ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

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 трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f=1÷5 ГТц.
в
н
в
н
Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) 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 со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 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=1÷5 ГГц).
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 со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 10, общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства 11, базой второго 7 входного транзистора и через четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, причем между выходом устройства 11 и общей шиной источников питания включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, а последовательно с первым 9 корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор 14.
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, фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в котором, кроме второго 15 дополнительного резистора, показано конкретное исполнение дополнительного токового зеркала 10, содержащего p-n переход 16 и транзистор 17.
На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ, фиг.3, в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.
На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ, фиг.4, в крупном масштабе, а на фиг.6 - частотная зависимость коэффициент усиления и фазовый сдвиг ИУ, фиг.4, в более мелком масштабе.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана со входом 2 устройства, эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан второй 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, коллектор которого связан со второй 6 шиной источника питания, а эмиттер через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 7 входных транзисторов. Коллектор первого 1 входного транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 10, общий эмиттерный выход которого соединен с выходом устройства 11, базой второго 7 входного транзистора и через четвертый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, причем между выходом устройства 11 и общей шиной источников питания включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, а последовательно с первым 9 корректирующим конденсатором включен первый дополнительный резистор 14.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения выход устройства 11 связан с общей шиной источников питания через второй 15 дополнительный резистор, а в качестве четвертого 12 токостабилизирующего двухполюсника используется источник опорного тока с высоким выходным сопротивлением.
Рассмотрим работу ИУ, фиг.2.
вх
13
12
Источник переменного входного сигнала u (2) изменяет коллекторный и эмиттерный токи первого 1 входного транзистора. Комплексный характер проводимости его эмиттерной цепи, образованной первым 14 дополнительным резистором и первым 9 корректирующим конденсатором, обеспечивает передачу этого сигнала в токовое зеркало 10, и далее в выходную цепь, которая реализована на базе второго 13 корректирующего конденсатора и четвертого 12 токостабилизирующего двухполюсника (резистора R12). Комплексность полного сопротивления этой цепи (С, R) и характер изменения токов названных выше транзисторов обеспечивают резонансный вид его амплитудно-частотной характеристики.
0
Покажем аналитически, что более высокие значения K и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.
Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ, фиг.2, определяется по формуле:
1
9
14
11.1
11.7
τ=С(R+h+h);
2
13
12
τ=CR;
i
11.i
i10
где α, h - коэффициент передачи эмиттерного тока и дифференциальное входное сопротивление i-го транзистора с общей базой; K- коэффициент передачи по току усилителя тока 10.
i10
0
Таким образом, численное значение Kпри любом соотношении сопротивлений резисторов 12 и 14 позволяет реализовать необходимые значения Q (3) и K (4) при постоянном (неизменном) значении частоты квазирезонанса (2).
Конкретная реализация дополнительного токового зеркала 10 зависит от возможности использования различных полупроводниковых компонентов и задачи интеграции ИУ в СФ блок РЭА. Так, на фиг.3 приведен вариант решения этой задачи на биполярных транзисторах. В этом случае при показанных на фиг.3 условиях согласования режимов работы транзисторов:
15
14
0
где m - число эмиттерных переходов транзистора 17, образующего токовое зеркало 10. Следовательно, изменением числа переходов m и выбором соотношения между R и R можно добиться реализации необходимых значений Q и K.
3
8
0
5
0
12
0
14
11.1
11.7,
1
17
7
1
2
Если выполнить приведенные на чертеже фиг.3 параметрические условия (I=I=I, I=2I, I=(1+m)I), а также реализовать соотношения R>>h≈hα=α=α≈1, τ=τ, то
14
15
0
Следовательно, выбором числа эмиттеров транзистора 17 (m) можно дискретно изменять параметрические juhfybxtybz на сопротивления резисторов 14 и 15 (R, R) связанные с реализацией требуемых значений Q и K.
o
Реализация ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) позволяет с одной стороны обеспечить необходимые условия по стабильности статического режима ИУ, а с другой - реализовать ИУ с f=1-5 ГГц, в котором численные значения дополнительного резистора 15 лежат в пределах сотен Ом.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5, фиг.6.
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.
Литература
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 US 6011431, fig.4.
11. Патент US 5331478, fig.3.
12. Патент US 4885548, fig.9.
13. Патент US 4974916, fig.1.
11. Патентная заявка US 2008/0122530, fig.4.
15. Патент US 5298802.
16. Патент US 2009/0261899, fig.3.
17. Патент CN 101204009.
18. Патент EP 1844547.
19. Патент UA 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.