ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 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, 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_н [3-17]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется корректирующим разделительным конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в структуре схемы по патентной заявке US №2008/0211580, fig.7A. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена со входом 2 устройства, а коллектор соединен с выходом 3 устройства и через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 6 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 4 частотозадающему резистору, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, а эмиттер подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 9 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора, второй 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора.

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 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 входной транзистор, база которого соединена со входом 2 устройства, а коллектор соединен с выходом 3 устройства и через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 6 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 4 частотозадающему резистору, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, а эмиттер подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 9 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора, второй 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод второго 10 корректирующего конденсатора подключен к выходу 3 устройства, а второй вывод второго 9 частотозадающего резистора соединен с первым 11 источником вспомогательного напряжения.

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

На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, а на чертеже фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.5 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с п.4 формулы изобретения, а на чертеже фиг.6 - в соответствии с п.5 формулы изобретения.

На чертеже фиг.7 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с п.6 формулы изобретения, а на чертеже фиг.8 - в соответствии с п.7 формулы изобретения.

На чертеже фиг.9 представлена схема ИУ фиг.6 в элементном базисе техпроцесса АБМК_1_3 (г.Минск) в среде компьютерного моделирования PSpice.

На чертеже фиг.10 приведена логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.9 в диапазоне частот от 10 кГц до 10 ГГц при Rvar=22кОм, Cvar=1 фФ, Rvar2=610 Ом, Cvar3=20 пФ, Cvar2=9 пФ.

На чертеже фиг. 11 показана ЛАЧХ ИУ фиг.9 при значениях сопротивления Rvar2, изменяющегося в диапазоне от 540 Ом до 600 Ом.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена со входом 2 устройства, а коллектор соединен с выходом 3 устройства и через первый 4 частотозадающий резистор связан с первой 5 шиной источника питания, первый 6 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 4 частотозадающему резистору, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, а эмиттер подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 9 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора, второй 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с базой второго 7 входного транзистора. Второй вывод второго 10 корректирующего конденсатора подключен к выходу 3 устройства, а второй вывод второго 9 частотозадающего резистора соединен с первым 11 источником вспомогательного напряжения.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первого 1 входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора 1, исток его эмиттеру, сток - коллектору, причем в качестве первого 11 источника вспомогательного напряжения используется потенциал второй 8 шины источника питания, а источник входного напряжения 12 включен между входом 2 устройства и второй 8 шиной источника питания.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, вход 2 устройства связан со второй 8 шиной источника питания через третий 13 частотозадающий резистор, источник входного напряжения 14 подключен ко входу 2 устройства через третий 15 корректирующий конденсатор, причем в качестве первого 1 входного транзистора применяется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора 1, исток - его эмиттеру, сток - коллектору, а в качестве первого 11 источника вспомогательного напряжения используется потенциал второй 8 шины источника питания.

На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используется потенциал общей шины источников питания 16, источник входного напряжения 17 включен между входом 2 устройства и общей шиной источников питания 16, причем в качестве второго 7 входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора 7, исток - эмиттеру, а сток - коллектору этого транзистора 7.

На чертеже фиг.6, в соответствии с п.5 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используется потенциал общей шины 16 источников питания, вход 2 устройства подключен к общей шине источников питания 16 через четвертый 18 частотозадающий резистор, источник входного напряжения 19 связан по переменному току со входом 2 устройства через четвертый 20 частотозадающий конденсатор и подключен к общей шине источников питания 16, причем в качестве второго 7 входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора 7, исток - эмиттеру, а коллектор - стоку этого транзистора 7.

На чертеже фиг.7, в соответствии с п.6 формулы изобретения, источник входного напряжения 21 связан со входом 2 устройства через пятый 22 разделительный конденсатор, в качестве источника дополнительного напряжения 11 используется потенциал второй 8 шины источника питания, причем вход 2 устройства соединен с базой и коллектором первого 23 дополнительного транзистора через первый 24 дополнительный резистор, эмиттер первого 23 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 25 дополнительного транзистора, коллектор второго 25 дополнительного транзистора связан со второй 8 шиной источника питания, между базой этого транзистора 25 и второй 8 шиной источника питания включен второй 26 дополнительный резистор, а коллектор первого 23 дополнительного транзистора соединен с первой 5 шиной источника питания через третий 27 дополнительный резистор.

На чертеже фиг.8, в соответствии с п.7 формулы изобретения, в исток полевого транзистора с управляющим р-n переходом, который используется в качестве второго 7 входного транзистора, включен вспомогательный двухполюсник 28, например, р-n переход.

