ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

Предполагаемое 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) 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 ИУ на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики (Q=2÷10) и f=1÷5 ГГц при малом токопотреблении.
в
н
в
н
Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров 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 входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте WO/2006/077525. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с 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 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
<mrow><mi>Q</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
0
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К>1 на частоте квазирезонанса (f).
0
0
0
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (K) на частоте квазирезонанса (f). Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ диапазона с f=1÷5 ГГц с малым токопотреблением.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с 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 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12.
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 показан ИУ фиг.2 с конкретным выполнением дополнительного источника напряжения 13, а также цепью смещения статических потенциалов 18.
На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с формулой изобретения при реализации второго 5 и первого 1 входных транзисторов на КМОП-активных элементах.
На чертеже фиг.5 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.6 - логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в мелком масштабе.
На чертеже фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в более крупном масштабе.
i
На чертеже фиг.8 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при разных значениях коэффициента передачи (K) токового зеркала 15 на транзисторах Q6, Q7, который определяется числом параллельно включенных транзисторов Q5.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с 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 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12. Дополнительное токовое зеркало 15 выполнено на транзисторе 16 и p-n переходе 17.
В схеме фиг.3 источник напряжения 13 содержит резистор 19 и стабилитрон 20, а последовательно со вторым 10 частотозадающим резистором включена цепь смещения статического напряжения 18.
0
Покажем аналитически, что более высокие значения K и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.
Можно получить, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:
1
12
α, α - коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов 1 и 12,
i15
K - коэффициент передачи по току токового зеркала 15,
11.i
h - входное сопротивление (h-параметр) i-го транзистора в схеме с общей базой.
1
2
Если выбрать τ=τ, то
0
Основными условиями получения высоких значений Q и K являются следующие приближенные формулы
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>i</mi><mn>15</mn></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>≈</mo><mn>2</mn><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
или
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>i</mi><mn>15</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>2</mn><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
9
10
i15
0
0
Таким образом, как видно из (3)-(10), за счет выбора соотношений между R и R, а также значений коэффициента передачи по току K токового зеркала 15 можно реализовать высокие значения добротности Q и коэффициента усиления K. При этом, как следует из (2), частота квазирезонанса f сохраняется неизменной.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8.
0
0
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K на частоте квазирезонанса f 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 4.267.518, 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/03052925A1 fig.3.
10. Патент US 6.011.431 fig.4.
11. Патент US 5.331.478 fig.3.
12. Патент US 4.885.548 fig.9.
13. Патент US 4.974.916 fig.1.
14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.
15. Патент US 5.298.802.
16. Патент US 2009/0261899 fig.3.
17. Патент US 101204009.
18. Патент ЕР 1844547.
19. Патент US 17276.
20. Патент US 2009/0289714 fig.4.
21. Патент US 7.202.762.
22. Патент US 6.188.272.
23. Патент US 5.847.605.
24. Патент US 7.116.961.
25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.
26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.
27. Патент US 5.012.201 fig.2.
28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.