Избирательный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Избирательный усилитель содержит источник входного напряжения (1), связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» (2), входной транзистор (3), первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, первый (7) и второй (8) частотозадающие резисторы, первый (9) корректирующий конденсатор. Коллектор входного транзистора (3) подключен к выходу преобразователя «напряжение - ток» (2) через прямосмещенный p-n переход (11) и соединен с базой дополнительного транзистора (12), эмиттер дополнительного транзистора (12) связан с первой (6) шиной источника питания через второй (13) токостабилизирующий двухполюсник и через первый (9) корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» (2), который связан со второй (10) шиной источника питания через первый (7) частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» (2) связан по переменному току с общей шиной источников питания (14) через последовательно соединенные второй (15), третий (16) корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства (17) и через второй (8) частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора (3), причем коллектор дополнительного транзистора (12) связан со второй (10) шиной источника питания. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

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

В задачах выделения высокочастотных 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 второстепенных транзисторов, образующих операционный усилитель [1, 2]. В этой связи весьма актуальной является задача построения избирательных усилителей на биполярных транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.

Известны схемы ИУ, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_a-f_н [3-11]. 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, представленный в патенте RU 2421879, фиг.2. Он содержит источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор входного транзистора 3 подключен к выходу преобразователя «напряжение - ток» 2 через прямосмещенный р-n переход 11 и соединен с базой дополнительного транзистора 12, эмиттер дополнительного транзистора 12 связан с первой 6 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 9 корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» 2, который связан со второй 10 шиной источника питания через первый 7 частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» 2 связан по переменному току с общей шиной источников питания 14 через последовательно соединенные второй 15, третий 16 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 17 и через второй 8 частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора 3, причем коллектор дополнительного транзистора 12 связан со второй 10 шиной источника питания.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 приведена схема ИУ, фиг.3, в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25H1).

На чертеже фиг.5 показаны логарифмическая амплитудно- и фазочастотная характеристики ИУ, фиг.3, в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 ГГц) при R21=310 Ом, С1=410 фФ, С2=30 пФ.

На чертеже фиг.6 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ, фиг.3, в более узком диапазоне частот (от 100 МГц до 10 ГГц) при R21=310 Ом, С1=410 фФ, С2=30 пФ.

Чертеж фиг.7 иллюстрирует зависимость добротности Q и частоты f₀ ИУ, фиг.3, от сопротивления резистора R21.

На чертеже фиг.8 показана зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ от параметра элемента С1 в схеме ИУ, фиг.3.

На чертеже фиг.9 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ от параметра С2 ИУ, фиг.3, изменяющегося в пределах от 0 до 200 пФ.

На чертеже фиг.10 показана ЛАЧХ ИУ, фиг.3, в диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при R21-310 Ом, С1=410 фФ и трех значениях С2=0; 10 пФ; 100 пФ.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника питания. Коллектор входного транзистора 3 подключен к выходу преобразователя «напряжение - ток» 2 через прямосмещенный р-n переход 11 и соединен с базой дополнительного транзистора 12, эмиттер дополнительного транзистора 12 связан с первой 6 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 9 корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» 2, который связан со второй 10 шиной источника питания через первый 7 частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» 2 связан по переменному току с общей шиной источников питания 14 через последовательно соединенные второй 15, третий 16 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 17 и через второй 8 частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора 3, причем коллектор дополнительного транзистора 12 связан со второй 10 шиной источника питания.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор второго 12 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через вспомогательный резистор 18 и соединен с первым дополнительным выходом устройства 19.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, между выходом устройства 17 и вторым дополнительным выходом 20 включен буферный усилитель 21. В качестве преобразователя «напряжение - ток» 2 могут применяться классические усилительные каскады (ОБ, ОЭ, ДУ и т.п.)

Рассмотрим работу схемы фиг.3.

Источник входного напряжения (1) через преобразователь «напряжение - ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи транзистора 3. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 7 и 8, а также конденсаторами 15 и 16 обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 8 выходной цепи. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 15 и 16, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.

