Избирательный усилитель

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель, содержащий первый входной транзистор, база которого связана с источником сигнала, коллектор подключен к выходу устройства и через первый резистор соединен с первой шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник связан со второй шиной источника питания, второй входной транзистор, эмиттер которого через второй токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания и через первый корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого входного транзистора, а коллектор связан с первой шиной источника питания, причем последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор, база второго входного транзистора соединена с коллектором первого входного транзистора, а параллельно первому резистору включен по переменному току второй корректирующий конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

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 транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей на двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению 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 4.267.518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания.

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

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÷5ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, а параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор.

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 в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 приведена схема ИУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (SiGe: npn Vs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.mах = 6 мА), а на фиг.6 - логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики при разных коллекторных токах транзистора Q5 (I=I_к5=0,5÷1,2 мА).

На фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.5 при разных токах I_к5=0,5÷1,2 мА (увеличенный масштаб), а на фиг.8 - логарифмические амплитудно-фазочастотные характеристики при тех же токах коллектора I=I_к5=0,5÷1,2 мА (мелкий масштаб).

На фиг.9 показана схема ИУ с емкостным входом 17, а на фиг.10 - среднечастотный вариант ИУ фиг.9 с емкостным входом фиг.10 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.11 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.10 с емкостным входом (увеличенный масштаб).

На фиг.12 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (SiGe: npn Vs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.mах = 6 мА), а на фиг.13 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.12 при разных значениях числа дополнительных параллельно включенных двухполюсников (RC-цепей) 11.1, 10.1, 11.2, 10.2 (N=1 и N=2) (фиг.3).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания. Последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, а параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между эмиттерами первого 1 и второго 8 входных транзисторов включены параллельно N дополнительных корректирующих двухполюсников 11.1, 10.1; 11.2, 10.2; 11.N, 10 N, каждый из которых содержит последовательно соединенные вспомогательные конденсаторы 10.i и вспомогательные резисторы 11.i.

На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введены третий 13 и четвертый 14 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны со второй 7 шиной источника питания через соответствующие третий 15 и четвертый 16 дополнительные двухполюсники, базы соединены с соответствующими базами первого 1 и второго 8 входных транзисторов, коллекторы подключены к соответствующим коллекторам первого 1 и второго 8 входных транзисторов, причем между эмиттерами третьего 13 и четвертого 14 входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный конденсатор 17 и дополнительный резистор 18.

В схеме фиг.9, в которой используется емкостной вход, введен дополнительный буферный усилитель, который реализован на транзисторе 13, p-n переходе 14 и токостабилизирующем двухполюснике 15. Статический режим по напряжению на базе входного транзистора 1 устанавливается резистором 16. Конденсатор 17 обеспечивает передачу переменного сигнала от источника 2 на базу входного транзистора 1.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Входной сигнал u_вx (2) через базовую цепь транзистора 1 преобразуется цепью коллектора транзистора 1 в выходное напряжение u_y, причем комплексный характер проводимостей цепи эмиттера, обусловленный резистором 11 и конденсатором 10, а также цепью коллектора, образованной резистором 4 и конденсатором 12 (или 12'), обеспечивают полосно-пропускающий вид амплитудно-частотной характеристики устройства. Посредством контура реактивной обратной связи, образованного транзистором 8, база которого подключена к выходу 3 ИУ, а эмиттер - к комплексной проводимости (резистор 11 и конденсатор 10), обеспечивается обратно пропорциональное текущей частоте увеличение глубины обратной связи в схеме фиг.2, которая параметрически максимизируется на частоте квазирезонанса f₀ (полюса) устройства. В то же время емкостный характер нагрузки транзистора 1 (конденсаторы 12 или 12') обеспечивает уменьшение глубины этой обратной связи на частотах входного сигнала, превышающих частоту квазирезонанса f₀. Указанные особенности функционирования контура обратной связи и цепи прямой передачи входного сигнала сохраняют неизменной частоту квазирезонанса при любой глубине этой обратной связи.

Покажем аналитически, что более высокие значения коэффициента усиления К₀ и добротности Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле

где

τ₂=C₁₂R₄.

В схемах ИУ фиг.3 и фиг.4, которые являются дальнейшим развитием схемы фиг.2, для увеличения предельно реализуемой добротности Q и коэффициента усиления ИУ используются наборы комплексных проводимостей в цепях эмиттеров биполярных транзисторов. Причем в схеме фиг.3 используется параллельное подключение идентичных резисторов 11.1-11.3 и конденсаторов 10.1-10.3, действие которых направлено на увеличение глубины обратной связи в окрестности частоты квазирезонанса f₀.

В схеме фиг.4 аналогичный эффект достигается использованием многоколлекторных и многоэмиттерных транзисторов с индивидуальными источниками тока (6, 9, 15, 16), которые попарно объединяются посредством автономных RC-цепей (10, 11; 17, 18).

С учетом оговоренных выше параметрических условий коэффициент усиления по напряжению (К₀) и добротность Q более совершенных схем избирательного усилителя фиг.3 и фиг.4 определяются по формулам

при сохранении неизменной частоты квазирезонанса (2).

Сравнение (3), (4), (5), (6) и (11) показывает, что введение в схему в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения дополнительных комплексных проводимостей, образованных последовательным соединением резистора и конденсатора, приводит к увеличению добротности и коэффициента усиления ИУ, т.е. повышению его селективности.

В схеме ИУ фиг.9 (фиг.10) используется емкостная связь источника сигнала с базой транзистора 1, что создает ряд дополнительных преимуществ данного ИУ в сравнении с ранее рассмотренными схемами, обусловленными наличием разделительного конденсатора 17.

Представленные выше теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.11, фиг.13.

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

Источники информации

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 4.267.518, 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 6.011.431 fig.4.

11. Патент US 5.331.478 fig.3.

12. Патент US 4.885.548 fig.9.

13. Патент US 4.974.916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент СN 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UА 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7.202.762.

22. Патент US 6.188.272.

23. Патент US 5.847.605.

24. Патент US 7.116.961.

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

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

27. Патент 5.012.201 fig.2.

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

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с источником сигнала (2), коллектор подключен к выходу устройства (3) и через первый резистор (4) соединен с первой (5) шиной источника питания, а эмиттер через первый (6) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (7) шиной источника питания, второй (8) входной транзистор, эмиттер которого через второй (9) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (7) шиной источника питания и через первый (10) корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого (1) входного транзистора, а коллектор связан с первой (5) шиной источника питания, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен первый (11) дополнительный резистор, база второго (8) входного транзистора соединена с коллектором первого (1) входного транзистора, а параллельно первому (4) резистору включен по переменному току второй (12) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между эмиттерами первого (1) и второго (8) входных транзисторов включены параллельно N дополнительных корректирующих двухполюсников, каждый из которых содержит последовательно соединенные вспомогательные конденсаторы и вспомогательные резисторы.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в схему введены третий (13) и четвертый (14) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны со второй (7) шиной источника питания через соответствующие третий (15) и четвертый (16) дополнительные двухполюсники, базы соединены с соответствующими базами первого (1) и второго (8) входных транзисторов, коллекторы подключены к соответствующим коллекторам первого (1) и второго (8) входных транзисторов, причем между эмиттерами третьего (13) и четвертого (14) входных транзисторов включены последовательно соединенные дополнительный конденсатор (17) и дополнительный резистор (18).