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 трех-четырех биполярных транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.
в
н
в
н
Известны схемы ИУ, 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 [3-11]. Причем их верхняя граничная частота f иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f определяется корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте RU 2421879, фиг.2. Он содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора.
0
0
Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность
амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и 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 источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показан ИУ, фиг.2, с конкретным выполнением источника вспомогательного напряжения 7 на элементах 17 и 18.
На фиг.4 показана схема ИУ, фиг.3, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На фиг.5 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0-100 ГГц.
На фиг.6 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0,760-1,5 ГГц.
На фиг.7 приведена амплитудно-частотная характеристика ИУ (АЧХ), фиг.4, в более крупном масштабе.
На фиг.8 приведена фазочастотная характеристика ИУ, фиг.4, в более крупном масштабе.
На фиг.9 приведена временная характеристика по вых. 14 при подаче на вход 1 схемы, фиг.4, синусоидального сигнала.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора. Коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.
Конденсаторы 15 и 16 учитывают емкость на подложку транзисторов 2 и 6, которые оказываются включенными параллельно емкости первого 11 корректирующего конденсатора. Это одна из замечательных особенностей предлагаемой схемы, способствующая расширению частотного диапазона ИУ.
Рассмотрим работу предлагаемой схемы, фиг.2.
вх
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Источник входного сигнала u (1) изменяет токи эмиттера и коллектора входного транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки транзистора 2, образованной параллельным соединением резистора 9 и конденсатора 11, а также последовательным соединением конденсатора 13 и резистора 10, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 10. В области нижних частот (f<f) конденсатор 13 обеспечивает увеличение тока с ростом частоты входного сигнала, а в области верхних частот (f>f) конденсатор 11 - уменьшение как напряжения в цепи коллектора транзисторов 2 и 6, так и тока в резисторе 10. Именно поэтому максимальное значение этого тока соответствует частоте квазирезонанса f ИУ, которая определяется соотношениями между резистивными и емкостными элементами этой цепи. Подключение резистора 10 к эмиттеру транзистора 6 образует первый контур обратной связи, действие которого направлено на увеличение добротности Q. Так, изменение эмиттерного тока транзистора 6 за счет тока резистора 10 приводит к пропорциональному изменению тока его коллектора. В силу указанной выше особенности характера нагрузки коллекторной цепи отношение этих токов достигает максимального значения на частоте квазирезонанса f ИУ. Следовательно, образованная обратная связь является вещественной только на частоте f, и ее действие направлено на увеличение добротности Q. В силу ограничения на коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (α<1) это не может привести к заметному увеличению добротности и является достаточным для изменения структуры цепи и организации дополнительно контура обратной связи путем подключения резистора 10 к базе транзистора 3. Пропорциональность напряжения на базе этого транзистора и тока резистора 10 приводит к изменению токов эмиттеров и коллекторов входных транзисторов 2 и 3. Таким образом, суммарный ток в нагрузке (резистор 9 и конденсатор 11) и тока резистора 10 гарантирует вещественность обратной связи только на частоте квазирезонанса f, увеличение добротности Q и коэффициента усиления K ИУ. Действительно, на частотах f<<f эта связь в силу действия конденсатора 13 является реактивной, на частотах f>>f ее глубина в силу влияния конденсатора 11 оказывается очень низкой. Таким образом, вводимые в схему обратные связи увеличивают как добротность, так и коэффициент усиления ИУ без изменения его частоты квазирезонанса.
вх
Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения (выход устройства 14) к входному напряжению u усилителя, фиг.2, определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
где f - частота сигнала;
0
f - частота квазирезонанса;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
0
0
K - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f.
Частота квазирезонанса схемы определяется из следующего соотношения
а реализуемая добротность и коэффициент усиления
1
13
10
11.6
2
11
9
i
11.i
где τ=C(R+h); τ=CR - эквивалентные постоянные времени цепи нагрузки, α, h - статический коэффициент передачи эмиттерного тока и входное сопротивление i-го транзистора с общей базой.
Важным преимуществом схемы является возможность обеспечения равнономинальности цепи нагрузки и, следовательно, максимизации динамического диапазона схемы. Действительно, как это следует из (3) и (4), выполнение условий
приводит к следующим соотношениям
Таким образом, выбор сопротивления
0
обеспечивает предельное значение Q и создает согласно (5) необходимые степени параметрической свободы для реализации f (2) при максимальном динамическом диапазоне схемы.
Представленные на фиг.5-9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.
0
0
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K на частоте квазирезонанса f, а также 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. - P.50-53.
2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.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 4.267.518.
4. Патент WO 2003/052925, fig.3.
5. Патентная заявка US 2011/0169568, fig.4.
6. Патент US 7.135.923.
7. Патент US 3.843.343.
8. Патентная заявка US 2008/0122530.
9. Патент US 6.972.624, fig.6А.
10. Патентная заявка US 2011/0109388.
11. Патент US 5.298.802.