ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

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.
в
н
в
н
Известны схемы ИУ, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f-f [3-11]. 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 токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания.
0
0
Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K>1 на частоте квазирезонанса (f).
0
0
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K) 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 по фиг.1, содержащем токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде компьютерного моделирования Cadence (техпроцесс SG25H1).
На чертеже фиг.5 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 ГГц) при R21=80 Ом, C1=500 фФ, С2=50 пФ.
На чертеже фиг.6 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в более узком диапазоне частот (от 100 МГц до 10 ГГц) при R21=80 Ом, С1=500 фФ, С2=50 пФ.
На чертеже фиг.7 показана зависимость добротности Q от сопротивления резистора R21 схемы фиг.4.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания. Коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первого 3 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.
Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 16 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.
Для преобразования напряжения источника входного сигнала во входной сигнал токового входа 1 в схеме фиг.3 используется преобразователь «напряжение-ток» 18 с крутизной преобразования S1. В качестве данного функционального узла могут применяться классические каскады с общим эмиттером, общей базой или дифференциальные усилители. Буферный усилитель 19, имеющий вспомогательный выход 20, обеспечивает согласование фильтра с его низкоомной нагрузкой.
В ряде случаев в коллектор транзистора 16 может включаться резистор коллекторной нагрузки, что позволяет получить дополнительный токовый выход устройства.
Рассмотрим работу схемы фиг.3.
вх
Источник входного токового сигнала i изменяет ток коллекторной цепи транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 5, а также конденсаторами 11 и 12, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 5 выходной цепи ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 11 и 12, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.
вх
Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.3 как отношение выходного напряжения (выходы устройства 13, 20) к входному напряжению u при достаточно большой емкости первого 6 корректирующего конденсатора определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
где f - частота входного сигнала;
0
f - частота квазирезонанса ИУ;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
0
0
К - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f.
Причем
11
12
4
5
где C, C, R, R - параметры элементов 11, 12, 4 и 5;
11.2
11.15
r=h(1+m)+h - эквивалентное сопротивление в цепи базы транзистора 14; m - число параллельно включенных эмиттерных переходов транзистора 14;
11.i
h - h-параметр i-го транзистора в схеме с общей базой.
Добротность ИУ определяется формулой
i
где α - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;
- эквивалентное затухание пассивной цепи.
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.
0
Формула для коэффициента усиления K в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид
1
где S - крутизна входного преобразователя «напряжение-ток» 18.
Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.
11
12
4
5
5
4
Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 11 и 12 (C=С). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором числа эмиттерных переходов (m) транзистора 14), так и параметрически - установлением соотношения между сопротивлениями резисторов R и R ((R+r)/R=k). В этом случае параметрическая чувствительность
определяется коэффициентом отношения резисторов (коэффициентом k). При этом численное значение числа m эмиттеров транзистора 14:
позволяет получить заданное значение добротности при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно, при m=2, k=1
2
2
2
-1
где β=α(1-α).
Если выбрать m=3,
0
R
0
Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств применяемых биполярных транзисторов на частоту квазирезонанса ИУ f и его добротность Q. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов (ΔΘ), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f.
6
Численные значения емкости конденсатора 6 (С) следует выбирать из следующих соображений.
6
6
0
Если C=0, то в формулах (2)-(8) следует считать, что m=0. Практически это означает, что схема ИУ, фиг.3, при C=0 практически не имеет улучшения по параметрам K и Q.
6
11
6
12
0
Если С>>C, С>>С, то справедливы все формулы (2)-(8) и ИУ имеет повышенные значения Q и K.
6
11
12
В практических схемах емкость C может быть соизмерима C и С (фиг.4).
0
Полученные выше для Q и K соотношения справедливы при выполнении неравенства
которое в области высоких рабочих частот ИУ не является жестким.
Указанные выше структурные особенности схемы ИУ позволяют при необходимости реализовать и предельно низкую чувствительность его добротности. Как это следует из (3), (5) и (6), выполнение условия
которое требует соответствующего выбора площадей транзисторов 14 и 15, позволяет минимизировать параметрические чувствительности добротности ИУ
При этом численное значение Q определяется соотношением резисторов схемы
11
12
и, как видно из (2), это обеспечивает однозначный выбор конденсаторов 11 (C) и 12 (С).
Кроме этого, все модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационно-стойких изделий.
Представленные на чертежах фиг.5-фиг.7 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.4 подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.
0
0
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К на частоте квазирезонанса f, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.
Источники информации
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 / Politchnica 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., K.Schmalz, C.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 4.267.518.
4. Патент WO 2003/052925, fig.3.
5. Патентная заявка US 2011/0169568, fig.4.
6. Патент US 7.135.923.
7. Патент US 3.843.343.
8. Патентная заявка US 2008/0122530.
9. Патент US 6.972.624, fig.6А.
10. Патентная заявка US 2011/0109388.
11. Патент US 5.298.802.