RLC-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H03F3/34 H03F1/04 

Изобретение относится к аналоговой микроэлектронике и радиотехнике и может быть использовано в качестве устройства усиления малых сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов.

Избирательные усилители (ИУ) относятся к числу наиболее распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих классов радиоэлектронных систем.

В современной радиотехнике находят применение ИУ с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, которая реализуется как на RC [1], так и RLC [2-21] частотно-задающих цепях. На высоких частотах, в малошумящих устройствах применяется RLC частотно-задающая цепь [2-21].

Одной из тенденций в проектировании современных микросхем является снижение напряжения питания. Для этой цели применяются специальные схемотехнические решения активных элементов, в том числе [22-27]. Известны схемы RC и RLC-усилителей, работающих при малых напряжениях питания [28-29].

Актуальным также является повышение численных значений частоты квазирезонанса ИУ (f_p) за счет уменьшения влияния на f_p высокочастотных параметров транзисторов. Данные параметры, в ряде случаев (например, для радиационно-стойких BiJFet технологий), являются доминирующим фактором, определяющим максимальные значения f_p избирательных усилителей.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является усилитель по патенту RU №2.515.538. Он содержит (фиг. 1) источник входного сигнала 1, связанный с эмиттером первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к первой 3 шине источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, база соединена с базой вспомогательного 5 транзистора и подключена к источнику напряжения смещения 6, коллектор через резистор коллекторной нагрузки 7 соединен со второй 8 шиной источника питания и подключен к коллектору вспомогательного 5 транзистора, частотозадающий конденсатор 9, выход устройства 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером вспомогательного 5 транзистора и первой 3 шиной источника питания.

Существенный недостаток усилителя-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокие избирательные свойства, характеризующиеся численными значениями реализуемой добротности Q. Об этом свидетельствует его амплитудно-частотная характеристика, показанная на чертеже фиг. 2. Ее параметры - нижняя (f_н) и верхняя (f_в) граничные частоты связанны соотношением f_в/f_н>>1, что характерно для широкополосных усилителей.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении добротности амплитудно-частотной характеристики устройства без увеличения напряжения питания и потребляемого тока в статическом режиме.

Поставленная задача достигается тем, что в RLC-избирательном усилителе с малым напряжением питания фиг. 1, содержащем источник входного сигнала 1, связанный с эмиттером первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к первой 3 шине источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, база соединена с базой вспомогательного 5 транзистора и подключена к источнику напряжения смещения 6, коллектор через резистор коллекторной нагрузки 7 соединен со второй 8 шиной источника питания и подключен к коллектору вспомогательного 5 транзистора, частотозадающий конденсатор 9, выход устройства 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером вспомогательного 5 транзистора и первой 3 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - частотозадающий конденсатор 9 включен между выходом устройства 10 и объединенными коллекторами первого 2 входного и вспомогательного 5 транзисторов, причем выход устройства 10 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 5 через частотозадающую индуктивность 12.

На чертеже фиг. 1 показана схема ИУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - его амплитудно-частотная характеристика, из которой следует, что известная схема ИУ обладает неудовлетворительными селективными свойствами (f_в/f_н>>1).

На чертеже фиг. 3 показана схема заявляемого ИУ в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 представлена заявляемая схема ИУ в соответствии с п. 3 и п. 4 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 5 представлена схема фиг. 3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов N115 (технология АБМК_2.1).

На чертеже фиг. 6 приведен график частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению схемы RLC-фильтра фиг. 5 при C1=С_var=0.2 пФ, L1=L_var=1 мкГн. Результаты моделирования показывают, что добротность данной схемы ИУ Q≈11,9 ед.

На чертеже фиг. 7 представлена схема фиг. 4 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов N115 (технология АБМК_2.1).

На чертеже фиг. 8 приведен график частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению схемы RLC-фильтра фиг. 7 при C1=С_var=0.2 пФ, L1=L_var=1 мкГн. Результаты моделирования показывают, что добротность данной схемы ИУ Q≈11,8 ед.

RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания фиг. 3 содержит источник входного сигнала 1, связанный с эмиттером первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к первой 3 шине источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, база соединена с базой вспомогательного 5 транзистора и подключена к источнику напряжения смещения 6, коллектор через резистор коллекторной нагрузки 7 соединен со второй 8 шиной источника питания и подключен к коллектору вспомогательного 5 транзистора, частотозадающий конденсатор 9, выход устройства 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером вспомогательного 5 транзистора и первой 3 шиной источника питания. Частотозадающий конденсатор 9 включен между выходом устройства 10 и объединенными коллекторами первого 2 входного и вспомогательного 5 транзисторов, причем выход устройства 10 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 5 через частотозадающую индуктивность 12.

В схеме фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, источник входного сигнала 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через разделительный конденсатор 13.

В схеме фиг. 4, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, источник входного сигнала 1 связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через дополнительный повторитель напряжения 14.

В схеме фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, дополнительный повторитель напряжения 14 выполнен на транзисторе 15 по схеме с общим коллектором.

Рассмотрим работу избирательного усилителя фиг. 3.

Для повышения стабильности частоты полюса (f_p) избирательного усилителя схема фиг. 3 необходимым условием является использование в контуре обратной связи частотозависимой цепи, состоящей из частотозадающего конденсатора 9 и частотозадающей индуктивности 12, полосно-пропускающего типа

где f_p - частота полюса; D₀ и D_p - затухание нуля и полюса частотно-задающей RLC-цепи (частотозадающий конденсатор 9 и частотозадающая индуктивность 12).

При этом частота полюса ИУ совпадает с частотой полюса цепи γ(jf).

В этом случае влияние усилителя тока на вспомогательном транзисторе 5 направлено только на увеличение добротности Q:

где α₅≤1 - коэффициент усиления по току эмиттера вспомогательного транзистора 5.

Однако, влияние частоты единичного усиления (f₁) вспомогательного транзистора 5 приводит к изменению как f_p, так и Q, причем относительные изменения δf_p и δQ определяются из следующего соотношения

а их параметрические чувствительности находятся по формуле

Приведенные соотношения позволяют определить параметры α₅ и f₁ для реализации необходимых значений f_p и Q, их стабильности.

Общая задача построения предлагаемого ИУ на таких звеньях связана с минимизацией произведения D_pα₅ - собственного затухания полюса частотозадающей цепи (D_p) и коэффициента передачи по току (α₅). Это утверждение согласуется и условием уменьшения чувствительности добротности к нестабильности параметра α₅:

Приведенные соотношения показывают, что расширение диапазона рабочих частот активных фильтров с предлагаемой архитектурой фиг. 3 связано с уменьшением затухания полюса D_p и нуля D₀ пассивной частотозадающей цепи, образуемой частотозадающим конденсатором 9 и частотозадающей индуктивностью 12.

Основные параметры заявляемого избирательного усилителя фиг. 3.

,

где и h_11.5 - малосигнальный h - параметр вспомогательного транзистора 5 в схеме с общей базой.

Поэтому

Как видно из (8), соотношение С₉ и L₁₂ определяет D_p и, согласно (3) и (4), влияние f₁ вспомогательного транзистора 5. Реализуемый схемой «выигрыш» зависит от добротности полюса схемы. Например, при L₁₂=10 нГн, R₇=100 Ом, С₉=10 фФ и потребляемом токе в 1 мА, f_p = 16 ГГц; Q=37; D₀=0,25; D_p=0,35.

Поэтому, в заявляемой схеме влияние f₁ как на f_p , так и на Q, согласно соотношению (4), практически на два порядка меньше, чем RC-звена в классическом RC-избирательном усилителе. Это позволяет создавать более высокочастотные схемы ИУ с более эффективным использованием частотных свойств применяемых транзисторов.

