Результат интеллектуальной деятельности: ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

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 биполярных транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.

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_в-f_н [3-11]. 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, представленный в патенте RU 2421879, фиг.2. Он содержит токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе по фиг.1, содержащем токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.

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

На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде компьютерного моделирования Cadence (техпроцесс SG25H1).

На чертеже фиг.5 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 ГГц) при R21=80 Ом, C1=500 фФ, С2=50 пФ.

На чертеже фиг.6 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в более узком диапазоне частот (от 100 МГц до 10 ГГц) при R21=80 Ом, С1=500 фФ, С2=50 пФ.

На чертеже фиг.7 показана зависимость добротности Q от сопротивления резистора R21 схемы фиг.4.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания. Коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первого 3 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 16 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.

Для преобразования напряжения источника входного сигнала во входной сигнал токового входа 1 в схеме фиг.3 используется преобразователь «напряжение-ток» 18 с крутизной преобразования S1. В качестве данного функционального узла могут применяться классические каскады с общим эмиттером, общей базой или дифференциальные усилители. Буферный усилитель 19, имеющий вспомогательный выход 20, обеспечивает согласование фильтра с его низкоомной нагрузкой.

В ряде случаев в коллектор транзистора 16 может включаться резистор коллекторной нагрузки, что позволяет получить дополнительный токовый выход устройства.

Рассмотрим работу схемы фиг.3.

Источник входного токового сигнала i_вх изменяет ток коллекторной цепи транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 5, а также конденсаторами 11 и 12, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 5 выходной цепи ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 11 и 12, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.3 как отношение выходного напряжения (выходы устройства 13, 20) к входному напряжению u_вх при достаточно большой емкости первого 6 корректирующего конденсатора определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса ИУ;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем

где C₁₁, C₁₂, R₄, R₅ - параметры элементов 11, 12, 4 и 5;

r=h_11.2(1+m)+h_11.15 - эквивалентное сопротивление в цепи базы транзистора 14; m - число параллельно включенных эмиттерных переходов транзистора 14;

h_11.i - h-параметр i-го транзистора в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

где α_i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;

- эквивалентное затухание пассивной цепи.

За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.

Формула для коэффициента усиления K₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид

где S₁ - крутизна входного преобразователя «напряжение-ток» 18.

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 11 и 12 (C₁₁=С₁₂). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором числа эмиттерных переходов (m) транзистора 14), так и параметрически - установлением соотношения между сопротивлениями резисторов R₄ и R₅ ((R₅+r)/R₄=k). В этом случае параметрическая чувствительность

определяется коэффициентом отношения резисторов (коэффициентом k). При этом численное значение числа m эмиттеров транзистора 14:

позволяет получить заданное значение добротности при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно, при m=2, k=1

где β₂=α₂(1-α₂)^-1.

Если выбрать m=3,

Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств применяемых биполярных транзисторов на частоту квазирезонанса ИУ f₀ и его добротность Q. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов (ΔΘ_R), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f₀.

Численные значения емкости конденсатора 6 (С₆) следует выбирать из следующих соображений.

Если C₆=0, то в формулах (2)-(8) следует считать, что m=0. Практически это означает, что схема ИУ, фиг.3, при C₆=0 практически не имеет улучшения по параметрам K₀ и Q.

Если С₆>>C₁₁, С₆>>С₁₂, то справедливы все формулы (2)-(8) и ИУ имеет повышенные значения Q и K₀.

В практических схемах емкость C₆ может быть соизмерима C₁₁ и С₁₂ (фиг.4).

Полученные выше для Q и K₀ соотношения справедливы при выполнении неравенства

которое в области высоких рабочих частот ИУ не является жестким.

Указанные выше структурные особенности схемы ИУ позволяют при необходимости реализовать и предельно низкую чувствительность его добротности. Как это следует из (3), (5) и (6), выполнение условия

которое требует соответствующего выбора площадей транзисторов 14 и 15, позволяет минимизировать параметрические чувствительности добротности ИУ

При этом численное значение Q определяется соотношением резисторов схемы

и, как видно из (2), это обеспечивает однозначный выбор конденсаторов 11 (C₁₁) и 12 (С₁₂).

Кроме этого, все модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационно-стойких изделий.

Представленные на чертежах фиг.5-фиг.7 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.4 подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

Источники информации

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 / Politchnica 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, 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.