избирательный усилитель

Формула изобретения

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (1) и второго (5) входных транзисторов, отличающийся тем, что в схему введено токовое зеркало (11), базовый вход которого подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом (9) устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов (12), выход (9) устройства связан с базой второго (5) входного транзистора, причем параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен второй (14) частотно-задающий резистор.

3. Избирательный усилитель по п.2, отличающийся тем, что общий узел первого (10) корректирующего конденсатора и второго (14) частотно-задающего резистора связан со вторым входом (15) устройства через третий (16) корректирующий конденсатор.

4. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что выход (9) устройства связан с базой второго (5) входного транзистора через согласующий буферный усилитель (17).

Описание изобретения к патенту

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 (ИУ) (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 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 (ИУ) на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот f=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, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства 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 усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено токовое зеркало 11, базовый вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом 9 устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов 12, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора, причем параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема ИУ в соответствии с п.2 и п.4 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 приведена схема ИУ по п.4 формулы изобретения, в которой между выходом 9 устройства и базой транзистора 5 включен согласующий буферный усилитель 17, а токовое зеркало 11 реализовано на транзисторе 21 и p-n переходе 20.

На фиг.6 приведена схема ИУ фиг.3, фиг.4, в которой токовое зеркало 11 реализовано на элементах 25, 26, 27, а согласующий буферный усилитель 17 содержит элементы 22, 23, 24.

На фиг.7 показана схема ИУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.8 представлена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.7 в крупном масштабе, а на фиг.9 - логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.7 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов. В схему введено токовое зеркало 11, базовый вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход соединен с выходом 9 устройства, токовый выход подключен к цепи смещения потенциалов 12, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора, причем параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен второй 14 частотно-задающий резистор.

Кроме этого, на фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, выход 9 устройства связан с базой второго 5 входного транзистора через согласующий буферный усилитель 17.

На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, общий узел первого 10 корректирующего конденсатора и второго 14 частотно-задающего резистора связан со вторым входом 15 устройства через третий 16 корректирующий конденсатор.

На фиг.5 представлена схема ИУ фиг.3, в которой показано конкретное выполнение токового зеркала 11 и согласующего буферного усилителя 17.

На фиг.6 представлена схема ИУ фиг.3, в которой показан другой вариант конкретного выполнения токового зеркала 11 и согласующего буферного усилителя 17.

На фиг.7 приведена схема ОУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.8 приведена амплитудно-частотная и характеристика ИУ фиг.7 в укрупненном масштабе.

На фиг.9 приведена амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ИУ фиг.7 в более мелком масштабе.

В качестве токового зеркала 11 могут применяться классические схемы, широко представленные в технической литературе (например, фиг.5).

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник переменного входного сигнала U_вх(2) изменяет коллекторный и эмиттерный токи первого 1 входного транзистора. Комплексный характер проводимости его эмиттерной цепи, образованной первым 10 корректирующим конденсатором и сопротивлениями эмиттерных переходов первого 1 и второго 5 входных транзисторов (r_э1 h_11.1, r_э5 h_11.5) обеспечивает передачу этого сигнала через эмиттер первого 1 входного транзистора и токовое зеркало 11 в выходную 9 цепь устройства, которая реализована на базе второго 13 корректирующего конденсатора и первого 8 частотно-задающего резистора. Комплексность полного сопротивления этой цепи (С ₁₃, R₈) и характер изменения тока коллектора транзистора 1 обеспечивают резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ. Вводимый в ИУ контур обратной связи, образованный подключением базы второго 5 входного транзистора к выходу устройства 9, имеет реактивный характер в области низких частот ( << ₀) благодаря комплексной проводимости эмиттерных цепей второго 5 и первого 1 входных транзисторов. Указанная особенность сохраняет неизменной частоту квазирезонанса ИУ ( ₀) при любой глубине этой обратной связи и позволяет увеличить добротность Q ИУ и его коэффициент усиления по напряжению К₀ при заданном значении полного сопротивления в выходной цепи устройства (конденсатор С 13 и сопротивление резистора R ₈).

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

В результате анализа схемы фиг.2 можно показать, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

₁=C₁₀(h_11.1+h_11.5 );

₂=C₁₃R₈,

h_21.i= _i, h_11.i - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой; К_i13 2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 11 от базового входа к общему эмиттерному выходу. Под базовым входом понимается вход токового зеркала (например, узел соединения базы транзистора 21 и перехода 20 (фиг.5), а под общим эмиттерным выходом - неинвертирующий выход токового зеркала (например, эмиттерный узел этих же компонентов на фиг.5).

Таким образом, из (1)-(4) следует, что в предлагаемом ИУ может быть реализована заданная добротность Q независимо от выбранной частоты квазирезонанса ₀.

Аналогично можно показать, что коэффициент усиления по напряжению (К₀), ₀ и добротность (Q) модифицированной схемы избирательного усилителя фиг.3 (при коэффициенте усиления по напряжению буферного усилителя 17 К_y17=1) определяются по формулам:

₁=C₁₀(R₁₄+h_11.1 +h_11.5);

₂=C₁₃R₈,

Если выбрать R₁₄>>h _11.1 h_11.5 и ₁= ₂, то добротность заявляемого ИУ и коэффициент К₀ устройства фиг.3 будут определяться формулами:

где

Выбирая при R₈=R₁₄ те или иные значения коэффициента передачи токового зеркала 11 (K_i13=1,8-1,999), которые (для схемы токового зеркала, показанной на фиг.5) зависят от отношения площадей эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21, можно получить практически любые заданные значения добротности Q и коэффициента усиления K ₀ на частоте квазирезонанса.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.8, фиг.9, полученные в результате моделирования схемы фиг.7 (фиг.2).

Введение частотно-задающего резистора 14 (п.2 формулы изобретения) позволяет ослабить влияние статического режима транзисторов схемы и его нестабильности на основные параметры ИУ: Q, K₀, ₀.

Введение согласующего буферного усилителя 17 решает задачу согласования статических потенциалов в схеме заявляемого устройства и оптимизации динамического диапазона ИУ.

При реализации ИУ по схеме фиг.4 (п.3 формулы изобретения) создаются условия для более грубого подавления сигнала в области частот << ₀.

В этом случае

₁=(R₁₄+h_11.1+h_11.5 )(C₁₀+C₁₆),

₂=R₈C₁₃,

Так, при выполнении ранее оговоренных условий и с учетом реализации в токовом зеркале К_i13 >2 добротность схемы (фиг.4) определяется из формулы (8) при

В схеме фиг.6, в котором токовое зеркало реализовано на транзисторах 25, 26, 27, обеспечивается симметрирование статического режима входных транзисторов 1 и 5 по напряжению коллектор-база, что улучшает динамические параметры ИУ.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса ₀ 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 4267518, 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 6011431 fig.4.

11. Патент US 5331478 fig.3.

12. Патент US 4885548 fig.9.

13. Патент US 4974916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5298802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент СН 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UА 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7202762.

22. Патент US 6188272.

23. Патент US 5847605.

24. Патент US 7116961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.

27. Патент US 5012201 fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.