Рассмотрим работу схемы фиг.3.

Источник входного напряжения u_вх (12) изменяет ток стока первого 1 входного транзистора. Характер стоковой нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 9, а также конденсаторами 6 и 10 обеспечивает преобразование этого тока в выходной сигнал ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 6 и 10, обеспечивает функциональную зависимость этого сигнала, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.3 как отношение выходного напряжения (выход устройства 3) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K\left(jf\right)=\frac{u_3}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\left(1\right)$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_6{C}_{10}{R}_4{R}_9}},\left(2\right)$$

где С₆, С₁₀, R₄, R₉ - параметры соответствующих элементов схемы 6, 10, 4 и 9;

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_6}}\sqrt{\frac{R_9}{R_4}}\left[1-\frac{R_4}{h_{11.7}+S_1^{-1}}\right],\left(3\right)$$

где h_11.7 - входное сопротивление транзистора 7 в схеме с общей базой;

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{C_6}{C_{10}}}+\sqrt{\frac{C_{10}}{C_6}}\right)\sqrt{\frac{R_4}{R_9}}$$ - эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой цепи;

S₁ - крутизна транзистора 1;

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

$$K_0=-QS\sqrt{R_4{R}_9}\sqrt{\frac{C_{10}}{C_6}},\left(4\right)$$

где $$S\approx \frac{1}{\left(h_{11.7}+S_1^{-1}\right)}$$ .

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

$$Q^{-1}=\frac{m\left(k^2+1\right)}{k}+\frac{1-R_{4}S}{mk},\left(5\right)$$

где $$k=\sqrt{\frac{C_6}{C_{10}}}$$ ; $$m=\sqrt{\frac{R_4}{R_9}}$$ .

При этом параметрические чувствительности

$$S_{C_6}^Q=-S_{C_{10}}^Q=\frac{1}{2}\left[\frac{m\left(k^2-1\right)}{k{D}_p}-\frac{S{R}_4}{mk}\right],\left(6\right)$$

$$S_{R_4}^Q=-S_{R_9}^Q=\frac{1}{2}\left[\frac{m\left(k^2-1\right)}{km}-\frac{1+S{R}_4}{mk}\right],\left(7\right)$$

$$S_S^Q=-\frac{QS{R}_4}{mk}\left(8\right)$$

могут оптимизироваться по одному из критериев - суммарная чувствительность, среднеквадратическая чувствительность и т.п. Так, при минимизации среднеквадратической чувствительности

$$k_{opt}=\mathrm{1,6}{\left(S{R}_4\right)}_{opt}=\mathrm{2,5,}\left(9\right)$$

соотношение между резистивными элементами определяется из условия (5) практической реализации Q.

При условиях С₁₀=С₆=С и $$h_{11.7}+S_1^{-1}=R_4$$ параметрические чувствительности основных параметров ИУ имеют следующий вид:

$$S_{C_{10}}^{f_0}=S_{C_6}^{f_0}=S_{R_4}^{f_0}=S_{R_9}^{f_0}=-\frac{1}{2},\left(10\right)$$

$$S_{C_{10}}^Q=S_{C_6}^Q=\mathrm{0,}{S}_{C_{10}}^{K_0}=-S_{C_6}^{K_0}=\frac{1}{2},\left(11\right)$$

$$S_{R_9}^Q=-S_{R_4}^Q=\frac{1}{2},S_{R_9}^{K_0}=S_{R_4}^{K_0}=\frac{1}{2}.\left(12\right)$$

Это характеризует схему заявляемого ИУ в классе низкочувствительных звеньев второго порядка. В этом случае К₀=Q.

Представленные на чертежах фиг.10 - фиг.11 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Особенность схемы фиг.3 (П2 формулы изобретения) - минимально возможное потребление тока от источника питания, а также работа с однополярным питанием.

Схема фиг.4 (ПЗ формулы изобретения) имеет дополнительное качество при однополярном питании - высокое ослабление сигнала в диапазоне низких частот.

Схема фиг.5 (П4 формулы изобретения) имеет двуполярное питание при минимальном потребляемом токе в элементном базисе АБМК_1_3 (НПО «Интеграл» г.Минск).

В схеме фиг.6 (П5 формулы изобретения) предусмотрены RC-цепи, обеспечивающие более глубокое ослабление входного сигнала в диапазоне низких частот.

Особенность схемы фиг.7 (П6 формулы изобретения) - однополярное питание и возможность реализации на p-n-р и n-p-n транзисторах аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3 (НПО «Интеграл», г.Минск).

