ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

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.
0
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 f=1÷5 ГГц.
в
н
в
н
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 Δf=f-f[3-28]. Причем их верхняя граничная частота f иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f 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.
0
0
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность  амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К>1 на частоте квазирезонанса (f).
0
0
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f=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.
вх
э1
11.1
э5
11.5
13
8
0
0
0
8
Источник переменного входного сигнала U(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≈h, r≈h) 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, R) 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 (ƒ<<ƒ) благодаря комплексной проводимости эмиттерных цепей второго 5 и первого 1 входных транзисторов. Указанная особенность сохраняет неизменной частоту квазирезонанса ИУ (ƒ) при любой глубине этой обратной связи и позволяет увеличить добротность Q ИУ и его коэффициент усиления по напряжению К при заданном значении полного сопротивления в выходной цепи устройства (конденсатор С 13 и сопротивление резистора R).
0
Покажем аналитически, что более высокие значения К 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
10
11.1
11.5
τ=C(h+h);
2
13
8
τ=CR,
21.i
i
11.i
i13
h=α, h - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой; К≈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).
0
Таким образом, из (1)-(4) следует, что в предлагаемом ИУ может быть реализована заданная добротность Q независимо от выбранной частоты квазирезонанса ƒ.
0
0
y17
Аналогично можно показать, что коэффициент усиления по напряжению (К), ƒ и добротность (Q) модифицированной схемы избирательного усилителя фиг.3 (при коэффициенте усиления по напряжению буферного усилителя 17 К=1) определяются по формулам:
1
10
14
11.1
11.5
τ=C(R+h+h);
2
13
8
τ=CR,
14
11.1
11.5
1
2
0
Если выбрать R>>h≈h и τ=τ, то добротность заявляемого ИУ и коэффициент К устройства фиг.3 будут определяться формулами:
где
8
14
i13
0
Выбирая при R=R те или иные значения коэффициента передачи токового зеркала 11 (K=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 на частоте квазирезонанса.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.8, фиг.9, полученные в результате моделирования схемы фиг.7 (фиг.2).
0
0
Введение частотно-задающего резистора 14 (п.2 формулы изобретения) позволяет ослабить влияние статического режима транзисторов схемы и его нестабильности на основные параметры ИУ: Q, K, ƒ.
Введение согласующего буферного усилителя 17 решает задачу согласования статических потенциалов в схеме заявляемого устройства и оптимизации динамического диапазона ИУ.
0
При реализации ИУ по схеме фиг.4 (п.3 формулы изобретения) создаются условия для более грубого подавления сигнала в области частот ƒ<<ƒ.
В этом случае
1
14
11.1
11.5
10
16
τ=(R+h+h)(C+C),
2
8
13
τ=RC,
i13
Так, при выполнении ранее оговоренных условий и с учетом реализации в токовом зеркале К>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.
0
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса ƒ 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.