При емкости конденсатора 9 (C₉>>C₁₅, C₉>>C₁₆) комплексный коэффициент передачи ИУ, фиг.2, как отношение выходного напряжения (выход устройства 17) к входному напряжению u_вx определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса ИУ;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где C₁₅, C₁₆, R₇, R₈ - параметры элементов 15, 16, 7 и 8;

h_11.i - h-параметр i-го транзистора (р-n перехода 11 на базе биполярного транзистора) в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой:

где α₃ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 3; m - число эмиттеров в транзисторе 12;

- эквивалентное затухание пассивной цепи.

За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.

Формула для коэффициента усиления К₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид:

где S₂ - крутизна входного преобразователя «напряжение - ток» 2.

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 15 и 16 (С₁₅=С₁₆). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором числа эмиттерных переходов (m) транзистора 12), так и параметрически - установлением заданного соотношения между сопротивлениями резисторов 7 (R₇) и 8 (R₈) ((R₈+h_11.3)/R₇=k). В этом случае параметрическая чувствительность

определяется коэффициентом отношения резисторов (коэффициентом k). При этом численное значение числа m эмиттеров транзистора 12:

позволяет получить заданное значение добротности Q при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно, при m=2, k=1

а при m=3

Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств биполярных транзисторов на частоту квазирезонанса ИУ и его добротность. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов (ΔΘ_R), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f₀.

Численные значения емкости конденсатора 9 (C₉) следует выбирать из следующих соображений.

Если С₉=0, то в формулах (2)-(8) следует считать, что m=0. Практически это означает, что схема ИУ, фиг.3, при C₉=0 практически не имеет улучшения по параметрам K₀ и Q.

Если С₉>>C₁₅, C₉>>С₁₆, то справедливы все формулы (2)-(8) и ИУ имеет повышенные значения Q и К₀, которые находятся в соответствии с (2)-(8).

В практических схемах емкость С₉ может быть соизмерима с С₁₅ и C₁₆ (фиг.9).

Графики фиг.9 показывают, что емкость конденсатора 9 (фиг.3) или то же самое С₂ (фиг.3) также может использоваться для формирования параметров резонансной характеристики ИУ, если ее значения лежат в пределах 2÷40 пФ. Однако авторы рекомендуют выбирать C₉(С₂)=40÷70 пф для техпроцесса SG25H1.

Кроме этого, все возможные модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационностойких изделий, которые оказываются более работоспособными в условиях космического пространства.

Представленные на чертежах фиг.5-фиг.10 результаты моделирования предлагаемого ИУ, фиг.3, подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

Источники информации

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, C.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 4.267.518.

4. Патент WO 2003/052925 fig.3.

5. Патентная заявка US 2011/0169568 fig.4.

6. Патент US 7.135.923.

7. Патент US 3.843.343.

8. Патентная заявка US 2008/0122530.

9. Патент US 6.972.624, fig.6A.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент US 5.298.802.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник входного напряжения (1), связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» (2), входной транзистор (3), база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения (4), первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора (3) и первой (6) шиной источника питания, первый (7) и второй (8) частотозадающие резисторы, первый (9) корректирующий конденсатор, вторую (10) шину источника питания, отличающийся тем, что коллектор входного транзистора (3) подключен к выходу преобразователя «напряжение-ток» (2) через прямосмещенный p-n переход (11) и соединен с базой дополнительного транзистора (12), эмиттер дополнительного транзистора (12) связан с первой (6) шиной источника питания через второй (13) токостабилизирующий двухполюсник и через первый (9) корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» (2), который связан со второй (10) шиной источника питания через первый (7) частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» (2) связан по переменному току с общей шиной источников питания (14) через последовательно соединенные второй (15), третий (16) корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства (17) и через второй (8) частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора (3), причем коллектор дополнительного транзистора (12) связан со второй (10) шиной источника питания.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллектор второго (12) дополнительного транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через вспомогательный резистор (18) и соединен с первым дополнительным выходом устройства (19).

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между выходом устройства (17) и вторым дополнительным выходом (20) включен буферный усилитель (21).