Избирательный усилитель



Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель
Избирательный усилитель

 


Владельцы патента RU 2468505:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит первый (1) входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго (5) входного транзистора. База второго (5) входного транзистора связана по переменному току с выходом (9) устройства, второй вывод первого (10) корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора (11), эмиттер дополнительного транзистора (11) соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора (11) включен дополнительный p-n-переход (12), выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора (11) подключен источник опорного тока (14). 2 з.п. ф-лы, 8 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 ИУ 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 транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн [3-28]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4.267.518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 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÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 5 входного транзистора связана по переменному току с выходом 9 устройства, второй вывод первого 10 корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора 11, эмиттер дополнительного транзистора 11 соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора 11 включен дополнительный р-n-переход 12, выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора 11 подключен источник опорного тока 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 в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 представлена схема ИУ фиг.2, в котором источник сигнала 2 для ИУ содержит дополнительный эмиттерный повторитель на транзисторе 16 и источнике тока 17.

На фиг.5 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npnVs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD), а на фиг.6 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при изменении числа m параллельно-включенных биполярных транзисторов Q17, Q20, Q21 (m=1, m=2, m=3), образующих дополнительный транзистор 11 (фиг.2, фиг.3).

На фиг.7 и фиг.8 в более мелком масштабе показаны логарифмические амплитудно- (фиг.7) и фазо-частотные (фиг.8) характеристики ИУ фиг.5 при m=1, m=2, m=3.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора. База второго 5 входного транзистора связана по переменному току с выходом 9 устройства, второй вывод первого 10 корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора 11, эмиттер дополнительного транзистора 11 соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора 11 включен дополнительный p-n-переход 12, выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора 11 подключен источник опорного тока 14.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения дополнительный транзистор 11 выполнен в виде составного транзистора, содержащего m>1 параллельно-включенных биполярных транзисторов.

Кроме этого, на фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен второй 15 частотно-задающий резистор, что позволяет уменьшить влияние статического режима транзисторов на f0.

В схеме фиг.4 обобщенный источник сигнала 2 содержит эмиттерный повторитель на транзисторе 16 и источнике тока 17. Это обеспечивает расширение диапазона изменения выходного напряжения ИУ.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала 2 (uвх) изменяет эмиттерный и, как следствие, коллекторный токи первого 1 входного транзистора. Характер нагрузки tuj коллекторной цепи (первый 8 частотно-задающий резистор и второй 13 корректирующий конденсатор) и эмиттерная цепь, образованная многоэмиттерным дополнительным транзистором 11 и прямосмещенным дополнительным р-n-переходом 12 (его режим определяется током источника опорного тока 14) и первым 10 корректирующим конденсатором, определяют резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ. При этом частотная зависимость тока ic через конденсатор 10 определяется амплитудными и фазовыми соотношениями эквивалентной проводимости эмиттерной цепи первого 1 входного транзистора, а выходное напряжение ИУ (выход устройства 9) - нагрузкой цепи его коллектора. Подключение базы второго 5 входного транзистора к выходу устройства 9 при стабильном статическом токе второго 6 токостабилизирующего двухполюсника I6=I0 и изменение тока ic под действием выходного напряжения ИУ (в силу свойств эмиттерной цепи второго 5 и первого 1 входных транзисторов) реализует на частотах f<<f0 реактивную обратную связь, действие которой (при условии параллельного соединения на переменном токе первого 8 частотно-задающего резистора и второго 13 корректирующего конденсатора) направлено на увеличение его селективности - добротности Q и коэффициента усиления K0. Глубина этой обратной связи и возвратное отношение на частоте квазирезонанса f0 определяется числом эмиттеров (m) дополнительного транзистора 11 и током источника опорного тока 14 I14=I0, что в конечном итоге определяет добротность Q и коэффициент усиления K0.

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

Можно показать, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ1≈C10[h11.5+rd12+h11.1(1+m)];

τ2=C13R8,

φT≈25 мВ,

- коэффициент усиления на частоте f0.

После преобразований формулы (3) можно найти, что

.

Таким образом, добротность Q и коэффициент усиления на частоте f0.

где I0 - ток задающего режим источника опорного тока 14; m - число параллельно включенных эмиттерных переходов дополнительного транзистора 11; φT=kT/q - температурный потенциал; αi - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора; h11.i - дифференциальное входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.

Если τ12, R8=R15, то после преобразований (4) можно найти

где

Таким образом, в заявляемой схеме добротность Q определяется технологическим параметром m, который выбирается на этапе проектирования ИУ. Его приближенное значение

Соотношения (4), (5), (6) наглядно демонстрируют, что число эмиттерных переходов m и величина тока I0 позволяют реализовать в предлагаемой структуре ИУ заданные значения его добротности Q и коэффициента усиления K0.

Для уменьшения влияния тока I0 на частоту квазирезонанса f0 (полюса) ИУ в эмиттерную цепь второго 5 входного транзистора последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором необходимо включить второй 15 частотно-задающий резистор (фиг.3). В этом случае

Поэтому параметрическая чувствительность f0 к изменения тока I0

может минимизироваться (или контролироваться) выбором численного значения сопротивления частотно-задающего резистора 15 (R15). Именно поэтому схема фиг.3 (при определенном сочетании реализуемых параметров Q, f0 и К0) дополняет схему ИУ фиг.2.

При реализации незначительных добротностей (Q лежит в пределах несколько единиц) увеличение максимального выходного напряжения ИУ обеспечивается подключением к его входу дополнительного повторителя напряжения на транзисторе 16 (фиг.4). В этом случае при отсутствии нелинейных искажений в коллекторной цепи первого 1 входного транзистора максимальное значение выходного и входного напряжений

Uвых.макс≈К0Uвх.макс

Представленные на фиг.2, 3, 4 принципиальные схемы заявляемого ИУ являются взаимодополняющими при различных сочетаниях его заданных параметров (f0, Q, К0).

Полученные выше теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

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. 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/03052925A1 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 CN 101204009.

18. Патент EP 1844547.

19. Патент UA 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 US 5.012.201 fig.2.

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

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго (5) входного транзистора, отличающийся тем, что база второго (5) входного транзистора связана по переменному току с выходом (9) устройства, второй вывод первого (10) корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора (11), эмиттер дополнительного транзистора (11) соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора (11) включен дополнительный p-n переход (12), выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора (11) подключен источник опорного тока (14).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный транзистор (11) выполнен в виде составного транзистора, содержащего m>1 параллельно-включенных биполярных транзисторов.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен второй (15) частотно-задающий резистор.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, высокочастотных усилителях, фазорасщепителях, компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов телевидения, радиолокации и т.п. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации

Изобретение относится к вычислительной технике

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в усилителях различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п

Изобретение относится к области радиотехники

Изобретение относится к области радиотехники

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации
Наверх