ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
SELECTIVE AMPLIFIER

Предлагаемое 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 транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения узкоспециализированных СВЧ 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 2.079.397 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 соединен с потенциальным выходом 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, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12.
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.
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 соединен с потенциальным выходом 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, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного напряжения 12 связан с коллектором первого 1 входного транзистора через первый 13 частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода 9 и второго 11 источника опорного тока связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 14 частотозадающий конденсатор.
Схема избирательного усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.4 в крупном масштабе, а на фиг.6 - частотная зависимость коэффициент усиления ИУ фиг.4 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 соединен с потенциальным выходом 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, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12. Источник входного напряжения 12 связан с коллектором первого 1 входного транзистора через первый 13 частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода 9 и второго 11 источника опорного тока связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 14 частотозадающий конденсатор.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора связан с эмиттером согласующего транзистора 5 через первый 15 дополнительный резистор, а эмиттер выходного транзистора 7 связан с потенциальным выходом устройства 9 через второй 16 дополнительный резистор.
Рассмотрим работу ИУ фиг.3.
вх
0
15
13
16
14
14
14
16
0
0
13
0
0
Источник входного сигнала 12 (u) посредством дифференцирующей входной цепи (первый 15 дополнительный резистор и первый 13 частотозадающий конденсатор) изменяет эмиттерный ток согласующего транзистора 5. Пропорциональность преобразования этого тока в его коллекторное напряжение, обусловленная сопротивлением первого 10 вспомогательного резистора, изменяет выходное напряжение ИУ (выход 9) по интегрирующему закону, который реализуется выходной RC-цепью (второй 16 дополнительный резистор и второй 14 частотозадающий конденсатор). Именно поэтому форма АЧХ и ФЧХ схемы фиг.3 соответствует избирательной цепи, частота квазирезонанса (f) которой определяется соотношением постоянных времени входной (R, C) и выходной (R, С) RC-цепями. Передача части выходного сигнала посредством преобразования выходного напряжения ИУ через конденсатор С в эмиттерный ток первого 1 входного транзистора в коллекторную цепь согласующего транзистора 5 обеспечивает реализацию контура комплексной обратной связи. В силу того, что входная цепь ИУ (первый 13 частотозадающий конденсатор и первый 15 дополнительный резистор) в этом контуре выполняет функции интегрирующей RC-цепи, а интегрирующая цепь тракта передачи входного сигнала (С, R) функции дифференцирующего преобразования сигнала обратной связи, вид АЧХ и ФЧХ возвратного отношения ИУ соответствует характеристикам полосно-пропускающего типа. Именно поэтому действие контура обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления ИУ на частоте его квазирезонанса f, которая не зависит от глубины этой обратной связи. Таким образом, с ростом частоты ток эмиттера транзистора 1 увеличивается, а при f>f напряжение его коллектора (в силу влияния емкости конденсатора C уменьшается. При f<f происходит обратное явление. Таким образом, в указанных частотных диапазонах обратная связь не вещественна и приближается к реактивной, а глубина вещественной обратной связи (f=f) непосредственно определяется коэффициентом преобразования тока коллектора согласующего транзистора 5 в его коллекторное напряжение.
0
Покажем аналитически, что более высокие значения K и Q в рабочем диапазоне частот реализуются в схеме фиг.3.
Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:
где
1
13
15
11.5
2
14
16
11.7
11.1
τ=C(R+h); τ=C(R+h+h)
i
α - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора i-го транзистора.
10
16
1
2
0
0
Таким образом, численные значения сопротивлений R и R независимо от соотношения постоянных времени τ и τ, т.е. от f, обеспечивают необходимые значения добротности Q и коэффициента усиления K.
1
2
14
13
15
16
Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность параметрической оптимизации динамического диапазона, требующего равенства τ=τ при относительно большой добротности. Как видно из (4) и (3), при С=С, R=R
При этом ее коэффициенты чувствительности:
В то же время частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.
15
16
11.7
11.1
Как видно из чертежа фиг.4, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются выбором соотношения между R, R и h, h посредством токов режимных источников тока.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5, фиг.6.
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.
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 2.079.397, fig.9.
4. Патентная заявка US 2010/0283543, fig.1.
5. Патентная заявка US 2010/0283542, fig.2.
6. Патент US 7.633.344, fig.1.
7. Ежков Ю.А. «Справочник по схемотехнике усилителей», М.: ИП «Радиософт», 2002 г., стр.113, рис.6.18.