Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты единичного усиления f₁ основного ОУ на частоту квазирезонанса f₀. Устройство содержит основной операционный усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого включен первый частотозависимый резистор, первый и второй частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом основного операционного усилителя и его инвертирующим входом, второй частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом последовательно включенных частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения, первую и вторую шины источников питания, второй частотозадающий резистор включен между общим узлом первого и второго частотозадающих конденсаторов и первой шиной источника питания, источник входного напряжения соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя, общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» подключена ко второй шине источника питания, а токовый выход дополнительного преобразователя «напряжение-ток» соединен с общим узлом частотозадающих конденсаторов. 15 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 (ОУ) с элементами RC-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа [1-7]. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (ИУ) приводит к существенной зависимости их основных параметров (добротности Q и частоты квазирезонанса f₀) от частоты единичного усилителя f₁ используемых ОУ. Это не позволяет обеспечить работу ИУ с никочастотными ОУ. В этой связи весьма актуальной является задача поиска архитектур избирательных усилителей, имеющих слабую зависимость частоты квазирезонанса f₀ от f₁ применяемых активных элементов (ОУ).

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический избирательный усилитель, известный специалистам как схема Рауха [1-7], представленный в патенте US 5.336.242 fig. 3. Он содержит основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозависимый резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, первую 9 и вторую 10 шины источников питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что частота квазирезонанса f₀ его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существенно зависит от численных значений частоты единичного усиления f₁ ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты единичного усиления f₁ основного ОУ (1) на частоту квазирезонанса f₀. Это позволяет, в ряде случаев, реализовать высококачественное избирательное устройство в диапазонах высоких и сверхвысоких частот на типовых ОУ с небольшими значениями f].

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе с расширенным частотным диапазоном фиг.1, содержащем основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозависимый резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, первую 9 и вторую 10 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй 6 частотозадающий резистор включен между общим узлом 7 первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов и первой 9 шиной источника питания, источник входного напряжения 8 соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11, неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя 1, общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 подключена ко второй 10 шине источника питания, а токовый выход 12 дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 соединен с общим узлом 7 первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов.

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

На чертеже фиг.3 представлен ИУ фиг.2 с первым примером практической реализации преобразователя «напряжение-ток» 11 на основе дифференциального каскада (элементы 13, 14, 15).

На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.3 с входной RC-цепью (элементы 16, 17), которая введена для дополнительного ослабления входного сигнала в диапазоне низких частот (второй вариант реализации преобразователя 11).

На чертеже фиг.5 приведена схема ИУ фиг.2 с третьим вариантом выполнения входного преобразователя 11 «напряжение-ток» (элементы 18, 19, 20, 21, 22).

На чертеже фиг.6 приведена схема ИУ фиг.2 с четвертым вариантом выполнения входного преобразователя 11 «напряжение-ток» (элементы 23, 24, 25, 26, 27).

На чертеже фиг.7 представлен ИУ фиг.6, у которого в качестве частотозадающего резистора 6 включен р-n переход, управляемый статическим током I_y=var (32), а на чертеже фиг.8 представлен ИУ фиг.6, у которого параметры (Q, К₀) зависят от двухполюсника 30:I₃₀=I_var(30).

На чертеже фиг.9 представлен избирательный усилитель фиг.2 с варикапами 5, 4 (конденсаторами 5, 4), изменяющими частоту квазирезонанса f₀ под действием напряжения управления U_y.

На чертеже фиг.10 приведена схема ИУ фиг.6 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.11 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.10 в диапазоне частот 100МГц÷10ГГц, которая получена в результате моделирования схемы в среде Cadence на SiGe транзисторах.

На чертеже фиг.12 приведена амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.10 (ЛАЧХ) с входным RC-фильтром в диапазоне частот 100кГц÷100ГТц.

На чертеже фиг.13 показана схема ИУ фиг.6 в среде Cadence для случая, когда неинвертирующий вход дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 не связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя 1. Т.е. в данной схеме исключена предлагаемая в заявке цепь компенсации влияния f₁ ОУ (1) на параметры избирательного усилителя.

