ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ ТОКОМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ДЛЯ SiGe ТЕХПРОЦЕССОВ
LOW CURRENT CONSUMPTION SELECTIVE AMPLIFIER FOR SiGe TECHNOLOGICAL PROCESSES

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.
B
H
B
H
Известны схемы ИУ на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f-f [3-19]. 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 RU 2421879, фиг.2. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания.
<mrow><mi>Q</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>B</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mi>H</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
0
Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большой коэффициент усиления по напряжению К>1 на частоте квазирезонанса (f).
0
0
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К) на частоте квазирезонанса f. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 2 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через первый 6 частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй 9 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 10 дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 11 и базой первого 1 входного транзистора, причем база первого 1 входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания 12 через второй 7 частотозадающий резистор.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема ИУ фиг.2 на n-p-n SiGe транзисторах в среде компьютерного моделирования Cadence.
На фиг.4 показаны логарифмические амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при параметрах элементов Rvar=128 Ом, Cvar=280 фФ.
На фиг.5 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при Rvar=128 Ом, Cvar=280 фФ.
0
На фиг.6 приведена зависимость добротности Q и частоты квазирезонанса f от сопротивления Rvar схемы ИУ фиг.3.
0
На фиг.7 показана зависимость добротности Q и частоты квазирезонанса f от емкости конденсатора Cvar схемы ИУ фиг.3.
12
3
0
На фиг.8 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.3 при различных значениях тока общей эмиттерной цепи транзисторов ИУ Ivar=I=I=2I.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, источник входного напряжения 5, подключенный к базе второго 2 входного транзистора, первый 6 и второй 7 частотозадающие резисторы, первый 8 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания. Коллектор второго 2 входного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через первый 6 частотозадающий резистор и соединен по переменному току со второй 9 шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 10 дополнительный корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 11 и базой первого 1 входного транзистора, причем база первого 1 входного транзистора подключена по переменному току к общей шине источников питания 12 через второй 7 частотозадающий резистор.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
вх
0
0
0
0
0
0
0
Источник входного сигнала 5 (u) изменяет ток коллектора входного транзистора 2. В силу комплексного характера нагрузки его коллекторной цепи на выходе 11 ИУ воспроизводится амплитудно-частотная характеристика полосно-пропускающего типа - конденсатор 8 обеспечивает высокое подавление входного сигнала в области нижних частот (f<f), а конденсатор 10 - в области верхних частот (f>f). Функция емкостного делителя и масштабного преобразования коллекторного тока транзистора 2 реализуется на резисторе 6 и резисторе 7. Подключение к выходу 11 базовой цепи транзистора 1 приводит к образованию контура регенеративной обратной связи за счет пропорционального изменения тока коллектора транзистора 2, обусловленного изменением эмиттерных токов транзисторов 1 и 2. В силу указанных выше свойств емкостного делителя в коллекторной цепи транзистора 2 эта обратная связь является реактивной как в области верхних (f>f), так и в области нижних (f<f) частот. Вещественность этой обратной связи реализуется только на частоте квазирезонанса f ИУ. Поэтому действие вводимой обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К ИУ при сохранении неизменной частоты его квазирезонанса f.
Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 11) к входному напряжению ивх (5) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем
<mrow><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><mi>j</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></mfrac></mrow><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></mfrac></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                    (1)</mtext></mrow>
где f - частота входного сигнала;
0
f - частота квазирезонанса избирательного усилителя;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
0
0
К - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f.
Причем:
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                           (2)</mtext></mrow>
8
10
6
7
где С, С, R, R - параметры элементов 8, 10, 6 и 7.
Добротность ИУ определяется формулой
<mrow><msup><mi>Q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                          (3)</mtext></mrow>
2
где α - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 2;
11.i
h - h-параметр i-го транзистора в схеме с общей базой;
- эквивалентное затухание пассивной частотозависимой цепи в коллекторе транзистора 2.
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q »1.
0
Формула для коэффициента усиления К в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></msqrt><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                          (4)</mtext></mrow>
Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.
8
10
7
11.1
11.2
0
Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 8 и 10 (С=С). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано параметрически - установлением определенного соотношения между сопротивлениями резисторов 7 (R) и h, h, которые определяются током 2I источника тока 3. В силу непосредственной связи эмиттеров транзистора 1 и 2
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mn>11.2</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                     (5)</mtext></mrow>
T
где φ≈25 мВ - температурный потенциал;
3
0
I=2I - ток источника тока 3.
Поэтому параметрическое условие реализации необходимой добротности легко реализуется выбором режимов работы этих транзисторов. В частности, при выполнении равенства
<mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>R</mi><mn>7,</mn><mtext>                           (6)</mtext></mrow>
8
10
обеспечивается экстремально низкая чувствительность добротности ИУ к емкостным элементам схемы. Действительно указанная выше оптимальность соотношения их номиналов (С=С) позволяет реализовать равенство
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В практических задачах условие (7) может использоваться для повышения стабильности параметров ИУ в режимах настройки или масштабной перестройки частоты квазирезонанса.
8
10
7
6
Равенство C=C=C не противоречит условию равнономинальности пассивных элементов схемы (R=R=R). В этом случае параметр R
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ϕ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mo>−</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mi>Q</mi></mfrac></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                  (8)</mtext></mrow>
что обеспечивает реализацию любой требуемой добротности ИУ.
Представленные на фиг.4-8 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.2 и 3 подтверждают указанные свойства заявляемых схем.
0
0
Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуются более высокими значениями коэффициента усиления К на частоте квазирезонанса f, 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. Патент US 4843343, fig.2.
4. Патент US 6060956, fig.1.
5. Патент US 6801090.
6. Патентная заявка US 2008/0122530, fig.4.
7. Патент WO/2006/077525.
8. Патент US 4974916.
9. Патентная заявка US 2007/0040604, fig.3.
10. Патент JP 2008529334.
11.Патент US 6972624, fig.6А.
12.Патент US 7135923.
13.Патент ЕР 0461922.
14.Патент WO 2007022705.
15.Патентная заявка US 2011/0057723, fig.8.
16.Патент US 6011431.
17.Патент US 5012201, fig.8.
18.Патент CN 101204009.
19.Патент US 5298802.