Избирательный усилитель
Владельцы патента RU 2475944:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является уменьшение энергопотребления усилителя за счет повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Избирательный усилитель содержит источник входного напряжения (1), соединенный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (2) и второго (5) входных транзисторов, при этом коллектор первого (2) входного транзистора соединен с выходом устройства (9) через дополнительный прямосмещенный р-n переход (11) и подключен по переменному току к базе второго (5) входного транзистора, между выходом устройства (9) и эмиттером второго (5) входного транзистора включен разделительный конденсатор (12), а выход устройства (9) зашунтирован по переменному току вторым (13) частотозадающим резистором. 2 з.п. ф-лы, 6 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 большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи 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 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 4.267.518, fig.6. Он содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов.
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 источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. Схема на фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На фиг.5 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в укрупненном масштабе, а на фиг.6 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению в более мелком масштабе.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов. Коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения последовательно с первым 10 частотозадающим конденсатором включен второй 14 частотозадающий резистор.
Кроме этого, на фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения второй 5 входной транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в m1 - раз больше, чем площадь эмиттерного перехода дополнительного прямосмещенного р-n перехода 11, реализуемого, как правило, на транзисторе.
Емкость конденсатора 12 выбирается такой, чтобы в рабочем диапазоне частот ИУ он не оказывал существенного влияния на работу схемы.
Рассмотрим работу ИУ, фиг.3.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению Ky(jf) избирательного усилителя, фиг.3, 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 C13, С10 - емкость конденсаторов 13 и 10;
- входное сопротивление 1-го транзистора в схеме с общей базой;
φT≈25 мВ - температурный потенциал;
Lэi - статический ток эмиттера i-го транзистора;
αi<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора;
m1 - число параллельно включенных транзисторов 5 (или отношение площадей эмиттерных переходов транзисторов 5 и 11).
Если выбрать τ1=τ2, R8=R14+h11.2+h11.5, то уравнения для Q (6) и К0 (5) существенно упрощаются:
Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (8), получить заданные значения Q и К0 (9).
Данные теоретические выводы подтверждают графики на фиг.5, фиг.6.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ 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. - P.50-53.
2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко П.П., 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 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 ЕР 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 источник входного напряжения (1), соединенный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (2) и второго (5) входных транзисторов, отличающийся тем, что коллектор первого (2) входного транзистора соединен с выходом устройства (9) через дополнительный прямосмещенный р-n переход (11) и подключен по переменному току к базе второго (5) входного транзистора, между выходом устройства (9) и эмиттером второго (5) входного транзистора включен разделительный конденсатор (12), а выход устройства (9) зашунтирован по переменному току вторым (13) частотозадающим резистором.
2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) частотозадающим конденсатором включен второй (14) частотозадающий резистор.
3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что второй (5) входной транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в m1 раз больше, чем площадь эмиттерного перехода дополнительного прямосмещенного р-n перехода (11).
