Управляемый избирательный усилитель



Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель
Управляемый избирательный усилитель

 


Владельцы патента RU 2475949:

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 и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления систем на кристалле за счет создания высококачественного управляемого избирательного устройства с f0=1÷5 ГГц. Управляемый избирательный усилитель дополнительно содержит второй (8) источник опорного тока, выполненный в виде каскада усиления тока по схеме с общей базой, вход которого (16) связан с источником входного сигнала (1) через первый (13) частотозадающий конденсатор, при этом базы первого (2) и второго (7) входных транзисторов связаны с общей шиной источников питания (17), коллектор второго (7) входного транзистора связан с общей шиной источников питания (17) через последовательно соединенные второй (14) и третий (15) частотозадающие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства (18) и через дополнительный частотозадающий резистор (19) связан с эмиттером второго (7) входного транзистора. 1 з.п. ф-лы, 9 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 основных и вспомогательных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с высокой добротностью резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении и минимально возможном числе транзисторов.

Известны избирательные усилители, реализованные на основе так называемых схем Гильберта [3-15], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется первой группой корректирующих конденсаторов, а нижняя определяется второй группой корректирующих конденсаторов [7, 11-14].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг.1, представленный в патентной заявке US 2009/0058466, fig.3. Он содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через согласующий резистор 6, второй 7 входной транзистор, эмиттер которого через второй 8 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 11 входного транзистора и через третий 12 источник опорного тока соединен с первой 4 шиной источника питания, база третьего 10 входного транзистора соединена с эмиттером первого 2 входного транзистора, а его коллектор подключен к коллектору второго 7 входного транзистора, база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 7 входного транзистора, а его коллектор соединен с коллектором первого 2 входного трнанзистора, первый 13, второй 14 и третий 15 частотозадающие конденсаторы.

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

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0, а также создании условий для электронного управления величинами K0, Q при f=const. Это позволяет уменьшить общее энергопотребление систем на кристалле и реализовать высококачественное управляемое избирательное устройство с f0=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в управляемом избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через согласующий резистор 6, второй 7 входной транзистор, эмиттер которого через второй 8 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 11 входного транзистора и через третий 12 источник опорного тока соединен с первой 4 шиной источника питания, база третьего 10 входного транзистора соединена с эмиттером первого 2 входного транзистора, а его коллектор подключен к коллектору второго 7 входного транзистора, база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 7 входного транзистора, а его коллектор соединен с коллектором первого 2 входного трнанзистора, первый 13, второй 14 и третий 15 частотозадающие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи - второй 8 источник опорного тока выполнен в виде каскада усиления тока по схеме с общей базой, вход которого 16 связан с источником входного сигнала 1 через первый 13 частотозадающий конденсатор, базы первого 2 и второго 7 входных транзисторов связаны с общей шиной источников питания 17, коллектор второго 7 входного транзистора связан с общей шиной источников питания 17 через последовательно соединенные второй 14 и третий 15 частотозадающие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 18 и через дополнительный частотозадающий резистор 19 связан с эмиттером второго 7 входного транзистора.

Схема избирательного усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 показана схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов по технологии SGB25VD.

На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента усиления и фазочастотная характеристика ИУ фиг.3 с двумя входами (R2=750 Ом, Ivar=2 мА, С=300 фФ).

На фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 от величины управляющего тока Ivar 2÷3,8 мА (, R2=750 Ом, Ivar=2 мА, C=300 фФ).

На фиг.6 показана зависимость добротности АЧХ ИУ фиг.3 от значения тока Ivar 2÷6 мА.

На фиг.7 приведена схема ИУ в среде Cadance для одного входа (uвх.2=0, uвх.1≠0).

На фиг.8 показана частотная зависимость коэффициента усиления и фазохарактеристика ИУ фиг.7 при uвх2=0, R2=750 Ом, Ivar=2 мА, С=300 фФ.

На фиг.9 приведена зависимость коэффициента усиления ИУ фиг.7 от тока управления при Ivar=2÷5 мА (uвх.2=0, R2=750 Ом, С=300 фФ).

