Избирательный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К0) на частоте квазирезонанса f0. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит источник входного сигнала, первый входной транзистор, коллектор которого через первый частотозадающий резистор связан с первой шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, выходной транзистор, коллектор которого подключен к первой шине источника питания, а эмиттер через второй токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора и эмиттером входного транзистора. Источник входного сигнала связан с коллектором входного транзистора и базой выходного транзистора через второй корректирующий конденсатор, база входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания, а выход устройства подключен к эмиттеру входного транзистора через первый корректирующий конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

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 двух-трех 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=fв-fн [3-11]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется специальным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является управляемый избирательный усилитель, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он 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 ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К0) 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 сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.

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

Чертеж фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4, соответствующему п.2 и п.3 формулы изобретения, буферный усилитель 14 реализован по схеме классического эмиттерного повторителя.

На чертеже фиг.5 показана схема ИУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.6 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.7 приведена логарифмическая фазо-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.8 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.9 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в широком диапазоне частот (0-100 ГГц).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2. Источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между эмиттером выходного транзистора 7 и выходом устройства 12 включен дополнительный резистор 13.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, к выходу устройства 12 подключен буферный усилитель 14, обеспечивающий работу ИУ на низкоомную нагрузку.

На чертеже фиг.4 буферный усилитель 14 реализован в виде классического эмиттерного повторителя на транзисторе 15 и источнике опорного тока 16.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы фиг.3.

Источник входного сигнала uвх (1) через конденсатор 10 изменяет по дифференциальному закону ток базы транзистора 7 и, следовательно, его эмиттерный ток. Емкостной характер нагрузки этой цепи (конденсатор 9) обеспечивает интегрирующий закон преобразования этого тока в выходное напряжение схемы (Вых.12). Именно поэтому вид как амплитудно-частотной, так и фазочастотной характеристик схемы соответствует полосно-пропускающему фильтру второго порядка и, следовательно, избирательному усилителю, частота квазирезонанса f0 которого определяется постоянными времени указанных законов преобразования. Преобразование выходного напряжения посредством конденсатора 9 в переменный эмиттерный ток транзистора 2 подчинятся дифференцирующему закону. Комплексный характер нагрузки коллекторной цепи транзистора 2, образованной параллельным соединением конденсатора 10 и резистора 3, способствует преобразованию этого тока в напряжение по интегрирующему закону и в пропорциональное изменение тока базы и, как следствие, тока эмиттера транзистора 7. Таким образом, в области нижних частот (f<<f0) в схеме в силу влияния конденсатора 9 действует реактивная обратная связь, а в области верхних частот (f>>f0) за счет преобладающего влияния проводимости конденсатора 10 характер этой связи сохраняется с изменением знака фазового соотношения цепи обратной связи. Таким образом, на частоте квазирезонанса ИУ f0 обратная связь схемы является вещественной и ее глубина максимальной. В силу положительного возвратного отношения этой связи на частоте f0 ей действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К0.

Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения u12 (выход устройства 12) к входному напряжению uвх усилителя фиг.2 определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

f0 - частота квазирезонанса;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К0 - коэффициент усиления ИУ по напряжению на частоте квазирезонанса f0.

Причем:

где τ1=C10R3, τ29(R13+h11.7+h11.2);

h11.i - h-параметр i-го транзистора;

C9, С10, R13, R3 - параметры элементов 9, 10, 13, 3.

Добротность ИУ фиг.3 определяется формулой

где ;

α2 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2.

Если выбрать τ12, то Для получения заданного значения добротности Q параметры элементов 3 и 13 (R3 и R13) должны удовлетворять условию

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

Отличительной особенностью предлагаемой схемы ИУ является возможность реализации различных параметрических условий и ограничений на параметры элементов 2, 3, 7, 9, 13.

Как показано на фиг.2 (пункт 1 формулы изобретения) при R13=0

поэтому изменением тока I5 и I8 двухполюсников 5 и 8 можно изменить h11.2≈φT/I5 и (или) h11.7≈φT/I5T=kT/q) и, следовательно, реализовать необходимые значения добротности. При максимизации динамического диапазона схемы, когда τ12 можно также реализовать условие

направленное на минимизацию R3 и обеспечение дополнительных условий выбора оптимального режима работы транзистора 2.

Кроме этого, включение (фиг.3) дополнительного резистора 13 (п.2 формулы изобретения) за счет изменения структуры τ2 (соотношение (2)) можно обеспечить уменьшение чувствительности f0 к малосигнальным параметрам биполярных транзисторов

Выбором соотношения между R3 и R13 можно реализовать заданную добротность

При R3=R13+h11.7+h11.2, τ12(1-α2) добротность можно найти по формуле

Кроме этого, при выполнении параметрического условия

добротность Q принимает значение

обеспечивающее минимальную чувствительность добротности к изменению емкостей 10 и 9:

Представленные на чертежах фиг.6 - фиг.9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса f0, а также 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., 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 US 4267518 fig.6.

4. Патент US 6642794.

5. Патент WO 2003/052925.

6. Патентная заявка US 2008/0122530.

7. Патент US 5304946 fig.22.

8. Патент JP 2004096589.

9. Патент US 6972624, fig.6а.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент CN 101204009.

1. Избирательный усилитель, содержащий источник входного сигнала (1), первый (2) входной транзистор, коллектор которого через первый (3) частотозадающий резистор связан с первой (4) шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (5) соединен со второй (6) шиной источника питания, выходной транзистор (7), коллектор которого подключен к первой (4) шине источника питания, а эмиттер через второй (8) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (6) шиной источника питания, первый (9) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора (7) и эмиттером входного транзистора (2), отличающийся тем, что источник входного сигнала (1) связан с коллектором входного транзистора (2) и базой выходного транзистора (7) через второй (10) корректирующий конденсатор, база входного транзистора (2) подключена по переменному току к общей шине источников питания (11), а выход устройства (12) подключен к эмиттеру входного транзистора (2) через первый (9) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между эмиттером выходного транзистора (7) и выходом устройства (12) включен дополнительный резистор (13).

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что к выходу устройства (12) подключен буферный усилитель (14).



 

Похожие патенты:

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.

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 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 быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов. .

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. .

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

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов

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 СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации

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 сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано для создания мощных усилителей СВЧ с высокой степенью линейности характеристик и соответственно низким уровнем нелинейных искажений усиливаемого сигнала

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

Наверх