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 вспомогательных, универсальных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ узкоспециализированных избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f=1÷5 ГГц.
в
н
в
н
Известны схемы каскодных избирательных усилителей (ИУ) с выходным эмиттерным повторителем [3-7], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=f-f. Причем их верхняя граничная частота f иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f определяется входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте ES 2079397, fig.9. Он содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер подключен к потенциальному выходу устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый вывод которого связан с эмиттером выходного транзистора 7, а второй вывод подключен к первой 3 шине источника питания.
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, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер подключен к потенциальному выходу устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый вывод которого связан с эмиттером выходного транзистора 7, а второй вывод подключен к первой 3 шине источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - между коллектором первого 1 входного транзистора и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 12 корректирующий конденсатор, а между первым выводом второго 11 источника опорного тока и эмиттером первого 1 входного транзистора включен второй 13 корректирующий конденсатор, причем общий узел второго 13 корректирующего конденсатора и первого вывода второго 11 источника опорного тока соединен с токовым входом 14 устройства.
Схема избирательного 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 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения.
вх
вх
На чертеже фиг.4 показан ИУ фиг.3, в котором используется преобразователь 11 входного напряжения u во входной ток i устройства, а также показано конкретное исполнение источников дополнительных напряжений 4, 6.
вх
вх
На чертеже фиг.5 показан ИУ фиг.4 (фиг.3), в котором преобразователь 11 входного напряжения u во входной ток устройства i выполнен на основе дифференциального каскада (элементы 20, 21, 22).
На чертеже фиг.6 приведена схема заявляемого ИУ фиг.5 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На чертеже фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.6 в крупном масштабе, а на чертеже фиг.8 - частотная зависимость коэффициента усиления ИУ фиг.6 в более мелком масштабе.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер подключен к потенциальному выходу устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый вывод которого связан с эмиттером выходного транзистора 7, а второй вывод подключен к первой 3 шине источника питания. Между коллектором первого 1 входного транзистора и общей шиной источников питания включен по переменному току первый 12 корректирующий конденсатор, а между первым выводом второго 11 источника опорного тока и эмиттером первого 1 входного транзистора включен второй 13 корректирующий конденсатор, причем общий узел второго 13 корректирующего конденсатора и первого вывода второго 11 источника опорного тока соединен с токовым входом 14 устройства.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером согласующего транзистора 5 через первый 15 дополнительный резистор, а первый вывод второго 11 токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером выходного транзистора 7 через второй 16 дополнительный резистор.
вх
вх
На чертеже фиг.4 показан ИУ фиг.3, в котором используется преобразователь 11 входного напряжения (u, 19) во входной ток i устройства, а также показано конкретное исполнение источников дополнительных напряжений 4, 6, которые в частном случае реализованы на p-n переходах 17 и резисторе 18.
вх
вх
На чертеже фиг.5 показан ИУ фиг.4 (фиг.3), в котором преобразователь 11 входного напряжения (u, 19) во входной ток устройства (i) выполнен на основе классического дифференциального каскада (элементы 20, 21, 22).
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
вх
0
0
0
0
0
Источник входного сигнала в виде задающего тока i посредством входной дифференцирующей цепи, образованной конденсатором 13 и входными сопротивлениями транзисторов 1 и 7, изменяет эмиттерный ток входного транзистора 1, нагрузочная цепь которого, состоящая из конденсатора 12 и входного сопротивления транзистора 5, обеспечивает его интегрирующее преобразование в приращение эмиттерного и коллекторного тока транзистора 5. Активное сопротивление нагрузки транзистора 5 реализует масштабное преобразование этого приращения во входное напряжение и ток базы транзистора выходной цепи 7. Емкостной характер эмиттерной (выходной) цепи схемы в совокупности с указанными выше преобразованиями входного сигнала обеспечивает реализацию полосно-пропускающей характеристики ИУ, амплитудно-частотная характеристика которого имеет максимум на частоте квазирезонанса f. Взаимодействие выходной цепи 9 с разделительным конденсатором 13 и, следовательно, эмиттерной цепью транзистора 1 способствует организации контура регенеративной обратной связи, которая в области нижних частот (f<<f) (в силу характера проводимости конденсатора 13) имеет реактивный характер и в силу блокирующих свойств конденсатора 12 в области верхних частот (f>>f) сохраняет свои реактивные свойства. Таким образом, обратная связь оказывается вещественной только на частоте квазирезонанса, чем и объясняется увеличение добротности схемы Q и ее коэффициента усиления К. В силу масштабного преобразования тока коллектора транзистора 5 во входной ток транзистора 7, глубина этой вещественной обратной связи не только не влияет на частоту квазирезонанса ИУ, но и непосредственно определяет численное значение Q и К.
0
Покажем аналитически, что более высокие значения К и Q в рабочем диапазоне частот реализуются в схеме фиг.2.
Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:
где f - частота сигнала;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
0
0
К - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f.
Анализ схемы фиг.2 приводит к следующим соотношениям:
1
12
11.5
2
13
11.1
11.7
τ=Ch, τ=C(h+h)
11.i
где h - входное сопротивление i-го транзистора;
i
α - статический коэффициент передачи тока эмиттера i-го транзистора.
10
11.5
0
0
10
11.5
10
Как видно из (4) и (3), соотношение между R и h обеспечивает реализацию любого необходимого значения добротности Q и коэффициента усиления К схемы ИУ при сохранении неизменного значения частоты квазирезонанса f. Одним из важных свойств ИУ фиг.2 является возможность параметрической оптимизации его чувствительности при ограниченных значениях добротности. Как видно из (4), при реализации условия R=h (замена R на прямосмещенный переход)
Поэтому реализация условия
обеспечивает
При параметрических чувствительностях
1
2
Кроме этого, схема ИУ фиг.2 может иметь τ=τ, что способствует увеличению ее динамичного диапазона. В этом случае
10
11.5
Следовательно, выполнение условия R=2h (в коллекторной цепи транзистора 5 используется два прямосмещенных перехода) обеспечивает реализацию высокой добротности
которая определяется статическим коэффициентом усиления по току базы β используемых транзисторов.
0
11.i
т
э
Важной особенностью схемы является возможность режимной настройки ее частоты квазирезонанса f. Как видно из (2) при условии, что h≈φ/I
i
где I - ток i-го токостабилизирующего двухполюсника.
2
11
Как видно из полученного соотношения токи I и I могут использоваться и для цепей реализации перестраиваемого ИУ с коррекцией закона управления.
При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.
вх
вх.1
Как видно из чертежа фиг.3, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе входного преобразователя «напряжение-ток» (дифференциального каскада), обеспечивающего преобразование входного напряжения u во входной ток i избирательного усилителя.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.7, фиг.8.
0
0
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К на частоте квазирезонанса f и 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 ES 2079397, fig.9.
4. Патентная заявка US 2010/0283543, fig.1.
5. Патентная заявка US 2010/0283542, fig.2.
6. Патент US 7633344, fig.1.
7. Ежков Ю.А. «Справочник по схемотехнике усилителей», М.: ИП «РадиоСофт», 2002 г., стр.113, рис.6.18.