Избирательный усилитель
Владельцы патента RU 2485674:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Избирательный усилитель содержит вход (1), первый (2) корректирующий конденсатор, первый (3) входной транзистор, первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, первую (5) шину источника питания, второй (6) входной транзистор, источник вспомогательного напряжения (7), первый (8) резистор, вторую (9) шину источника питания, второй (10), третий (11) и четвертый (12) резисторы, второй (13) корректирующий конденсатор, выходной транзистор (14), второй (15) токостабилизирующий двухполюсник, выход устройства (17), дополнительный корректирующий конденсатор (18), третий (19) токостабилизирующий двухполюсник. 5 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 (ИУ) (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа вспомогательных, универсальных транзисторов, образующих 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 f0=1÷5 ГГц при малом энегопотреблении.
Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе трех транзисторов [3-11], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн. Причем их верхняя граничная частота fв формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте фирмы Philips Electronics N.V., US №6.642.794. Он содержит вход 1, который связан с первым выводом первого 2 корректирующего конденсатора, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 5 шине источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 3 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 3 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.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K0>1 на частоте квазирезонанса (f0=1÷5 ГГц).
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 вход 1, который связан с первым выводом первого 2 корректирующего конденсатора, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 5 шине источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 3 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 3 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 - второй вывод первого 2 корректирующего конденсатора соединен с коллектором первого 3 входного транзистора, между коллектором первого 3 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, коллектор данного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через последовательно соединенные четвертый резистор 12 и дополнительный корректирующий конденсатор 18 связаны с эмиттером первого 3 входного транзистора, второй 15 токостабилизирующий двухполюсник включен между эмиттером второго 6 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, между выходом устройства 17 и первой 5 шиной источника питания включен третий 19 токостабилизирующий двухполюсник.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На фиг.4 показаны зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига от частоты ИУ фиг.3 в крупном масштабе, а на фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.3 в более мелком масштабе.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит вход 1, который связан с первым выводом первого 2 корректирующего конденсатора, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 5 шине источника питания, второй 6 входной транзистор, база которого соединена с базой первого 3 входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения 7, первый 8 резистор, включенный между второй 9 шиной источника питания и коллектором первого 3 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. Второй вывод первого 2 корректирующего конденсатора соединен с коллектором первого 3 входного транзистора, между коллектором первого 3 входного транзистора и эмиттером второго 6 входного транзистора включены последовательно соединенные третий 11 резистор и второй 13 корректирующий конденсатор, база выходного транзистора 14 подключена к коллектору второго 6 входного транзистора, коллектор данного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства 17 и через последовательно соединенные четвертый резистор 12 и дополнительный корректирующий конденсатор 18 связаны с эмиттером первого 3 входного транзистора, второй 15 токостабилизирующий двухполюсник включен между эмиттером второго 6 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, между выходом устройства 17 и первой 5 шиной источника питания включен третий 19 токостабилизирующий двухполюсник.
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.
Источник входного сигнала uвх (1) через входную дифференцирующую цепь, образованную конденсатором 2 и резистором 8, изменяет через разделительную RC-цепь (конденсатор 13 и резистор 11) эмиттерный ток транзистора 6. Коллекторная нагрузка этого транзистора (резистор 10) обеспечивает преобразование этого тока в выходное напряжение ИУ (Вых.u).
В силу особенностей нагрузки эмиттерной цепи транзистора 14, образованной резистором 12 и конденсатором 18 АЧХ ИУ имеет экстремум на частоте квазирезонанса (f0). Преобразование части выходного напряжения ИУ через конденсатор 18 в дополнительный ток эмиттера транзистора 3 способствует реализации контура регенеративной обратной связи. При этом конденсатор 18 и входное сопротивление транзистора 3 образуют дифференцирующую цепь, а параллельное (по переменному току) соединение конденсатора 2 и резистора 8 - интегрирующую цепь преобразования тока коллектора транзистора 3 в изменения тока эмиттера транзистора 6. Таким образом, характер частотной зависимости вводимого контура обратной связи совпадает с АЧХ и ФЧХ ИУ и, следовательно, действие этой обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления K0 при неизменной частоте квазирезонанса f0.
Покажем аналитически, что более высокие значения K0 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;
f0 - частота квазирезонанаса,
,
K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте f0,
Q - добротность, причем:
αi - коэффициент передачи по току i-го эмиттера транзистора.
Таким образом, численные значения коэффициентов α3 и α6 транзисторов 3 и 6, а также соотношение сопротивлений резисторов 10 и 11 обеспечивают необходимые значения добротности Q и коэффициента усиления K0 ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f0 (2).
Важнейшим свойством предлагаемой схемы ИУ является возможность параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно небольшой добротности. Как видно из (4) при реализации условий
добротность достигает значения
При этом в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматриваемом случае
что обеспечивает минимизацию коэффициентов параметрической чувствительности как добротности, так и коэффициента усиления:
При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.
Как видно из фиг.3, на которой показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе однотипных биполярных транзисторов.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q при низкой параметрической чувствительности и, следовательно, высокой стабильностью его частотных характеристик.
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 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.
Избирательный усилитель, содержащий вход (1), который связан с первым выводом первого (2) корректирующего конденсатора, первый (3) входной транзистор, эмиттер которого через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой (5) шине источника питания, второй (6) входной транзистор, база которого соединена с базой первого (3) входного транзистора и подключена к источнику вспомогательного напряжения (7), первый (8) резистор, включенный между второй (9) шиной источника питания и коллектором первого (3) 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, отличающийся тем, что второй вывод первого (2) корректирующего конденсатора соединен с коллектором первого (3) входного транзистора, между коллектором первого (3) входного транзистора и эмиттером второго (6) входного транзистора включены последовательно соединенные третий (11) резистор и второй (13) корректирующий конденсатор, база выходного транзистора (14) подключена к коллектору второго (6) входного транзистора, коллектор данного транзистора связан со второй (9) шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства (17), и через последовательно соединенные четвертый резистор (12) и дополнительный корректирующий конденсатор (18) связаны с эмиттером первого (3) входного транзистора, второй (15) токостабилизирующий двухполюсник включен между эмиттером второго (6) входного транзистора и первой (5) шиной источника питания, между выходом устройства (17) и первой (5) шиной источника питания включен третий (19) токостабилизирующий двухполюсник.
