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) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей ИУ на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f=1÷5 ГГц при малом энергопотреблении.
в
н
в
н
Известны схемы усилителей, 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 [3-15]. 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 US 6.642.794. Он содержит вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник.
0
0
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность  амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К>1 на частоте квазирезонанса (f).
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 усилителе фиг.1, содержащем вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - между коллектором первого 2 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, между коллектором второго 2 входного транзистора и шинами первого 5 и второго 9 источников питания включен по переменному току третий 16 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, его коллектор связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через третий 18 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, причем между выходом устройства 17 и входом устройства 1 включен четвертый 12 резистор.
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 приведена схема ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов с входным преобразователем «напряжение-ток» на транзисторе Q17.
На чертеже фиг.4 показаны логарифмические амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характеристики ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 100 мГц до 10 ГГц, а на чертеже фиг.5 - в диапазоне частот от 100 кГц до 100 ГГц.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит вход 1, который связан с эмиттером первого 2 входного транзистора через первый 3 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 2 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 10 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором второго 6 входного транзистора, третий 11 и четвертый 12 резисторы, второй 13 корректирующий конденсатор, выходной транзистор 14 и второй 15 токостабилизирующий двухполюсник. Между коллектором первого 2 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, между коллектором второго 2 входного транзистора и шинами первого 5 и второго 9 источников питания включен по переменному току третий 16 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, его коллектор связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через третий 18 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, причем между выходом устройства 17 и входом устройства 1 включен четвертый 12 резистор.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
0
0
0
0
0
Взаимодействие выходной цепи ИУ через последовательное соединение резистора 12 и конденсатора 3 с эмиттером транзистора 2 обеспечивает реализацию контура обратной связи. При этом в силу дифференциальных свойств этой цепи в области нижних частот (f<<f) эта обратная связь является реактивной, а в силу интегрирующих свойств коллекторной нагрузки транзистора 2 (резистор 8 и конденсатор 16) в области верхних частот (f>>f) глубина этой обратной связи асимптотически уменьшается. Именно эти свойства эмиттерной и коллекторной цепей транзистора 2 обеспечивают вещественность обратной связи на частоте квазирезонанса f ИУ, и поэтому ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К устройства при сохранении неизменной указанной частоты f.
y
Комплексный коэффициент передачи по напряжению K(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
i
α - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора.
Важной особенностью схемы фиг.2 является возможность реализации ИУ с различными потребительскими свойствами. Так при выборе условия
за счет выбора параметра γ (как видно из соотношения (3)) можно реализовать дополнительные параметрические условия
и обеспечить реализацию добротности, которая определяется следующими аналитическими выражениями
11
8
Таким образом, в схеме фиг.2 добротность Q непосредственно определяется сопротивлением резистивных элементов схемы. Действительно, даже при R<<R
10
12
Следовательно, выбором соотношения между R и R можно обеспечить требуемое значение Q без изменения условий получения заданной частоты квазирезонанса (2).
0
0
Отметим, что условие (5) потенциально обеспечивает увеличение динамического диапазона схемы ИУ. При этих же условиях в силу γ≤2 (см. соотношения (3) и (8)) коэффициент усиления ИУ К практически определяется реализуемой добротностью, что подчеркивает структурные преимущества предложенной схемы. При этом, как это следует из (2), значение частоты квазирезонанса f и ее параметрическая чувствительность не изменяются.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5.
0
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления 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 US 6.642.794, fig.4.
4. Патент US 5.914.639, fig.2.
5. Патент US 2011/0294446.
6. Патент WO/2006/077525.
7. Патентная заявка US 2007/0040604, fig.3.
8. Патентная заявка US 2006/018695, fig.3.
9. Патент WO/2003/052925 A1, fig.3.
10. Патентная заявка US 2011/0109388.
11. Патентная заявка US 2010/0201437.
12. Патент US 5.267.518.
13. Патент US 5.298.802.
14. Патент US 6.972.624.
15. Патент US 7.538.616.