Результат интеллектуальной деятельности: ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

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 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_a-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 источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника 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, фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор входного транзистора 3 подключен к выходу преобразователя «напряжение - ток» 2 через прямосмещенный р-n переход 11 и соединен с базой дополнительного транзистора 12, эмиттер дополнительного транзистора 12 связан с первой 6 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 9 корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» 2, который связан со второй 10 шиной источника питания через первый 7 частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» 2 связан по переменному току с общей шиной источников питания 14 через последовательно соединенные второй 15, третий 16 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 17 и через второй 8 частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора 3, причем коллектор дополнительного транзистора 12 связан со второй 10 шиной источника питания.

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 ИУ, фиг.3, в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25H1).

На чертеже фиг.5 показаны логарифмическая амплитудно- и фазочастотная характеристики ИУ, фиг.3, в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 ГГц) при R21=310 Ом, С1=410 фФ, С2=30 пФ.

На чертеже фиг.6 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ, фиг.3, в более узком диапазоне частот (от 100 МГц до 10 ГГц) при R21=310 Ом, С1=410 фФ, С2=30 пФ.

Чертеж фиг.7 иллюстрирует зависимость добротности Q и частоты f₀ ИУ, фиг.3, от сопротивления резистора R21.

На чертеже фиг.8 показана зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ от параметра элемента С1 в схеме ИУ, фиг.3.

На чертеже фиг.9 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ от параметра С2 ИУ, фиг.3, изменяющегося в пределах от 0 до 200 пФ.

На чертеже фиг.10 показана ЛАЧХ ИУ, фиг.3, в диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при R21-310 Ом, С1=410 фФ и трех значениях С2=0; 10 пФ; 100 пФ.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник входного напряжения 1, связанный со входом преобразователя «напряжение - ток» 2, входной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, первый 9 корректирующий конденсатор, вторую 10 шину источника питания. Коллектор входного транзистора 3 подключен к выходу преобразователя «напряжение - ток» 2 через прямосмещенный р-n переход 11 и соединен с базой дополнительного транзистора 12, эмиттер дополнительного транзистора 12 связан с первой 6 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 9 корректирующий конденсатор соединен с выходом преобразователя «напряжение - ток» 2, который связан со второй 10 шиной источника питания через первый 7 частотозадающий резистор, выход преобразователя «напряжение - ток» 2 связан по переменному току с общей шиной источников питания 14 через последовательно соединенные второй 15, третий 16 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с выходом устройства 17 и через второй 8 частотозадающий резистор соединен с эмиттером входного транзистора 3, причем коллектор дополнительного транзистора 12 связан со второй 10 шиной источника питания.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор второго 12 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через вспомогательный резистор 18 и соединен с первым дополнительным выходом устройства 19.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, между выходом устройства 17 и вторым дополнительным выходом 20 включен буферный усилитель 21. В качестве преобразователя «напряжение - ток» 2 могут применяться классические усилительные каскады (ОБ, ОЭ, ДУ и т.п.)

Рассмотрим работу схемы фиг.3.

Источник входного напряжения (1) через преобразователь «напряжение - ток» 2 изменяет ток коллекторной цепи транзистора 3. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 7 и 8, а также конденсаторами 15 и 16 обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 8 выходной цепи. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 15 и 16, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.

При емкости конденсатора 9 (C₉>>C₁₅, C₉>>C₁₆) комплексный коэффициент передачи ИУ, фиг.2, как отношение выходного напряжения (выход устройства 17) к входному напряжению u_вx 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;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где C₁₅, C₁₆, R₇, R₈ - параметры элементов 15, 16, 7 и 8;

h_11.i - h-параметр i-го транзистора (р-n перехода 11 на базе биполярного транзистора) в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой:

где α₃ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 3; m - число эмиттеров в транзисторе 12;

- эквивалентное затухание пассивной цепи.

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

Формула для коэффициента усиления К₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид:

где S₂ - крутизна входного преобразователя «напряжение - ток» 2.

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 15 и 16 (С₁₅=С₁₆). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором числа эмиттерных переходов (m) транзистора 12), так и параметрически - установлением заданного соотношения между сопротивлениями резисторов 7 (R₇) и 8 (R₈) ((R₈+h_11.3)/R₇=k). В этом случае параметрическая чувствительность

определяется коэффициентом отношения резисторов (коэффициентом k). При этом численное значение числа m эмиттеров транзистора 12:

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

а при m=3

Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств биполярных транзисторов на частоту квазирезонанса ИУ и его добротность. 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 9 (C₉) следует выбирать из следующих соображений.

Если С₉=0, то в формулах (2)-(8) следует считать, что m=0. Практически это означает, что схема ИУ, фиг.3, при C₉=0 практически не имеет улучшения по параметрам K₀ и Q.

Если С₉>>C₁₅, C₉>>С₁₆, то справедливы все формулы (2)-(8) и ИУ имеет повышенные значения Q и К₀, которые находятся в соответствии с (2)-(8).

В практических схемах емкость С₉ может быть соизмерима с С₁₅ и C₁₆ (фиг.9).

Графики фиг.9 показывают, что емкость конденсатора 9 (фиг.3) или то же самое С₂ (фиг.3) также может использоваться для формирования параметров резонансной характеристики ИУ, если ее значения лежат в пределах 2÷40 пФ. Однако авторы рекомендуют выбирать C₉(С₂)=40÷70 пф для техпроцесса SG25H1.

Кроме этого, все возможные модификации заявляемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационностойких изделий, которые оказываются более работоспособными в условиях космического пространства.

Представленные на чертежах фиг.5-фиг.10 результаты моделирования предлагаемого ИУ, фиг.3, подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ 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 / - 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, 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.6A.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент US 5.298.802.