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) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа вспомогательных транзисторов, образующих универсальный операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ узкоспециализированных избирательных усилителей на 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 избирательных усилителей (ИУ) на основе двух токовых зеркал, согласованных с разными шинами источников питания [3-9], 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) или «шунтирующим» конденсатором, а нижняя f определяется входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4380740. Он содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор.
Кроме этого, архитектура ИУ-прототипа запатентована в RC-фильтре по патентной заявке US 2011/0090824 (fig.6, fig.7).
0
0
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность  амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K>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 с малым энергопотреблением.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор, предусмотрены новые элементы и связи - выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.
Схема 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 ИУ фиг.2 в с конкретным выполнением первого 11 и второго 15 усилителей тока, имеющим низкое входное сопротивление.
На чертеже фиг.4 показан ИУ фиг.2 с другим вариантом выполнения усилителей тока 11 и 15.
На чертеже фиг.5 показан ИУ фиг.3, у которого во входную цепь введен преобразователь «напряжение-ток» 30.
На чертеже фиг.6 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 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 при разных значениях коэффициентов усиления по току токового зеркала 2 (4), а на чертеже фиг.8 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.6 в более мелком масштабе.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор. Выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.
В схеме фиг.3 первый 11 усилитель тока реализован на основе каскада с общей базой на транзисторе 17, цепи смещения потенциала 18 и двухполюсника 19, а второй 15 усилитель тока содержит биполярный транзистор с включением по схеме с общей базой, коллектор которого соединен с потенциальным выходом устройства 16. Его нагрузкой является резистор 21.
В схеме фиг.4, соответствующей чертежу фиг.2, используются другие варианты выполнения усилителей тока 11 и 15. В частности, первый усилитель тока 11 реализован на транзисторе 22 и резисторе 23, а второй усилитель тока 15 выполнен на транзисторе 25, резисторах 24 и 26. Статический режим транзисторов 22 и 25 устанавливается резисторами 27, 28 и p-n переходами 29. В данной схеме выход 16 усилителя тока 15, в отличие от схемы фиг.3, согласован со второй 5 шиной источника питания.
вх
вх
Для случая, когда входным сигналом для ИУ является напряжение (u) между источником u и токовым входом 1 устройства необходимо включить преобразователь «напряжение-ток», например, на основе дифференциального каскада 30, который реализован (в частном случае) на транзисторах 31, 32, источнике тока 33 и цепи смещения потенциалов 34.
Токовые зеркала 2 и 4 выполняются по классическим схемам.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
вх.1
вх.4
вх.4
i12.4
0
i12.2
i12.4
0
Источник входного переменного сигнала в виде тока i изменяет входной ток токового зеркала 2 и далее входной ток (i) токового зеркала 4. Эти изменения i через коэффициент передачи по току K передаются в частотно-зависимую цепь нагрузки токового зеркала 4. Структура этой цепи нагрузки, образованная резисторами 6, 9, 13 и конденсаторами 7, 8, обеспечивает полосно-пропускающий тип частотных характеристик ИУ - конденсатор 8 - формирует уменьшение амплитуды токов резисторов 9 и 13 в области верхних частот ИУ, а конденсатор 7 - уменьшают сигнал в области нижних частот ИУ. В результате протекающие через резисторы 9 и 13 токи обеспечивают полосно-пропускающую селекцию выходного напряжения усилителя 15. Аналогично, ток резистора 9 изменяет входной ток усилителя 11 и, следовательно, входной ток токового зеркала 2. Совпадение вида частотной зависимости этого тока с характеристиками ИУ позволяет реализовать как в области верхних частот, так и в области нижних частот ИУ реактивную обратную связь, повышающую ослабление сигналов в этом диапазоне частоте на выходе 16. Таким образом, только на одной частоте (частоте квазирезонанса ИУ f) фазовые сдвиги в контуре обратной связи ИУ совпадают, а численное значение коэффициентов передачи К, K будет направлено на обеспечение добротности Q и коэффициента усиления К избирательного усилителя.
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,
0
f - частота квазирезонанаса,
0
0
К - коэффициент усиления ИУ на частоте f
Q - добротность, причем:
i12.2
i12.4
i.11
где К, K, K - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 2, 4 и дополнительного усилителей тока 11.
i12.2
i12.4
0
0
Таким образом, численные значения коэффициентов К, K токовых зеркал 4, 2 обеспечивают необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления K ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f (2).
7
8
Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно большой добротности. Как видно из (4) при C=C и реализации условия
в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматривающем случае добротность:
а ее коэффициенты чувствительности:
, ,
.
При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.
вх
вх.1
Как видно из чертежа фиг.5, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе входного преобразователя «напряжение-ток» 30 (дифференциального каскада), обеспечивающего преобразование входного напряжения u во входной ток ИУ i.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.7, фиг.8.
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 при низких коэффициентах чувствительности (8).
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., K.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 US 4380740.
4. Патентная заявка US 2003/0218496, fig.10.
5. Патент US 6586918, fig.6.
6. Патент US 4558287, fig.2.
7. Патентная заявка US 2011/0090824, fig.6, fig.7.
8. Патент US 5880639, fig.1.
9. Патент US 5548287.