Избирательный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Такой результат достигается тем, что избирательный усилитель содержит первый (1) входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго (5) входного транзистора. База второго (5) входного транзистора связана по переменному току с выходом (9) устройства, второй вывод первого (10) корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора (11), эмиттер дополнительного транзистора (11) соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора (11) включен дополнительный p-n-переход (12), выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора (11) подключен источник опорного тока (14). 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

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.

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 (RC-фильтров) 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 двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4.267.518 fig.6. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ-усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 5 входного транзистора связана по переменному току с выходом 9 устройства, второй вывод первого 10 корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора 11, эмиттер дополнительного транзистора 11 соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора 11 включен дополнительный р-n-переход 12, выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора 11 подключен источник опорного тока 14.

Схема 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 в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 представлена схема ИУ фиг.2, в котором источник сигнала 2 для ИУ содержит дополнительный эмиттерный повторитель на транзисторе 16 и источнике тока 17.

На фиг.5 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npnVs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD), а на фиг.6 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при изменении числа m параллельно-включенных биполярных транзисторов Q17, Q20, Q21 (m=1, m=2, m=3), образующих дополнительный транзистор 11 (фиг.2, фиг.3).

На фиг.7 и фиг.8 в более мелком масштабе показаны логарифмические амплитудно- (фиг.7) и фазо-частотные (фиг.8) характеристики ИУ фиг.5 при m=1, m=2, m=3.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго 5 входного транзистора. База второго 5 входного транзистора связана по переменному току с выходом 9 устройства, второй вывод первого 10 корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора 11, эмиттер дополнительного транзистора 11 соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора 11 включен дополнительный p-n-переход 12, выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому 8 частотно-задающему резистору включен по переменному току второй 13 корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора 11 подключен источник опорного тока 14.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения дополнительный транзистор 11 выполнен в виде составного транзистора, содержащего m>1 параллельно-включенных биполярных транзисторов.

Кроме этого, на фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором включен второй 15 частотно-задающий резистор, что позволяет уменьшить влияние статического режима транзисторов на f₀.

В схеме фиг.4 обобщенный источник сигнала 2 содержит эмиттерный повторитель на транзисторе 16 и источнике тока 17. Это обеспечивает расширение диапазона изменения выходного напряжения ИУ.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала 2 (u_вх) изменяет эмиттерный и, как следствие, коллекторный токи первого 1 входного транзистора. Характер нагрузки tuj коллекторной цепи (первый 8 частотно-задающий резистор и второй 13 корректирующий конденсатор) и эмиттерная цепь, образованная многоэмиттерным дополнительным транзистором 11 и прямосмещенным дополнительным р-n-переходом 12 (его режим определяется током источника опорного тока 14) и первым 10 корректирующим конденсатором, определяют резонансный вид амплитудно-частотной характеристики ИУ. При этом частотная зависимость тока i_c через конденсатор 10 определяется амплитудными и фазовыми соотношениями эквивалентной проводимости эмиттерной цепи первого 1 входного транзистора, а выходное напряжение ИУ (выход устройства 9) - нагрузкой цепи его коллектора. Подключение базы второго 5 входного транзистора к выходу устройства 9 при стабильном статическом токе второго 6 токостабилизирующего двухполюсника I₆=I₀ и изменение тока i_c под действием выходного напряжения ИУ (в силу свойств эмиттерной цепи второго 5 и первого 1 входных транзисторов) реализует на частотах f<<f₀ реактивную обратную связь, действие которой (при условии параллельного соединения на переменном токе первого 8 частотно-задающего резистора и второго 13 корректирующего конденсатора) направлено на увеличение его селективности - добротности Q и коэффициента усиления K₀. Глубина этой обратной связи и возвратное отношение на частоте квазирезонанса f₀ определяется числом эмиттеров (m) дополнительного транзистора 11 и током источника опорного тока 14 I₁₄=I₀, что в конечном итоге определяет добротность Q и коэффициент усиления K₀.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Можно показать, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁≈C₁₀[h_11.5+r_d12+h_11.1(1+m)];

τ₂=C₁₃R₈,

φ_T≈25 мВ,

- коэффициент усиления на частоте f₀.