Управляемый избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, эмиттер которого через первый 3 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через согласующий резистор 6, второй 7 входной транзистор, эмиттер которого через второй 8 источник опорного тока связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 5 шине источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 11 входного транзистора и через третий 12 источник опорного тока соединен с первой 4 шиной источника питания, база третьего 10 входного транзистора соединена с эмиттером первого 2 входного транзистора, а его коллектор подключен к коллектору второго 7 входного транзистора, база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 7 входного транзистора, а его коллектор соединен с коллектором первого 2 входного трнанзистора, первый 13, второй 14 и третий 15 частотозадающие конденсаторы. Второй 8 источник опорного тока выполнен в виде каскада усиления тока по схеме с общей базой, вход которого 16 связан с источником входного сигнала 1 через первый 13 частотозадающий конденсатор, базы первого 2 и второго 7 входных транзисторов связаны с общей шиной источников питания 17, коллектор второго 7 входного транзистора связан с общей шиной источников питания 17 через последовательно соединенные второй 14 и третий 15 частотозадающие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 18 и через дополнительный частотозадающий резистор 19 связан с эмиттером второго 7 входного транзистора.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 3 источник опорного тока реализован в виде каскада с общей базой, вход которого 20 связан со вторым источником сигнала 21 через дополнительный корректирующий конденсатор 22. Кроме этого источники опорного тока 8 и 3 реализованы соотвтетственно на транзисторах 23 (25) и резисторах 24 (26). Напряжение на базах транзисторов 23 и 25 устанавливается источником напряжения 27. К выходу устройства 18 может подключаться буферный усилитель 28, выход 29 которого связан с низкоомной нагрузкой.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Входной сигнал uвх (1) изменяет через дифференцирующую входную цепь (конденсатор 13 и резистор 24) ток эмиттера транзистора 23 и, следовательно, базовый, эмиттерный и коллекторный токи транзисторов 7, 11, 10. Характер нагрузки коллекторной цепи транзисторов 7 и 10, состоящей из резистора 9, емкостного делителя тока, образованного конденсаторами 14 и 15, формирующего реактивную составляющую тока в резисторе 19, обеспечивает реализацию на входе выходного буферного усилителя 28 полосно-пропускающей амплитудно-частотной характеристики, характерной для избирательного усилителя. Передача части упомянутого тока в эмиттерную цепь транзистора 7, посредством подключения резистора 19 к упомянутому эмиттеру, образует в схеме основную и дополнительную обратные связи (транзисторы 7, 11 и 10). Изменение тока эмиттера транзистора 7 и тока базы транзистора 11 в силу его взаимодействия с эмиттером транзистора 10 обеспечивает масштабное изменение тока в коллекторных цепях транзисторов 10 и 11. В силу указанных выше свойств цепи нагрузки этих транзисторов характер частотных зависимостей контура обратной связи и ИУ совпадают. Именно по этой причине действие как основного, так и дополнительного контуров обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления K0 ИУ без изменения его частоты квазирезонанса f0.

Аналогичные процессы характерны и при использовании источника входного напряжения . Изменение через входную дифференцирующую цепь, образованную конденсатором 22 и резистором 26, эмиттерного тока входного транзистора 25 приводит к изменению тока базы и тока коллектора транзистора 10, связанного с упомянутой выше коллекторной нагрузкой. Именно в этом и заключается отличие цепей прямой передачи входных сигналов в частото-зависимую цепь.

Покажем аналитически, что в схеме фиг.2 реализуется более высокое значение добротности Q и коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса. Действительно, комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 определяется по формуле

При этом частота квазирезонанса схемы f0 следует из соотношения

а его добротность Q зависит от глубины вещественной обратной связи

где

усиления по току вещественной цепи обратной связи, (f=f0);

- затухание нуля (D0) и полюса (Dp) цепи нагрузки транзисторов 7 и 10;

αi, (h11)i - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой.

Выше отмечалось, что особенностью схемы является возможность реализации положительного (К0>0) и отрицательного (К0<1) коэффициентов усиления ИУ на частоте квазирезонанса. Так, при использовании Вх.1

а при использовании Вх.2

Приведенные соотношения справедливы при выполнении неравенств

и показывают возможность обработки не только дифференциальных, но и синфазных сигналов. Так, при коэффициент усиления схемы

достигает значительных величин (при обеспечении идентичных режимов работы транзисторов 23 и 25) и определяется реализуемой добротностью Q.

