Избирательный усилитель
Владельцы патента RU 2475937:
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 источник сигнала (1), связанный со входом устройства (2), первый (3) входной транзистор, эмиттер которого через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй (6) шине источника питания, второй (7) входной транзистор, база которого соединена со входом устройства (2), коллектор связан со второй (6) шиной источника питания через первый (8) частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства (9). Между эмиттером второго (7) входного транзистора и первым выводом второго (10) токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход (12), первый вывод второго (10) токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого (3) входного транзистора через последовательно соединенные первый (11) корректирующий конденсатор и второй (13) частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора (14), коллектор которого подключен ко второй (6) шине источника питания, а эмиттер через третий (15) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (5) шиной источника питания и связан с эмиттером второго (7) входного транзистора через разделительный конденсатор (16), причем выход устройства (9) соединен с базой первого (3) входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым (17) корректирующим конденсатором. 7 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 (ИУ) 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 актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f0=1÷5 ГГц.
Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе биполярных 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 входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4267518, fig.6. Он содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению K0>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 f0=1÷5 ГГц.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером второго 7 входного транзистора и первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход 12, первый вывод второго 10 токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора 14, коллектор которого подключен ко второй 6 шине источника питания, а эмиттер через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания и связан с эмиттером второго 7 входного транзистора через разделительный конденсатор 16, причем выход устройства 9 соединен с базой первого 3 входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым 17 корректирующим конденсатором.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На фиг.4 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в укрупненном масштабе, а на фиг.5 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению в более мелком масштабе.
На фиг.6 показана схема ИУ в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для f0≈1 МГц.
На фиг.7 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.6.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11. Между эмиттером второго 7 входного транзистора и первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход 12, первый вывод второго 10 токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора 14, коллектор которого подключен ко второй 6 шине источника питания, а эмиттер через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания и связан с эмиттером второго 7 входного транзистора через разделительный конденсатор 16, причем выход устройства 9 соединен с базой первого 3 входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым 17 корректирующим конденсатором.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению Ky(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью известных методов анализа электронных схем:
где f - частота сигнала;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0;
f0 - частота квазирезонанса.
Причем
где C11, C17 - емкости конденсаторов 11 и 17;
- 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.
KiΣ≈2α7 - коэффициент усиления схемы по току iR. (7)
Если выбрать τ1=τ2, R8=R13+h11.3+2h11.7, то уравнения для Q (6) и K0 (5) существенно упрощаются:
Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов получить заданные значения Q (8) и K0 (9).
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5, фиг.7.
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., K.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/03052925A1, 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.
14. Патентная заявка US 2008/0122530, fig.4.
15. Патент US 5298802.
16. Патент US 2009/0261899, fig.3.
17. Патент CN 101204009.
18. Патент ЕР 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.
Избирательный усилитель, содержащий источник сигнала (1), связанный со входом устройства (2), первый (3) входной транзистор, эмиттер которого через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй (6) шине источника питания, второй (7) входной транзистор, база которого соединена со входом устройства (2), коллектор связан со второй (6) шиной источника питания через первый (8) частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства (9), а эмиттер связан с первым выводом второго (10) токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой (5) шине источника питания, первый корректирующий конденсатор (11), отличающийся тем, что между эмиттером второго (7) входного транзистора и первым выводом второго (10) токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход (12), первый вывод второго (10) токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого (3) входного транзистора через последовательно соединенные первый (11) корректирующий конденсатор и второй (13) частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора (14), коллектор которого подключен ко второй (6) шине источника питания, а эмиттер через третий (15) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (5) шиной источника питания и связан с эмиттером второго (7) входного транзистора через разделительный конденсатор (16), причем выход устройства (9) соединен с базой первого (3) входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым (17) корректирующим конденсатором.
