$$K_0\approx Q\frac{{\alpha }_5}{h_{11.5}}\sqrt{R_3{h}_{11.1}}\sqrt{\frac{C_9}{C_{10}}},\left(5\right)$$

где α₅, h_11.5 - аналогичные малосигнальные параметры входного

транзистора, входящего в преобразователь «напряжение-ток» 5.

Из приведенных соотношений следует, что при равнономинальности емкостных элементов схемы (С₉=C₁₀) выбором оптимального значения сопротивления резистора 3

$$R_{3opt}=2h_{11.1}/\left(1-{\alpha }_1\right)=2h_{11.1}\left(1+{\beta }_1\right)\left(6\right)$$

возможна максимизация реализуемой добротности Q:

$$Q_{\max }=\frac{1+{\beta }_1}{2\sqrt{2}},\left(7\right)$$

где β₁=α₁/(l-α₁).

В этом случае параметрическая чувствительность добротности

$$S_{R_3}^Q=-S_{h_{11.1}}^Q=\frac{Q_{\max }}{4}\left(1-{\alpha }_1\right)=1/4\sqrt{2}\left(8\right)$$

оказывается достаточно низкой при слаботочном режиме работы биполярных транзисторов.

Первой отличительной особенностью схемы ИУ фиг.2 является возможность функциональной настройки ИУ. Как видно из соотношения (2) необходимое значение f₀ можно скорректировать изменением эмиттерного тока (I_э1) транзистора 1. Действительно,

$$h_{11.1}\approx {\varphi }_{т}/I_{э1},\left(9\right)$$

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

Вторая существенная особенность заявляемой схемы ИУ - возможность работы в диапазоне крайне высоких частот (фиг.15, f0=43,98 ГГц), что обусловлено ее каскодной архитектурой. Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.8-фиг.10, фиг.12- фиг.15.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями добротности и коэффициента усиления по напряжению в СВЧ- и КВЧ-диапазонах.

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.: ИТТПМ 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 US 7.598.810.

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 US 7.786.807.

15. Патентная заявка US 20070296501.

16. Патентная заявка US 2008/0018403.

17. Патент US 3.351.865.

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 СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики и коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель СВЧ-диапазона содержит выходной транзистор (1), база которого связана с источником вспомогательного напряжения (2), а коллектор через первый (3) резистор соединен с первой (4) шиной источника питания, преобразователь «напряжение-ток» (5), согласованный со второй (6) шиной источника питания, выход которого (7) соединен с эмиттером выходного транзистора (1), источник входного напряжения (8), подключенный ко входу преобразователя «напряжение-ток» (5), первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы. Коллектор первого (1) выходного транзистора связан по переменному току с первой (4) шиной источника питания через последовательно соединенные первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом устройства (11) и соединен с выходом (7) преобразователя «напряжение-ток» (5). 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Избирательный усилитель СВЧ-диапазона, содержащий выходной транзистор (1), база которого связана с источником вспомогательного напряжения (2), а коллектор через первый (3) резистор соединен с первой (4) шиной источника питания, преобразователь «напряжение-ток» (5), согласованный со второй (6) шиной источника питания, выход которого (7) соединен с эмиттером выходного транзистора (1), источник входного напряжения (8), подключенный ко входу преобразователя «напряжение-ток» (5), первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы, отличающийся тем, что коллектор первого (1) выходного транзистора связан по переменному току с первой (4) шиной источника питания через последовательно соединенные первый (9) и второй (10) корректирующие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом устройства (11) и соединен с выходом (7) преобразователя «напряжение-ток» (5).

2. Избирательный усилитель СВЧ-диапазона по п.1, отличающийся тем, что выход (7) преобразователя «напряжение-ток» (5) соединен с эмиттером выходного транзистора (1) через дополнительный резистор (12).

3. Избирательный усилитель СВЧ-диапазона по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (2) используется потенциал общей шины источников питания (16).