После преобразований формулы (3) можно найти, что

.

Таким образом, добротность Q и коэффициент усиления на частоте f₀.

где I₀ - ток задающего режим источника опорного тока 14; m - число параллельно включенных эмиттерных переходов дополнительного транзистора 11; φ_T=kT/q - температурный потенциал; α_i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора; h_11.i - дифференциальное входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.

Если τ₁=τ₂, R₈=R₁₅, то после преобразований (4) можно найти

где

Таким образом, в заявляемой схеме добротность Q определяется технологическим параметром m, который выбирается на этапе проектирования ИУ. Его приближенное значение

Соотношения (4), (5), (6) наглядно демонстрируют, что число эмиттерных переходов m и величина тока I₀ позволяют реализовать в предлагаемой структуре ИУ заданные значения его добротности Q и коэффициента усиления K₀.

Для уменьшения влияния тока I₀ на частоту квазирезонанса f₀ (полюса) ИУ в эмиттерную цепь второго 5 входного транзистора последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором необходимо включить второй 15 частотно-задающий резистор (фиг.3). В этом случае

Поэтому параметрическая чувствительность f₀ к изменения тока I₀

может минимизироваться (или контролироваться) выбором численного значения сопротивления частотно-задающего резистора 15 (R₁₅). Именно поэтому схема фиг.3 (при определенном сочетании реализуемых параметров Q, f₀ и К₀) дополняет схему ИУ фиг.2.

При реализации незначительных добротностей (Q лежит в пределах несколько единиц) увеличение максимального выходного напряжения ИУ обеспечивается подключением к его входу дополнительного повторителя напряжения на транзисторе 16 (фиг.4). В этом случае при отсутствии нелинейных искажений в коллекторной цепи первого 1 входного транзистора максимальное значение выходного и входного напряжений

U_{вых.макс}≈К₀U_{вх.макс}

Представленные на фиг.2, 3, 4 принципиальные схемы заявляемого ИУ являются взаимодополняющими при различных сочетаниях его заданных параметров (f₀, Q, К₀).

Полученные выше теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀ 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 WO/2006/077525.

4. Патент US 4.267.518, fig.6.

5. Патент RU 2101850 fig.1.

6. Патент WO/2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3.

8. Патентная заявка US 2007/0040604 fig.3.

9. Патент WO/03052925A1 fig.3.

10. Патент US 6.011.431 fig.4.

11. Патент US 5.331.478 fig. 3.

12. Патент US 4.885.548 fig.9.

13. Патент US 4.974.916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент EP 1844547.

19. Патент UA 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7.202.762.

22. Патент US 6.188.272.

23. Патент US 5.847.605.

24. Патент US 7.116.961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.

27. Патент US 5.012.201 fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с первым источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотно-задающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с эмиттером второго (5) входного транзистора, отличающийся тем, что база второго (5) входного транзистора связана по переменному току с выходом (9) устройства, второй вывод первого (10) корректирующего конденсатора подключен к базе дополнительного транзистора (11), эмиттер дополнительного транзистора (11) соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, параллельно эмиттерно-базовому переходу дополнительного транзистора (11) включен дополнительный p-n переход (12), выполненный на основе биполярного транзистора, параллельно первому (8) частотно-задающему резистору включен по переменному току второй (13) корректирующий конденсатор, причем к базе дополнительного транзистора (11) подключен источник опорного тока (14).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный транзистор (11) выполнен в виде составного транзистора, содержащего m>1 параллельно-включенных биполярных транзисторов.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) корректирующим конденсатором включен второй (15) частотно-задающий резистор.