УПРАВЛЯЕМЫЙ ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2015 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 универсальный 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 напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, роль которого выполняет присутствующая всегда емкость на подложку выходного транзистора 2, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, вторую 10 шину источника питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность $$Q\approx \frac{f_o}{f_{в}-f_{н}}$$ 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 управляемом избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, вторую 10 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного напряжения 1 соединен с коллектором выходного транзистора 2 через первый 7 корректирующий конденсатор, в качестве цепи установления статического режима 9 выходного транзистора 2 используется токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и второй 10 шиной источника питания, выход устройства 11 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, эмиттер выходного транзистора 2 соединен с базой первого 12 дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора и соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, база второго 13 дополнительного транзистора соединена с эмиттером третьего 15 дополнительного транзистора и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 10 шиной источника питания, причем коллектор второго 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором выходного транзистора 2, коллектор первого 12 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 15 дополнительного транзистора и связан с первой 6 шиной источника питания, а база третьего 15 дополнительного транзистора соединена с источником вспомогательного напряжения 3.

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

На фиг.3 приведена схема ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.4 показаны логарифмическая амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при следующих параметрах элементов: Rvar1=260 Ом, Rvar2=730 Ом, Cvar1=170 фФ, Cvar2=560 фФ.

На фиг.5 представлена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.3 от величины тока Ivar=I₁₇.

На фиг.6 показана ЛАЧХ ИУ фиг.3 при различных значениях тока Ivar=I₁₇.

На фиг.7 показана схема ИУ фиг.2, в котором в качестве резисторов 4 и 5 используются сопротивления р-n переходов Q₂₂, Q₂₃.

На фиг.8 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.7 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при I₀=6.6 мА, Ivar=10 мА, Cvar 1=520 фФ, Cvar2=7,3 пФ.

На фиг.9 представлена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.7 от тока I₀.

На фиг.10 показана ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях тока I₀.

На фиг.11 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.7 от параметра Ivar.

На фиг.12 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях тока Ivar.

Управляемый избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, вторую 10 шину источника питания. Источник входного напряжения 1 соединен с коллектором выходного транзистора 2 через первый 7 корректирующий конденсатор, в качестве цепи установления статического режима 9 выходного транзистора 2 используется токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и второй 10 шиной источника питания, выход устройства 11 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, эмиттер выходного транзистора 2 соединен с базой первого 12 дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора и соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, база второго 13 дополнительного транзистора соединена с эмиттером третьего 15 дополнительного транзистора и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 10 шиной источника питания, причем коллектор второго 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором выходного транзистора 2, коллектор первого 12 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 15 дополнительного транзистора и связан с первой 6 шиной источника питания, а база третьего 15 дополнительного транзистора соединена с источником вспомогательного напряжения 3.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала u_BX (1) посредством первого 7 корректирующего конденсатора изменяет ток коллекторной цепи транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 5, а также конденсаторами 7 и 8, обеспечивает преобразование этого тока в ток конденсатора 8 выходной цепи. При этом наличие резистивного делителя, образованного резисторами 4 и 5, 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 в области верхних частот (f>f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы ИУ.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 11) к входному напряжению и_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

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

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_8{C}_7{R}_4\left(R_5+h_{11.2}\right)}},\left(2\right)$$

где C₈, С₇, R₄, R₅ - параметры элементов схемы 8, 7, 4 и 5;

h_11.2 - h-параметр выходного транзистора 2 в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

$$Q^{-1}=D_0+\sqrt{\frac{C_8}{C_7}}\sqrt{\frac{R_4}{R_5+h_{11.2}}}\left[1-{\alpha }_3-\frac{{\alpha }_{13}}{4}\frac{I_{14}}{I_0}\right],\left(3\right)$$

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

I₁₄, I₀ - токи двухполюсников 14 и 9;

$$D_0=\left(\sqrt{\frac{R_5+h_{11.2}}{R_4}}+\sqrt{\frac{R_4}{R_5+h_{11.2}}}\right)\sqrt{\frac{C_7}{C_8}}$$ - эквивалентное затухание пассивной частотозависимой цепи.

За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.

Формула для коэффициента усиления K₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид

$$K_0=-Q\sqrt{\frac{C_8}{C_7}}\sqrt{\frac{R_4}{R_5+h_{11.2}}}.\left(4\right)$$

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство сопротивлений резисторов 4 и 5 (R₄=R₅). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором соотношений токов I₁₄ и I₀ (3), так и параметрически - установлением определенного соотношения между емкостями конденсаторов 7 (С₇) и 8 (C₈).

