ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

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 трех-четырех 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 3-5 транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-10]. 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 5.371.476. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики 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 связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.1 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.4 показана зависимость коэффициента передачи по напряжению от частоты ИУ фиг.3 при емкостях конденсатора 13 (15) C₁₃=C₁₅=C=200 fF и R₁₂=R₁₄=R=700 Ом, а на совмещенном чертеже фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.3.

На фиг.6 представлена зависимость коэффициента передачи по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.3 от частоты при других параметрах элементов схемы фиг.3 (C=600 fF, R=220 Ом).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10. Эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току K_i первого 6 и второго 8 токовых зеркал идентичны и имеют одинаковые значения в диапазоне К_i=1÷2, а коэффициент передачи по току третьего 9 токового зеркала всегда близок к единице.

В качестве токовых зеркал 6, 8, 9 может применяться широкий спектр классических решений, описанных в технической литературе.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K_y(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀;

f₀ - частота квазирезонанса.

Причем

где C₁₃, C₁₅ - емкость конденсаторов 13 и 15;

- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал;

I_эi - статический ток эмиттера i-го транзистора;

α_i<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.

Если выбрать τ₁=τ₂, R₁₄=R₁₂+h_11.1+h_11.5 то уравнения для Q (6) и K₀ (5) существенно упрощаются:

Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (7), получить заданные значения Q (8) и К₀ (9).

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4-6.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q1, 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. акад. РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.

3. Операционный усилитель 1427УД1 (NE5517) // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.225.

4. Операционный усилитель СФ3078 // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.106.

5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М.: Мир, 1991. - Операционный усилитель LM13600, рис.8.2.1.

6. Патент US 5.371.476.

7. Патент US 3.982.197.

8. Патент US 4.799.026.

9. Патент US 6.750.714.

10. Патент US 4.241.315 fig.4.