Результат интеллектуальной деятельности: ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

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 SiGe транзисторах, обеспечивающих выделение спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе так называемых усилителей тока Гильберта [3-14], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот ∆f=f_в-f_н. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется входным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US №3.760.194, fig.2. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых связаны с источником вспомогательного напряжения 3, а эмиттеры через соответствующие первый 4 и второй 5 источники опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, третий 7 и четвертый 8 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через третий 9 источник опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, причем коллектор второго 2 входного транзистора соединен с коллектором третьего 7 входного транзистора и через первый частотозадающий резистор 10 связан со второй 11 шиной источника питания, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором четвертого 8 входного транзистора и связан со второй 11 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>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 первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых связаны с источником вспомогательного напряжения 3, а эмиттеры через соответствующие первый 4 и второй 5 источники опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, третий 7 и четвертый 8 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через третий 9 источник опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, причем коллектор второго 2 входного транзистора соединен с коллектором третьего 7 входного транзистора и через первый частотозадающий резистор 10 связан со второй 11 шиной источника питания, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором четвертого 8 входного транзистора и связан со второй 11 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 12, эмиттерно-базовый переход которого включен параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 2 транзистора, а коллектор связан с потенциальным выходом устройства 13 и через резистор нагрузки 14 подключен ко второй 11 шине источника питания, причем токовый вход устройства 15 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через последовательно соединенные первый 16 и второй 17 частотозадающие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источника питания, а общий узел последовательно соединенных первого 16 и второго 17 частотозадающих конденсаторов связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через второй 18 частотозадающий резистор.

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

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На чертеже фиг.4 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига от частоты ИУ фиг.3 в крупном масштабе, а на чертеже фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления ИУ фиг.3 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых связаны с источником вспомогательного напряжения 3, а эмиттеры через соответствующие первый 4 и второй 5 источники опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, третий 7 и четвертый 8 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через третий 9 источник опорного тока связаны с первой 6 шиной источника питания, причем коллектор второго 2 входного транзистора соединен с коллектором третьего 7 входного транзистора и через первый частотозадающий резистор 10 связан со второй 11 шиной источника питания, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором четвертого 8 входного транзистора и связан со второй 11 шиной источника питания. В схему введен дополнительный транзистор 12, эмиттерно-базовый переход которого включен параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 2 транзистора, а коллектор связан с потенциальным выходом устройства 13 и через резистор нагрузки 14 подключен ко второй 11 шине источника питания, причем токовый вход устройства 15 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через последовательно соединенные первый 16 и второй 17 частотозадающие конденсаторы связан по переменному току с общей шиной источника питания, а общий узел последовательно соединенных первого 16 и второго 17 частотозадающих конденсаторов связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через второй 18 частотозадающий резистор.

Кроме этого, на чертеже фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коллекторы первого 1 и четвертого 8 входных транзисторов связаны со второй 11 шиной источника питания через цепь согласования потенциалов 19.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного тока Bx.i₁ изменяет токи частотозадающего четырехполюсника, образованного резисторами 10, 18 и конденсаторами 16 и 17. Причем ток резистора 18 обеспечивает частотную зависимость полосно-пропускающего типа. Таким образом, эмиттерный ток транзистора 12 по сравнению с входным током ИУ имеет аналогичные АЧХ и ФЧХ и, следовательно, выходное напряжение ИУ, образованное падением напряжения его коллекторного тока на резисторе 14, обеспечивает резонансный вид частотных характеристик. Взаимодействие резистора 18 указанного выше четырехполюсника с эмиттером транзистора 2 и базой транзистора 8 обеспечивает реализацию контура регенеративной обратной связи. Глубина этой связи определяется соотношением тока резистора 18 и суммарного тока коллектора транзисторов 2 и 7. Передача части указанного тока через относительно высокоомную базовую цепь транзистора 8, его эмиттерную цепь и эмиттерную цепь транзистора 7 в силу дополнительного эмиттерного перехода первого 1 транзистора позволяет увеличить глубину этой обратной связи. Учитывая, что конденсаторы 16 и 17 образуют для указанного контура делитель тока в области нижних (f<f₀) и верхних (f>f₀) частот и ее реактивный характер, глубина этой обратной связи оказывается вещественной только на частоте квазирезонанса (f₀) ИУ. Таким образом, действие вводимой в схему обратной связи направлено на увеличение ее добротности Q и коэффициента передачи K₀ при f=f₀. Именно поэтому взаимодействие базовой цепи транзистора 8, эмиттерных цепей транзисторов 7 и 8 и коллектора транзистора 7 со входом частотозадающего четырехполюсника (резисторы 10, 18 и конденсаторы 16, 17) обеспечивает реализацию высокой добротности и коэффициента усиления схемы.

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 входного сигнала,

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте f₀,

Q - добротность амплитудно-частотной характеристики ИУ,

α_i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора,

I₉, I₅ - токи источников тока 5 и 9.

Таким образом, численные значения токов I₅ и I₉ обеспечивают необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f₀ (2).

Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно большой добротности. Как видно из (4), при C₁₆=C₁₇ и реализации условия

в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматривающем случае добротность:

а ее коэффициенты чувствительности:

При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.

При практической реализации схемы фиг.2 сформулированные выше условия легко реализуются на базе различных модификаций входных преобразователей «напряжение-ток», обеспечивающих преобразование входного напряжения u_вх во входной ток i_вх.1 ИУ. В схеме фиг.3 этот преобразователь реализован на транзисторах Q₁₀, Q₉.

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, 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 US 4.277.756

4. Патент US 5.973.562

5. Патент US 4.528.517

6. Патент US 4.147.943

7. Патент Англии 2013444

8. Патент Франции 25114217

9. Патент ФРГ 2503384

10. Патент US 4.048.577

11. Патент RU 1.769.345

12. Патент US 4.340.866

13. Патент ЕР 0.058.448

14. Патент US 4.887.047