Второй отличительной особенностью схемы является возможность функциональной настройки ИУ. Как видно из соотношения (2), необходимое значение f0 можно скорректировать изменением эмиттерного тока (Iэ7) транзистора 7. Действительно,

поэтому либо изменением напряжения (Ес) (27), либо реализацией резистора 24 в виде управляемого источника тока Iэ7 можно при выборе параметрического условия R19~h11.7 реализовать требуемое значение f0. Соотношения (4)-(3) показывают, что изменением режима работы транзисторов 10 и 11 можно обеспечить необходимое значение Ki и, следовательно, заданное значение добротности Q при сохранении частоты квазирезонанса f0. Действительно,

где I12 - ток третьего (12) режимно-задающего источника тока.

Важным свойством схемы ИУ является возможность реализации низкой параметрической чувствительности его добротности. Так, при C14=C15, Ki=1 получим

Следовательно, реализация любого численного значения Q и К0 не требует выполнения жестких условий к стабильности емкости конденсаторов 14 и 15. В этом случае конденсаторы 14 и 15 (C14, С15) можно использовать для практически неитерационной подстройки f0.

Условия реализации Q (3) и K0 (4) можно использовать и для выполнения технологического принципа равнономинальности резистивных и емкостных элементов схемы ИУ. Действительно, при C=C14=C15; R=R13=R17>>h11.6

В этом случае возможна реализация необходимых значений основных параметров ИУ путем выбора соотношения между токами I12 и Iэ23.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.8, фиг.9.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями добротности и коэффициента усиления по напряжению.

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 US 4.390.848.

4. Патент EP 0.058.448.

5. Патент JP 54-3430898 (5) А21.

6. Патент US 3.931.583 fig.7.

7. Патент US 6.529.075 fig.1.

8. Патент US 4.779.057 fig.1.

9. Патент US 4.322.688.

10. Патент JP 2004/88498 A fig.1.

11. Патент US 4.048.577 fig.2.

12. Патент US 4.277.756.

13. Патент UK 2.013.444 H3T.

14. Патент WO 2009/029284.

15. Волгин Л.И. Синтез и схемотехника аналоговых электронных средств в элементном базисе усилителей и повторителей тока / Л.И.Волгин, А.И.Зарукин; под общ. ред. Л.И.Волгина. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - С.35, рис.29а.

1. Управлемый избирательный усилитель, содержащий источник входного сигнала (1), первый (2) входной транзистор, эмиттер которого через первый (3) источник опорного тока связан с первой (4) шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй (5) шине источника питания через согласующий резистор (6), второй (7) входной транзистор, эмиттер которого через второй (8) источник опорного тока связан с первой (4) шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй (5) шине источника питания через первый (9) частотозадающий резистор, третий (10) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого (11) входного транзистора и через третий (12) источник опорного тока соединен с первой (4) шиной источника питания, база третьего (10) входного транзистора соединена с эмиттером первого (2) входного транзистора, а его коллектор подключен к коллектору второго (7) входного транзистора, база четвертого (11) входного транзистора соединена с эмиттером второго (7) входного транзистора, а его коллектор соединен с коллектором первого (2) входного транзистора, первый (13), второй (14) и третий (15) частотозадающие конденсаторы, отличающийся тем, что второй (8) источник опорного тока выполнен в виде каскада усиления тока по схеме с общей базой, вход которого (16) связан с источником входного сигнала (1) через первый (13) частотозадающий конденсатор, базы первого (2) и второго (7) входных транзисторов связаны с общей шиной источников питания (17), коллектор второго (7) входного транзистора связан с общей шиной источников питания (17) через последовательно соединенные второй (14) и третий (15) частотозадающие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства (18) и через дополнительный частотозадающий резистор (19) связан с эмиттером второго (7) входного транзистора.

2. Управлемый избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (3) источник опорного тока реализован в виде каскада с общей базой, вход которого (20) связан со вторым источником сигнала (21) через дополнительный корректирующий конденсатор (22).



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Изобретение относится к области радиотехники. .

Изобретение относится к области радиотехники. .

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 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 вычислительной технике. .

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации

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

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 дифференциальному усилительному устройству и, более конкретно, к коррекции напряжения смещения дифференциального усилительного устройства

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации
Наверх