В схеме фиг.8 (П7 формулы изобретения) предусмотрено дальнейшее снижение токопотребления за счет перевода полевого транзистора (технология АБМК_1_3) в микрорежим.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства при малом энергопотреблении.

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 2008/0012640, fig.4

4. Патент US 7.705.677, fig.2

5. Патент US 6.396.346

6. Патент US 5.767.542, fig.2, fig.3

7. Патент US 6.690.231, fig.6

8. Патент US 6.624.699

9. Патент US 6.198.348, fig.2

10. Патент ЕР 1.480.333, fig.1, fig.17

11. Патент JP 2010-28311

12. Патент WO 03094344, fig.3

13. Патентная заявка US 2003/0206062, fig.3, fig.4

14. Патентная заявка US 2006/0125561, fig.1

15. Патент WO 2009/029284

16. Патентная заявка US 2007/0146070, fig.1

17. Патентная заявка US 2010/0013557.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления. Избирательный усилитель содержит первый (1) входной транзистор, база которого соединена со входом (2) устройства, а коллектор соединен с выходом (3) устройства и через первый (4) частотозадающий резистор связан с первой (5) шиной источника питания, первый (6) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (4) частотозадающему резистору, второй (7) входной транзистор, коллектор которого связан со второй (8) шиной источника питания, а эмиттер подключен к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (9) частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго (7) входного транзистора, второй (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с базой второго (7) входного транзистора. Второй вывод второго (10) корректирующего конденсатора подключен к выходу (3) устройства, а второй вывод второго (9) частотозадающего резистора соединен с первым (11) источником вспомогательного напряжения. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена со входом (2) устройства, а коллектор соединен с выходом (3) устройства и через первый (4) частотозадающий резистор связан с первой (5) шиной источника питания, первый (6) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (4) частотозадающему резистору, второй (7) входной транзистор, коллектор которого связан со второй (8) шиной источника питания, а эмиттер подключен к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (9) частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с базой второго (7) входного транзистора, второй (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с базой второго (7) входного транзистора, отличающийся тем, что второй вывод второго (10) корректирующего конденсатора подключен к выходу (3) устройства, а второй вывод второго (9) частотозадающего резистора соединен с первым (11) источником вспомогательного напряжения.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (1) входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора (1), исток - его эмиттеру, сток - коллектору, причем в качестве первого (11) источника вспомогательного напряжения используется потенциал второй (8) шины источника питания, а источник входного напряжения (12) включен между входом (2) устройства и второй (8) шиной источника питания.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что вход (2) устройства связан со второй (8) шиной источника питания через третий (13) частотозадающий резистор, источник входного напряжения (14) подключен ко входу (2) устройства через третий (15) корректирующий конденсатор, причем в качестве первого (1) входного транзистора применяется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора (1), исток - его эмиттеру, сток - коллектору, а в качестве первого (11) источника вспомогательного напряжения используется потенциал второй (8) шины источника питания.

4. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (11) используется потенциал общей шины источников питания (16), источник входного напряжения (17) включен между входом (2) устройства и общей шиной источников питания (16), причем в качестве второго (7) входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора (7), исток - эмиттеру, а сток - коллектору этого транзистора (7).

5. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (11) используется потенциал общей шины (16) источников питания, вход (2) устройства подключен к общей шине источников питания (16) через четвертый (18) частотозадающий резистор, источник входного напряжения (19) связан по переменному току со входом (2) устройства через четвертый (20) частотозадающий конденсатор и подключен к общей шине источников питания (16), причем в качестве второго (7) входного транзистора используется полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого эквивалентен базе транзистора (7), исток - эмиттеру, а коллектор - стоку этого транзистора (7).

6. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что источник входного напряжения (21) связан со входом (2) устройства через пятый (22) разделительный конденсатор, в качестве источника дополнительного напряжения (11) используется потенциал второй (8) шины источника питания, причем вход (2) устройства соединен с базой и коллектором первого (23) дополнительного транзистора через первый (24) дополнительный резистор, эмиттер первого (23) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (25) дополнительного транзистора, коллектор второго (25) дополнительного транзистора связан со второй (8) шиной источника питания, между базой этого транзистора (25) и второй (8) шиной источника питания включен второй (26) дополнительный резистор, а коллектор первого (23) дополнительного транзистора соединен с первой (5) шиной источника питания через третий (27) дополнительный резистор.

7. Избирательный усилитель по п.5, отличающийся тем, что в исток полевого транзистора с управляющим р-n переходом, который используется в качестве второго (7) входного транзистора, включен вспомогательный двухполюсник (28), например, р-n переход.