избирательный усилитель

Формула изобретения

Избирательный усилитель, содержащий источник входного сигнала (1), связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» (2), входной транзистор (3), база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения (4), первый (5) и второй (6) частото-задающие резисторы, первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, первую (9) и вторую (10) шины источников питания, отличающийся тем, чтовыход преобразователя «напряжение-ток» (2) соединен с коллектором входного транзистора (3) и через первый (5) частото-задающий резистор связан с первой (9) шиной источника питания, а также подключен ко входу (11) дополнительного токового зеркала (12), общий эмиттерный выход (13) дополнительного токового зеркала (12) соединен со второй (10) шиной источника питания через первый (14) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания (15) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) корректирующие конденсаторы, инвертирующий (16) выход дополнительного токового зеркала (12) связан с первой (9) шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора (3) соединен со второй (10) шиной источника питания через второй (17) токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого (7) и второго (8) корректирующих конденсаторов и выходом устройства (18) через второй (6) частото-задающий резистор.

Описание изобретения к патенту

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 f=f_в-f_н [3-17]. 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 2428786, фиг.2. Он содержит источник входного сигнала 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания. Причем роль первого 7 корректирующего конденсатора выполняет емкость на подложку транзистора 3.

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, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - выход преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором входного транзистора 3 и через первый 5 частото-задающий резистор связан с первой 9 шиной источника питания, а также подключен ко входу 11 дополнительного токового зеркала 12, общий эмиттерный выход 13 дополнительного токового зеркала 12 соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, инвертирующий 16 выход дополнительного токового зеркала 12 связан с первой 9 шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора 3 соединен со второй 10 шиной источника питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов и выходом устройства 18 через второй 6 частото-задающий резистор.

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 приведена схема ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.4 представлены амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот.

На чертеже фиг.5 представлены ЛАЧХ и ФЧХ коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, связанный со входом преобразователя «напряжение-ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 и второй 6 частото-задающие резисторы, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, первую 9 и вторую 10 шины источников питания. Выход преобразователя «напряжение-ток» 2 соединен с коллектором входного транзистора 3 и через первый 5 частото-задающий резистор связан с первой 9 шиной источника питания, а также подключен ко входу 11 дополнительного токового зеркала 12, общий эмиттерный выход 13 дополнительного токового зеркала 12 соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и связан по переменному току с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, инвертирующий 16 выход дополнительного токового зеркала 12 связан с первой 9 шиной источника питания, причем эмиттер входного транзистора 3 соединен со второй 10 шиной источника питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник и связан с общим узлом первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов и выходом устройства 18 через второй 6 частото-задающий резистор.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала u_BX (1) посредством входного преобразователя «напряжение-ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи транзистора 3. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 5 и 6, а также конденсаторами 7 и 8, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 6 выходной цепи. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 7 и 8, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор 7 уменьшает этот ток в области нижних частот (f<f ₀), где f₀ является частотой квазирезонанса ИУ, а конденсатор 8 уменьшает выходное напряжение ИУ в области верхних частот (f>f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы избирательного усилителя.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 18) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где С₇, C₈, R ₅, R₆ - параметры элементов 7, 8, 5 и 6;

h_11.3 - входное сопротивление транзистора 3.

Добротность ИУ определяется формулой

где ₃ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 3;

K_i13 - коэффициент передачи по току токового зеркала 12;

- эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой 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 7 и 8 (С₇=С₈). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором коэффициента усиления по току K_i13 токового зеркала 12), так и параметрически - установлением определенного соотношения между сопротивлениями резисторов 5 (R₅) и 6 (R ₆) ((R₆+h_11.3)/R₅=k). В этом случае параметрическая чувствительность добротности

определяется коэффициентом отношения сопротивлений резисторов 7 и 8 (коэффициентом к).

Например, уменьшение указанного отношения резисторов к до уровня Q/2 переводит настоящую схему в разряд низкочувствительных. Действительно, как это следует из (3), при условии выбора коэффициента усиления K_i13 токового зеркала 12 и, следовательно, чувствительности ₃K_i13=1

переводят параметр Q в разряд недоминирующих по степени его влияния на частотные характеристики ИУ. В этом случае условие

является достаточным для реализации требуемой добротности Q.

Кроме этого численное значение К_i13 токового зеркала 12 транзистора 15:

позволяет получить заданное значение добротности Q при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно при K_i13=3, k=1

где - коэффициент усиления по току базы транзистора 3.

Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств транзистора 3 на частоту квазирезонанса ИУ f₀ и его добротность Q. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов ( _R), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f₀.

Сравнительный анализ показывает, что рассмотренная схема ИУ имеет присущие только ей достоинства, которые могут играть доминирующую роль при проектировании конкретных изделий.

Кроме этого, основные модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационно-стойких изделий.

Представленные на чертежах фиг.4-фиг.5 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуются более высокими значениями коэффициента усиления Ко 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, 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. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4

4. Патент US 4.257.518 fig.4

5. Патент US 6.972.624 fig.6A

6. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.4

7. Патент WO/2005/043749 fig.5

8. Патент WO/2009/127724 fig.4

9. Патентная заявка US 2011/0057723

10. Патент US 6.011.431 fig.4

11. Патент US 6.642.794

12. Патент WO 2007/022705

13. Патент CN 101204009

14. Патент US 7.135.923 fig.5

15. Патент US 6.801.090 fig.2

16. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3

17.Патентная заявка US 2006/0186951.