Избирательный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя (Q) и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит источник сигнала, связанный со входом устройства, первый входной транзистор, первый токостабилизирующий двухполюсник, первую шину источника питания, вторую шину источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, первый резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства, первый корректирующий конденсатор, токовое зеркало, второй корректирующий конденсатор и частотно-задающий резистор. 1 з.п. ф-лы, 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 (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=f_в-f_н [3-28]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется 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 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор.

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 (Q) и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление ИУ и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с 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 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - что второй 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между второй 6 шиной источника питания и входом первого 11 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен ко входу устройства 2 и источнику сигнала 1, токовый выход соединен со входом второго 12 токового зеркала, согласованного по общему эмиттерному выходу со второй 6 шиной источника питания, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, включенный между выходом устройства 9 и первой 5 шиной источника питания, второй 13 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 8 резистору коллекторной нагрузки, причем выход 9 устройства связан с базой первого 3 входного транзистора, а последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором, включенным между эмиттером первого 3 входного транзистора и входом первого 11 токового зеркала, включен частотно-задающий резистор 14.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения для случая, когда вход устройства 2 согласован с первой 5 шиной источника питания.

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением первого 11 и второго 12 токовых зеркал.

На фиг.4 представлена схема ИУ по п.2 формулы изобретения, в котором между источником сигнала 1 и входом 2 устройства включен дополнительный эмиттерный повторитель на входном транзисторе 15 и токостабилизирующем двухполюснике 16.

На фиг.5 приведена схема ИУ фиг.4 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npnVs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.max=6 мА), а на фиг.6 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при разных значениях коэффициента передачи по току второго 12 токового зеркала K_i=K_i12=1÷1,5.

На фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.5 в более мелком масштабе.

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 первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор. Второй 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между второй 6 шиной источника питания и входом первого 11 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен ко входу устройства 2 и источнику сигнала 1, токовый выход соединен со входом второго 12 токового зеркала, согласованного по общему эмиттерному выходу со второй 6 шиной источника питания, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, включенный между выходом устройства 9 и первой 5 шиной источника питания, второй 13 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 8 резистору коллекторной нагрузки, причем выход 9 устройства связан с базой первого 3 входного транзистора, а последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором, включенным между эмиттером первого 3 входного транзистора и входом первого 11 токового зеркала, включен частотно-задающий резистор 14. В данной схеме вход устройства 2 согласован с первой 5 шиной источника питания.

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением первого 11 и второго 12 токовых зеркал, которые реализованы на основе классических решений на основе р-n перехода 17 и транзистора 16.

На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между источником сигнала 1 и входом 2 устройства включен дополнительный эмиттерный повторитель, содержащий входной транзистор 15 и токостабилизирующий двухполюсник 16.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала u_вх (1) через локальный коэффициент передачи К_у первого 11 токового зеркала изменяет входной ток i₁₁=i_R первого 11 токового зеркала, причем характер проводимости его входной цепи (частотно-задающий резистор 14 и первый 10 корректирующий конденсатор) обеспечивает увеличение этого тока с ростом частоты f входного сигнала. Первое 11 и второе 12 токовые зеркала масштабно преобразуют этот ток в выходной ток i₁₂ цепи нагрузки ИУ. Комплексный характер этой нагрузки (первый 8 резистор коллекторной нагрузки и второй 13 корректирующий конденсатор) обеспечивает необходимую частотную зависимость выходного напряжения (выход устройства 9) ИУ, поэтому совокупность частотной зависимости входного тока i₁₁=i_R и выходного напряжения ИУ обеспечивают необходимый (резонансный) вид его амплитудно-частотной характеристики, которая имеет максимум на частоте квазирезонанса f₀. Соединение базы первого 3 входного транзистора с выходом устройства 9 приводит к изменению напряжения его эмиттера и вследствие комплексности проводимости эмиттерной цепи - к дополнительному изменению входного тока i₁₁=i_R первого 11 токового зеркала, который и изменяет синфазный ток i₁₂ цепи нагрузки ИУ. Глубина этой обратной связи максимальна на частоте квазирезонанса (f₀), и, следовательно, ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента передачи К₀. Причем эта глубина непосредственно определяется коэффициентами передачи токовых зеркал 11 и 12 без изменения f₀.

Покажем аналитически, что более высокие значения К₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁=C₁₀(R₁₄+h_11.3+r₁₁);

τ₂=R₈C₁₃,

на частоте квазирезонанса f₀,

где r₁₁ - входное сопротивление токового зеркала 11; K_i11, K_i12 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 11 и 12; h_11.3 - входное дифференциальное сопротивление (h-параметр) первого 3 входного транзистора в схеме с общей базой.

Анализ соотношений (2)-(4) показывает, что коэффициенты передачи по току К_i11 и K_i12 независимо от соотношений частотозадающих резисторов R₁₄ и R₈ определяют численные значения добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ. При этом частота квазирезонанса f₀ остается неизменной.

Показанный на фиг.3 вариант реализации ИУ характеризуется простейшими токовыми зеркалами 11 и 12. В этом случае

где r_d17 - дифференциальное сопротивление р-n перехода 17.

Поэтому параметры ИУ (3), (4) будут определяться из следующих соотношений:

Изменение принципа реализации ИУ фиг.4 в первую очередь осуществлено с целью согласования его входной цепи с источником входного сигнала 1, повышения уровня его максимального входного напряжения. С этой целью, как показано на фиг.4, используется дополнительный повторитель напряжения на базе транзистора 15 и источника тока 16. В этом случае вход ИУ имеет потенциальное управление, а дополнительные свойства входной цепи следуют из соотношений:

где φ_T=kT/q - температурный потенциал эмиттерных переходов транзисторов 15 и 16, К_у - коэффициент усиления дополнительного повторителя напряжения на транзисторе 15.

Таким образом, варианты реализации заявляемой структуры ИУ (фиг.3 и 4) обеспечивают решение задачи повышения добротности Q и коэффициента усиления К₀ с учетом частных особенностей данных схем.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6 и 7.

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/03052925 A1 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 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) токостабилизирующий двухполюсник, первый (8) резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства (9), первый (10) корректирующий конденсатор, отличающийся тем, что второй (7) токостабилизирующий двухполюсник включен между второй (6) шиной источника питания и входом первого (11) токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен ко входу устройства (2) и источнику сигнала (1), токовый выход соединен со входом второго (12) токового зеркала, согласованного по общему эмиттерному выходу со второй (6) шиной источника питания, первый (8) резистор коллекторной нагрузки, включенный между выходом устройства (9) и первой (5) шиной источника питания, второй (13) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому (8) резистору коллекторной нагрузки, причем выход (9) устройства связан с базой первого (3) входного транзистора, а последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором, включенным между эмиттером первого (3) входного транзистора и входом первого (11) токового зеркала, включен частотно-задающий резистор (14).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между источником сигнала (1) и входом (2) устройства включен дополнительный эмиттерный повторитель, содержащий входной транзистор (15) и токостабилизирующий двухполюсник (16).