Таким образом, предлагаемый RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания характеризуется более высокими значениями добротности амплитудно-частотной характеристики и имеет при малом напряжении и заданных транзисторах повышенные значения f_p.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Microwave and mm-Wave Active-RC and RLC Filters / S.G. Krutchinsky, N.N. Prokopenko, P.S. Budyakov // Proceedings of the 8th IEEE GCC Conference and Exhibition, Muscat, Oman, 1-4 February, 2015. - Pp. 1-4. DOI: 10.1109/IEEEGCC.2015.7060064

2. Патент US 3.882.410, fig. 4, 5, 8

3. Заявка на патент US 2008/0012643

4. Патент SU 1539961

5. Патент SU 1494207

6. Патент SU 1646045

7. Патент SU 151385

8. Патент RU 2.571.402

9. Патент RU 2.566.954

10. Патент US 5.502.420

11. Патент US 4.342.967, fig. 1

12. Патент US 7.098.743, fig. 4

13. Заявка на патент US 2005/0248408

14. 3аявка на патент US 2005/0225397, fig. 3

15. Патент US 7.113.043, fig.2

16. Патент US 6.278.329

17. Патент US 6.204.728, fig.4a

18. Патент US 5.451.906, fig. 2

19. Патент GB 1.431.481

20. 3аявка на патент US 2014/0043102, fig.3, 4

21. 3аявка на патент US 2006/0119435, fig.3

22. Патент US 6.392.492, fig. 1

23. Патент US 5.914.640, fig. 2

24. Патент US 6.825.723, fig. 3

25. Патент US 7.023.281, fig. 2b

26. Патент US 5.510.745, fig. 5а, 32, 54, 56, 59, 61, 64, 66

27. Патент US 4.021.749, fig. 2

28. 3аявка на патент JP 2001/308658

29. Патент RU 2.515.538, fig. 3.

Изобретение относится к аналоговой микроэлектронике и радиотехнике и может быть использовано в качестве устройства усиления малых сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов. Технический результат заключается в повышении качества амплитудно-частотной характеристики устройства без увеличения напряжения питания и потребляемого тока в статическом режиме. Технический результат достигается за счет RLC-избирательного усилителя с малым напряжением питания, который содержит источник входного сигнала, связанный с эмиттером первого входного транзистора, эмиттер которого подключен к первой шине источника питания через первый токостабилизирующий двухполюсник, база соединена с базой вспомогательного транзистора и подключена к источнику напряжения смещения, коллектор через резистор коллекторной нагрузки соединен со второй шиной источника питания и подключен к коллектору вспомогательного транзистора, частотозадающий конденсатор, выход устройства, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером вспомогательного транзистора и первой шиной источника питания, частотозадающий конденсатор, который включен между выходом устройства и объединенными коллекторами первого входного и вспомогательного транзисторов. 3 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания, содержащий источник входного сигнала (1), связанный с эмиттером первого (2) входного транзистора, эмиттер которого подключен к первой (3) шине источника питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, база соединена с базой вспомогательного (5) транзистора и подключена к источнику напряжения смещения (6), коллектор через резистор коллекторной нагрузки (7) соединен со второй (8) шиной источника питания и подключен к коллектору вспомогательного (5) транзистора, частотозадающий конденсатор (9), выход устройства (10), второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером вспомогательного (5) транзистора и первой (3) шиной источника питания, отличающийся тем, что частотозадающий конденсатор (9) включен между выходом устройства (10) и объединенными коллекторами первого (2) входного и вспомогательного (5) транзисторов, причем выход устройства (10) соединен с эмиттером вспомогательного транзистора (5) через частотозадающую индуктивность (12).

2. RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания по п. 1, отличающийся тем, что источник входного сигнала (1) связан с эмиттером первого (2) входного транзистора через разделительный конденсатор (13).

3. RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания по п. 1, отличающийся тем, что источник входного сигнала (1) связан с эмиттером первого (2) входного транзистора через дополнительный повторитель напряжения (14).

4. RLC-избирательный усилитель с малым напряжением питания по п. 2, отличающийся тем, что дополнительный повторитель напряжения (14) выполнен на транзисторе (15) по схеме с общим коллектором.