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.
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 (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона. 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).
в
н
в
п
н
Известны схемы избирательных 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 С), а нижняя f определяется корректирующим конденсатором [3-28].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг.1, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания,
0
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению на частоте квазирезонанса (f) больше единицы.
0
0
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление систем на кристалле и реализовать высококачественное избирательное устройство с f=1÷5 ГГц.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 2, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 13 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с первой 5 шиной источника питания и коллектором второго 14 дополнительного транзистора, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен с базой третьего 15 дополнительного транзистора и через первый 16 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, эмиттеры первого 13 и третьего 15 дополнительных транзисторов соединены друг с другом и через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединены со второй 7 шиной источника питания, причем база второго 14 дополнительного транзистора подключена к базе первого 1 входного транзистора, а коллектор третьего 15 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора.
Схема избирательного усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого ИУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
var.
17
var
На чертежах фиг.4 и фиг.5 представлены амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.3 в разных масштабах. Из данных графиков следует, что ИУ фиг.3 имеет добротность Q, изменяющуюся в широких пределах в зависимости от тока дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 17 (фиг.2) (I - фиг.3). Данные графики показывают, что схема фиг.3 имеет коэффициент усиления и добротность, зависящую от численных значений тока I=I, которые можно выбирать по усмотрению разработчика.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником сигнала 1, коллектор подключен к выходу устройства 3 и через первый резистор 4 соединен с первой 5 шиной источника питания, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания и через первый 10 корректирующий конденсатор связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания. Последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен первый 11 дополнительный резистор, база второго 8 входного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора, параллельно первому 4 резистору включен по переменному току второй 12 корректирующий конденсатор, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 13 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с первой 5 шиной источника питания и коллектором второго 14 дополнительного транзистора, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен с базой третьего 15 дополнительного транзистора и через первый 16 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 7 шиной источника питания, эмиттеры первого 13 и третьего 15 дополнительных транзисторов соединены друг с другом и через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединены со второй 7 шиной источника питания, причем база второго 14 дополнительного транзистора подключена к базе первого 1 входного транзистора, а коллектор третьего 15 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
вх
0
Входной сигнал u (2) через базовые цепи транзисторов 1 и 14 приводит к изменению токов транзисторов 1, 13, 14, 15, причем передача этого сигнала через эмиттерные цепи основных (1 и 14) транзисторов в коллектор транзистора 1, имеющего комплексную нагрузку в виде параллельно соединенных резистора 4 и конденсатора 12, обеспечивает селекцию сигнала на частотах, превышающих частоту квазирезонанса. Использование комплексной проводимости в виде резистора 11 и конденсатора 10 в цепи эмиттера транзисторов 1 и 8 обеспечивает реализацию резонансной амплитудно-частотной характеристики ИУ и совместно с упомянутой комплексной нагрузкой (4, 12) обеспечивает селекцию сигнала в широком диапазоне частот. Посредством контура реактивной обратной связи, образованного транзисторами 8, 1, 13, 15, база первого из которых (8) подключена к комплексной нагрузке (резистор 4 и конденсатор 12) и его характера, определяемого резисторами 11 и 4, конденсаторами 10 и 12, обеспечивается изменение глубины обратной связи без изменения частоты квазирезонанса (f) в ее окрестности. Причем дополнительная передача сигнала в контуре реактивной обратной связи через эмиттерные цепи транзисторов 13 и 15 в коллекторную цепь транзистора 1 повышает эффективность действия комплексных проводимостей, образованных резисторами 4, 11 и конденсаторами 10, 12. Указанные особенности функционирования контура обратной связи и цепи передачи сигнала со входа ИУ на его выход сохраняет неизменной частоту квазирезонанса и позволяет параметрически (режимно) изменить его добротность и коэффициент усиления.
0
Покажем аналитически, что в схеме фиг.2 реализуется более высокое значение добротности Q и коэффициента усиления К на частоте квазирезонанса. Действительно, комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 определяется по формуле
где ;
2
12
4
τ=СR).
17
6
I, I - токи задающих режим работы транзисторов ИУ источников тока 17 и 6;
i
11
i
α, (h) - малосигнальные h-параметры i-го транзистора в схеме с общей базой.
9
6
16
0
11
8
11
6
0
Из соотношений (2)-(4) следует, что при фиксированных значениях токов I=I=I=I малосигнальные параметры транзисторов (h), (h) остаются неизменными, т.е. частота квазирезонанса ИУ сохраняет свое стабильное значение, определяемое соотношением (2). В то же время изменение тока источника 17 (как видно из (3) и (4)), позволяет изменять численное значение добротности Q и коэффициента усиления К без изменения (заметного ухудшения) параметрической чувствительности реализуемой добротности к параметрам пассивных элементов схемы ИУ
где
1
2
При необходимости эту чувствительность при заданном значении добротности Q можно минимизировать путем рационального выбора соотношения между τ и τ (2):
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями добротности и коэффициента усиления по напряжению.
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/03052925 A1 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 CN 101204009
18. Патент ЕР 1844547
19. Патент UA 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