Избирательный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса. Для этого предложен избирательный усилитель, содержащий первый входной транзистор, база которого связана со входом устройства, эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания, а коллектор через второй токостабилизирующий двухполюсник связан второй шиной источника питания, второй входной транзистор, коллектор которого связан со второй шиной источника питания, а эмиттер через третий токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого и второго входных транзисторов, при этом коллектор первого входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала, общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства, базой второго входного транзистора и через четвертый токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания, причем между выходом устройства и общей шиной источников питания включен по переменному току второй корректирующий конденсатор, а последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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 (ИУ) (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ-избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГТц.

Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. 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 US 4267518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀=1÷5 ГГц).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 10, общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства 11, базой второго 7 входного транзистора и через четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, причем между выходом устройства 11 и общей шиной источников питания включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, а последовательно с первым 9 корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор 14.

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

На фиг.3 показана схема ИУ, фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в котором, кроме второго 15 дополнительного резистора, показано конкретное исполнение дополнительного токового зеркала 10, содержащего p-n переход 16 и транзистор 17.

На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ, фиг.3, в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ, фиг.4, в крупном масштабе, а на фиг.6 - частотная зависимость коэффициент усиления и фазовый сдвиг ИУ, фиг.4, в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 входных транзисторов. Коллектор первого 1 входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 10, общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства 11, базой второго 7 входного транзистора и через четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, причем между выходом устройства 11 и общей шиной источников питания включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, а последовательно с первым 9 корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор 14.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения выход устройства 11 связан с общей шиной источников питания через второй 15 дополнительный резистор, а в качестве четвертого 12 токостабилизирующего двухполюсника используется источник опорного тока с высоким выходным сопротивлением.

Рассмотрим работу ИУ, фиг.2.

Источник переменного входного сигнала u_вх (2) изменяет коллекторный и эмиттерный токи первого 1 входного транзистора. Комплексный характер проводимости его эмиттерной цепи, образованной первым 14 дополнительным резистором и первым 9 корректирующим конденсатором, обеспечивает передачу этого сигнала в токовое зеркало 10, и далее в выходную цепь, которая реализована на базе второго 13 корректирующего конденсатора и четвертого 12 токостабилизирующего двухполюсника (резистора R12). Комплексность полного сопротивления этой цепи (С₁₃, R₁₂) и характер изменения токов названных выше транзисторов обеспечивают резонансный вид его амплитудно-частотной характеристики.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ, фиг.2, определяется по формуле:

τ₁=С₉(R₁₄+h_11.1+h_11.7);

τ₂=C₁₃R₁₂;

где α_i, h_11.i - коэффициент передачи эмиттерного тока и дифференциальное входное сопротивление i-го транзистора с общей базой; K_i10 - коэффициент передачи по току усилителя тока 10.

Таким образом, численное значение K_i10 при любом соотношении сопротивлений резисторов 12 и 14 позволяет реализовать необходимые значения Q (3) и K₀ (4) при постоянном (неизменном) значении частоты квазирезонанса (2).

Конкретная реализация дополнительного токового зеркала 10 зависит от возможности использования различных полупроводниковых компонентов и задачи интеграции ИУ в СФ блок РЭА. Так, на фиг.3 приведен вариант решения этой задачи на биполярных транзисторах. В этом случае при показанных на фиг.3 условиях согласования режимов работы транзисторов:

где m - число эмиттерных переходов транзистора 17, образующего токовое зеркало 10. Следовательно, изменением числа переходов m и выбором соотношения между R₁₅ и R₁₄ можно добиться реализации необходимых значений Q и K₀.

Если выполнить приведенные на чертеже фиг.3 параметрические условия (I₃=I₈=I₀, I₅=2I₀, I₁₂=(1+m)I₀), а также реализовать соотношения R₁₄>>h_11.1≈h_11.7, α₁=α₁₇=α₇≈1, τ₁=τ₂, то

Следовательно, выбором числа эмиттеров транзистора 17 (m) можно дискретно изменять параметрические juhfybxtybz на сопротивления резисторов 14 и 15 (R₁₄, R₁₅) связанные с реализацией требуемых значений Q и K₀.

Реализация ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) позволяет с одной стороны обеспечить необходимые условия по стабильности статического режима ИУ, а с другой - реализовать ИУ с f_o=1-5 ГГц, в котором численные значения дополнительного резистора 15 лежат в пределах сотен Ом.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5, фиг.6.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления. K₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

Литература

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 WO/2006/077525.

4. Патент US 4267518, fig.6.

5. Патент RU 2101850, fig.1.

6. Патент WO/2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951, fig.3.

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

9. Патент WO/03052925 A1, fig.3

10. Патент US 6011431, fig.4.

11. Патент US 5331478, fig.3.

12. Патент US 4885548, fig.9.

13. Патент US 4974916, fig.1.

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

15. Патент US 5298802.

16. Патент US 2009/0261899, fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент EP 1844547.

19. Патент UA 17276.

20. Патент US 2009/0289714, fig.4.

21. Патент US 7202762.

22. Патент US 6188272.

23. Патент US 5847605.

24. Патент US 7116961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388, fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951, fig.2.

27. Патент US 5012201, fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437, fig.2.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана со входом (2) устройства, эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, а коллектор через второй (5) токостабилизирующий двухполюсник связан второй (6) шиной источника питания, второй (7) входной транзистор, коллектор которого связан со второй (6) шиной источника питания, а эмиттер через третий (8) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, первый (9) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (1) и второго (7) входных транзисторов, отличающийся тем, что коллектор первого (1) входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала (10), общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства (11), базой второго (7) входного транзистора и через четвертый (12) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, причем между выходом устройства (11) и общей шиной источников питания включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор, а последовательно с первым (9) корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор (14).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что выход устройства (11) связан с общей шиной источников питания через второй (15) дополнительный резистор, а в качестве четвертого (12) токостабилизирующего двухполюсника используется источник опорного тока с высоким выходным сопротивлением.