На чертеже фиг.14 показана схема ИУ фиг.6 в среде Cadence для случая, когда неинвертирующий вход дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя. Т.е. в данной схеме включена предлагаемая в заявке цепь компенсации влияния частоты единичного усиления fj основного ОУ (1) на параметры избирательного усилителя.

На чертеже фиг.15 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем ИУ: график 1 соответствует схеме фиг.13, т.е. ИУ без цепи компенсации; график 2 снят для случая, когда в схеме ИУ фиг.14 применяется идеальный операционный усилитель 1 с бесконечно большими значениями f₁; график 3 соответствует схеме фиг.14, в котором введена цепь компенсации в соответствии с формулой изобретения.

Анализ чертежа фиг.15 показывает, что предлагаемое устройство обладает значительно меньшим влиянием частоты единичного усиления ОУ на частоту квазирезонанса f₀ и добротность Q. При этом заявляемая схема близка по своим свойствам к идеальной (график 2).

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозависимый резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, первую 9 и вторую 10 шины источников питания. Второй 6 частотозадающий резистор включен между общим узлом 7 первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов и первой 9 шиной источника питания, источник входного напряжения 8 соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11, неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя 1, общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 подключена ко второй 10 шине источника питания, а токовый выход 12 дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 11 соединен с общим узлом 7 первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов.

ИУ фиг.3 содержит первый вариант построения входного преобразователя «напряжение-ток» И на транзисторах 13, 14 и источник опорного тока 15.

В схеме ИУ фиг.4 преобразователь «напряжение-ток» 11 содержит элементы 13, 14, 15, 16 и 17.

В схеме ИУ фиг.5 преобразователь «напряжение-ток» 11 выполнен на элементах 18, 19, 20, 21 и 22.

Для повышения уровня ослабления входных сигналов в диапазоне низких частот в схеме ИУ фиг.6 используется преобразователь «напряжение-ток» 11 на элементах 23, 24, 25, 27, 27.

В ИУ фиг.7, который относится к классу управляемых усилителей, в качестве частотозадающего резистора 6 используется дифференциальное сопротивление дополнительного р-n перехода, которое управляется током двухполюсника 32 (I_y=var).

В схеме фиг.8 управление параметрами ИУ осуществляется изменением тока двухполюсника 30.

Особенность схемы фиг.9, в которой входной преобразователь «напряжение-ток» 11 реализован на элементах 32, 33, 34, 35, 36, состоит в том, что в качестве конденсаторов 4 и 5 здесь используются варикапы 5, 4, напряжение на которых зависит от напряжения управления U_y, что позволяет изменять параметры ИУ.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению и_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K(jf)\frac{u_{13}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\text{ (1)}$$

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Можно показать аналитически, а также путем компьютерного моделирования (см. чертеж фиг.15), что заявляемый избирательный усилитель фиг.2 характеризуется слабым влиянием частоты единичного усиления f₁ используемого операционного усилителя 1 на основные параметры ИУ - добротность и частоту единичного усиления. Это позволяет при прочих равных условиях получить более широкий диапазон рабочих частот ИУ при использовании относительно низкочастотных операционных усилителей (1).

Представленные на чертежах фиг.11, фиг.12, фиг.15 результаты моделирования ИУ подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.189.681 fig. 1.

2. Патент US 6.404.279 fig. 1.

3. Патент US 7.081.788 fig. 6.

4. Патент US 6.268.766 fig. 4.

5. Патент US 5.336.242 fig. 3.

6. Патент US 6.492.865 fig. 4.

7. Патент US 7.838.809 fig. 13c.

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий основной операционный усилитель (1), между выходом (2) и инвертирующим входом которого включен первый (3) частотозависимый резистор, первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом (2) основного операционного усилителя (1) и его инвертирующим входом, второй (6) частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом (7) последовательно включенных первого (4) и второго (5) частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения (8), первую (9) и вторую (10) шины источников питания, отличающийся тем, что второй (6) частотозадающий резистор включен между общим узлом (7) первого (4) и второго (5) частотозадающих конденсаторов и первой (9) шиной источника питания, источник входного напряжения (8) соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток» (11), неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя (1), общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» (11) подключена ко второй (10) шине источника питания, а токовый выход (12) дополнительного преобразователя «напряжение-ток» (11) соединен с общим узлом (7) первого (4) и второго (5) частотозадающих конденсаторов.