Избирательный усилитель
Владельцы патента RU 2474039:
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. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Избирательный усилитель, содержит первый (1) входной транзистор, источник входного сигнала (2), первый (3) токостабилизирующий двухполюсник, первую (4) шину источника питания, второй (5) входной транзистор, первое токовое зеркало (6), вторую (7) шину источника питания, второе (8) токовое зеркало, третье (9) токовое зеркало, выход устройства (10), второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, первый частотно-задающий резистор (12) и первый корректирующий конденсатор (13), второй (14) частотно-задающий резистор и второй (15) корректирующий конденсатор. 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 (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 трех-четырех 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 3-5 транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн [3-10]. 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 5.371.476. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10.
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÷5 ГГц.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.1 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.
На фиг.4 показана зависимость коэффициента передачи по напряжению от частоты ИУ фиг.3 при емкостях конденсатора 13 (15) C13=C15=C=200 fF и R12=R14=R=700 Ом, а на совмещенном чертеже фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.3.
На фиг.6 представлена зависимость коэффициента передачи по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.3 от частоты при других параметрах элементов схемы фиг.3 (C=600 fF, R=220 Ом).
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10. Эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току Ki первого 6 и второго 8 токовых зеркал идентичны и имеют одинаковые значения в диапазоне Кi=1÷2, а коэффициент передачи по току третьего 9 токового зеркала всегда близок к единице.
В качестве токовых зеркал 6, 8, 9 может применяться широкий спектр классических решений, описанных в технической литературе.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению Ky(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
где f - частота сигнала;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
К0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0;
f0 - частота квазирезонанса.
Причем
где C13, C15 - емкость конденсаторов 13 и 15;
- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;
φт≈25 мВ - температурный потенциал;
Iэi - статический ток эмиттера i-го транзистора;
αi<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.
Если выбрать τ1=τ2, R14=R12+h11.1+h11.5 то уравнения для Q (6) и K0 (5) существенно упрощаются:
Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (7), получить заданные значения Q (8) и К0 (9).
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4-6.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q1, 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. акад. РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.
3. Операционный усилитель 1427УД1 (NE5517) // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.225.
4. Операционный усилитель СФ3078 // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.106.
5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М.: Мир, 1991. - Операционный усилитель LM13600, рис.8.2.1.
6. Патент US 5.371.476.
7. Патент US 3.982.197.
8. Патент US 4.799.026.
9. Патент US 6.750.714.
10. Патент US 4.241.315 fig.4.
1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой (4) шине источника питания, второй (5) входной транзистор, первое токовое зеркало (6), согласованное со второй (7) шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, второе (8) токовое зеркало, согласованное со второй (7) шиной источника питания, вход которого соединен со вторым (5) входным транзистором, третье (9) токовое зеркало, согласованное с первой (4) шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого (6) токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго (8) токового зеркала и выходом устройства (10), отличающийся тем, что эмиттер второго (5) входного транзистора через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, между эмиттерами первого (1) и второго (5) входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор (12) и первый корректирующий конденсатор (13), база второго (5) входного транзистора соединена с выходом устройства (10), причем между общей шиной источников питания и выходом (10) устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй (14) частотно-задающий резистор и второй (15) корректирующий конденсатор.
2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициент передачи по току Кi первого (6) и второго (8) токовых зеркал идентичны и имеют одинаковые значения в диапазоне Кi=1÷2, а коэффициент передачи по току третьего (9) токового зеркала всегда близок к единице.
