ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

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 n-p-n транзисторах, которые обеспечивают ряд преимуществ в сравнении с ИУ на транзисторах p-n-p и выделяют узкий спектр сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.
в
н
в
Известны схемы ИУ на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f-f [3-17]. Причем их верхняя граничная частота f иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя Гц определяется корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US №4.885.548, fig.4. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, объединенные эмиттеры которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход 5 устройства, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и через частотозадающий резистор 6 связанный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между выходом 5 устройства и базой первого 1 входного транзистора, второй 9 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 7 шиной источника питания, а источник входного напряжения 10 соединен с базой второго 2 входного транзистора.
<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 ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большой 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, фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, объединенные эмиттеры которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход 5 устройства, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и через частотозадающий резистор 6 связанный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между выходом 5 устройства и базой первого 1 входного транзистора, второй 9 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 7 шиной источника питания, а источник входного напряжения 10 соединен с базой второго 2 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - второй 9 корректирующий конденсатор включен по переменному току параллельно первому 6 частотозадающему резистору, а базы первого 1 и второго 2 входных транзисторов связаны с источником напряжения смещения потенциалов 11 через соответствующие первый 12 и второй 13 дополнительные частотозадающие резисторы, причем источник входного напряжения 10 соединен с базой второго 2 входного транзистора через третий 14 корректирующий конденсатор.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлена схема ИУ, фиг.2, на SiGe npn транзисторах в среде компьютерного моделирования Cadence для разных выходов ИУ (Вых.1 (5), Вых.2 (16), Вых.диф).
На фиг.4 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) коэффициента усиления по напряжению ИУ, фиг.3, для выхода 5.
11
На фиг.5 приведена зависимость (ЛАЧХ) коэффициента усиления по напряжению от тока первого 4 токостабизирующего двухполюсника (тока I в обозначениях фиг.3).
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, объединенные эмиттеры которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход 5 устройства, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и через частотозадающий резистор 6 связанный со второй 7 шиной источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между выходом 5 устройства и базой первого 1 входного транзистора, второй 9 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 7 шиной источника питания, а источник входного напряжения 10 соединен с базой второго 2 входного транзистора. Второй 9 корректирующий конденсатор включен по переменному току параллельно первому 6 частотозадающему резистору, а базы первого 1 и второго 2 входных транзисторов связаны с источником напряжения смещения потенциалов 11 через соответствующие первый 12 и второй 13 дополнительные частотозадающие резисторы, причем источник входного напряжения 10 соединен с базой второго 2 входного транзистора через третий 14 корректирующий конденсатор.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
вх
0
0
0
Источник входного напряжения u (10) посредством входного преобразователя «напряжение-ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи второго 2 входного транзистора. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 6 и 12, а также конденсаторами 9 и 8 обеспечивает преобразование этого тока в выходной сигнал ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 9 и 8 обеспечивает функциональную зависимость этого сигнала, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсаторы 8 и 14 уменьшают выходное напряжение в области нижних частот (f<f), где f является частотой квазирезонанса ИУ, а конденсатор 9 уменьшает этот сигнал в области верхних частот (f>f). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно - и фазочастотных характеристик схемы ИУ.
0
0
Соединение выходной цепи с базой транзистора 1 реализует контур комплексной обратной связи в ИУ, которая является вещественной только на частоте квазирезонанса схемы (f) и, следовательно, направлена на увеличение реализуемой добротности Q и коэффициента усиления К ИУ. При этом на выходе 16 за счет использования резистора 15 в коллекторе транзистора 1 реализуется функция амплитудной коррекции с глубиной, определяемой сопротивлением резистора 15.
вх
Комплексный коэффициент передачи ИУ, фиг.2, как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению u (1) 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><mn>5</mn></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>i</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></mfrac></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></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>9</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
9
8
6
12
где C, C, R, К - параметры соответствующих элементов схемы 9, 8, 6 и 12;
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><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</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>9</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> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
11.1
где α - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 2; h - входное сопротивление i-го транзистора с общей базой;
<mrow><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>+</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
- эквивалентное затухание пассивной частотозависимой цепи.
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><mo>−</mo><mi>Q</mi><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></msqrt><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mo>≈</mo><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></mrow>
где
.
Из соотношения (3) следует возможность параметрической оптимизации схемы ИУ при реализации требуемой добротности. Действительно,
<mrow><msup><mi>Q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>k</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
где
;
.
При этом параметрические чувствительности
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>k</mi><msub><mi>D</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>k</mi><msub><mi>D</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>S</mi><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>S</mi><mi>Q</mi></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Q</mi><mi>S</mi><mi>R</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mn>6</mn><none /></mmultiscripts></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
могут оптимизироваться по одному из критериев - суммарная чувствительность, среднеквадратическая чувствительность и т.п. Так, при минимизации среднеквадратической чувствительности
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,6</mn><mtext> </mtext><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2,5,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а соотношение между резистивными элементами определяется из условия (5) практической реализации Q.
При использовании резистора 15 на выходе 2 реализуется функция амплитудного корректора с соответствующей глубиной (затуханием нуля)
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Представленные на фиг.4-5 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.
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.
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 / Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - P.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. Патентная заявка US 2008/0012640, fig.4.
4. Патент US 7.705.677, fig.2.
5. Патент US 6.396.346.
6. Патент US 5.767.542, fig.2, fig.3.
7. Патент US 6.690.231, fig.6.
8. naTeHTUS6.624.699.
9. Патент US 6.198.348, fig.2.
10. Патент ЕР 1.480.333, fig.1, fig.17.
11. Патент JP 2010-28311.
12. Патент WO 03094344, fig.3.
13. Патентная заявка US 2003/0206062, fig.3, fig.4.
14. Патентная заявка US 2006/0125561 fig.1.
15. Патент WO 2009/029284.
16. Патентная заявка US 2007/0146070 fig.1.
17. Патентная заявка US 2010/0013557.