Так, при реализации условия

$$\frac{I_{14}}{I_0}=4\frac{1-{\alpha }_3}{{\alpha }_{13}}\left(5\right)$$

из (3) можно найти, что Q=1/D₀. При этом указанное выше равенство R₄=R₅ обеспечивает следующие параметрические чувствительности добротности ИУ

$$S_{R_4}^Q=S_{R_5}^Q=0;S_{C_7}^Q=-S_{C_8}^Q=-\frac{1}{2},\left(6\right)$$

которые являются минимальными для резистивных элементов схемы. Однако, для ряда техпроцессов доминирующими компонентами схемы оказываются конденсаторы С7 и С8, имеющие более высокие погрешности. Можно показать, что в этом случае реализация условия

$$\frac{I_{14}}{I_0}=\frac{4}{{\alpha }_{13}}\left(1-\frac{1}{8Q^2}-{\alpha }_3\right)\left(7\right)$$

обеспечивает минимизацию

$$S_{C_7}^Q=-S_{C_8}^Q=0$$ .

При этом реализуемая добротность определяется соотношением емкостных элементов схемы

$$Q=\frac{1}{4}\sqrt{\frac{C_8}{C_7}}.\left(8\right)$$

Отмеченные свойства схемы ИУ не исключают возможность реализации равнономинальных резистивных и емкостных элементов схемы. Действительно, как это следует из (3), при выполнении параметрических условий

$$R_4=R_5+h_{11.2}=R,C_8=C_7=C\left(9\right)$$

реализуемая добротность

$$Q^{-1}=3-{\alpha }_3-\frac{{\alpha }_{13}}{4}\frac{I_{14}}{I_0}\left(10\right)$$

определяется соотношением токов источников тока I₉ и I₁₄ и может достигать любых численных значений. При этом параметрические чувствительности

$$S_{I_{14}}^Q=-S_{I_0}^Q=Q\frac{{\alpha }_{13}}{4}\frac{I_{14}}{I_0}\left(11\right)$$

определяют основные требования к их реализации двухполюсников 14 и 9 при заданном значении добротности.

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

Представленные на фиг.4-6, а также фиг.8-12 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемых схем. Причем графики фиг.5, фиг.6, фиг.9, фиг.10, фиг.11 и фиг.12 показывают зависимость основных параметров ИУ (Q₀, K₀, f₀) от соотношения токов I₉, I₁₄, то есть описывают предлагаемый ИУ как управляемый токами избирательный усилитель.

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. Важное достоинство заявляемого ИУ - токовое управление основными параметрами.

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 4257518, fig.4.

5. Патент US 6972624, 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 6011431, fig.4.

11.Патент US 6642794.

12.Патент WO 2007/022705.

13.Патент CN 101204009

14.Патент US 7135923, fig.5.

15.Патент US 6801090, 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 и т.п. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления за счет повышения добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Управляемый избирательный усилитель содержит источник входного напряжения (1), выходной транзистор (2), источник вспомогательного напряжения (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие резисторы, первую (6) шину источника питания, первый (7) корректирующий конденсатор, второй (8) корректирующий конденсатор, цепь установления статического режима (9) выходного транзистора (2), вторую (10) шину источника питания, первый (12), второй (13) и третий (15) дополнительные транзисторы, первый (14) и второй (16) токостабилизирующие двухполюсники. Выход устройства (11) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (4) и второго (5) частотозадающих резисторов. 12 ил.

Управляемый избирательный усилитель, содержащий источник входного напряжения (1), выходной транзистор (2), база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения (3), а коллектор через последовательно соединенные первый (4) и второй (5) частотозадающие резисторы связан с первой (6) шиной источника питания, первый (7) корректирующий конденсатор, второй (8) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора (2) и общим узлом первого (4) и второго (5) частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима (9) выходного транзистора (2), вторую (10) шину источника питания, отличающийся тем, что источник входного напряжения (1) соединен с коллектором выходного транзистора (2) через первый (7) корректирующий конденсатор, в качестве цепи установления статического режима (9) выходного транзистора (2) используется токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора (2) и второй (10) шиной источника питания, выход устройства (11) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (4) и второго (5) частотозадающих резисторов, эмиттер выходного транзистора (2) соединен с базой первого (12) дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго (13) дополнительного транзистора и соединен со второй (10) шиной источника питания через первый (14) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, база второго (13) дополнительного транзистора соединена с эмиттером третьего (15) дополнительного транзистора и через второй (16) токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй (10) шиной источника питания, причем коллектор второго (13) дополнительного транзистора соединен с коллектором выходного транзистора (2), коллектор первого (12) дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего (15) дополнительного транзистора и связан с первой (6) шиной источника питания, а база третьего (15) дополнительного транзистора соединена с источником вспомогательного напряжения (3).