УПРАВЛЯЕМЫЙ ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, системах связи, 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 специализированных избирательных усилителей на биполярных транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) без «лишних» активных элементов при малом энергопотреблении.

Известны схемы ИУ на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. 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 US 4.267.518 fig.6. Он содержит источник сигнала 1, подключенный к базе первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 3 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора и второй 9 шиной источника питания, второй 10 корректирующий конденсатор, второй 11 частотозадающий резистор, причем коллектор второго 3 входного транзистора связан по постоянному току со второй 9 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность

амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и большой коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство с Q=5÷50.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1 источник сигнала 1, подключенный к базе первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 3 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора и второй 9 шиной источника питания, второй 10 корректирующий конденсатор, второй 11 частотозадающий резистор, причем коллектор второго 3 входного транзистора связан по постоянному току со второй 9 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи -второй 10 корректирующий конденсатор включен между базой второго 3 входного транзистора и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 11 частотозадающий резистор включен между базой второго 3 входного транзистора, связанной с выходом устройства 13, и общей шиной 12 источников питания, причем параллельно второму 11 частотозадающему резистору включен по переменному току дополнительный корректирующий конденсатор 14.

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

На фиг.3 представлена схема ИУ фиг.2 на n-p-n SiGe транзисторах в среде Cadence.

На фиг.4 показаны логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Cvar=50пФ, R12=128 Ом, С1=280 фФ.

На фиг.5 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Cvar=5пФ, R12=131 Ом, С1=450 фФ.

На фиг.6 приведена ЛАЧХ ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Cvar=5 пФ и 50 пФ.

На фиг.7 показана ЛАЧХ ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Cvar=50pF и токе Ivar, изменяющимся в диапазоне от 0,4 мА до 1 мА с шагом 0,2 мА.

На фиг.8 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 1 МГц до 100 ГГц при Cvar=5pF и токе Ivar, изменяющимся в диапазоне от 0,4 мА до 1 мА с шагом 0,2 мА.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, подключенный к базе первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 2 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 3 входного транзистора и первой 5 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между коллектором первого 2 входного транзистора и второй 9 шиной источника питания, второй 10 корректирующий конденсатор, второй 11 частотозадающий резистор, причем коллектор второго 3 входного транзистора связан по постоянному току со второй 9 шиной источника питания. Второй 10 корректирующий конденсатор включен между базой второго 3 входного транзистора и коллектором первого 2 входного транзистора, второй 11 частотозадающий резистор включен между базой второго 3 входного транзистора, связанной с выходом устройства 13, и общей шиной 12 источников питания, причем параллельно второму 11 частотозадающему резистору включен по переменному току дополнительный корректирующий конденсатор 14.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала 1 (u_вх) изменяет ток коллектора первого входного транзистора 2. В силу комплексного характера нагрузки его коллекторной цепи на выходе 13 ИУ воспроизводится амплитудно-частотная характеристика полосно-пропускающего типа - конденсатор 10 обеспечивает высокое подавление входного сигнала в области нижних частот (f<f₀), а конденсатор 14 - в области верхних частот (f>f₀). Функция масштабного преобразования коллекторного тока транзистора 2 реализуется на резисторах 8 и 11.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем

где f - частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Если на частоте квазирезонанса f₀ реактивное сопротивление емкости конденсатора 7 значительно меньше, чем сумма эмиттерных сопротивлений транзисторов 2 и 3, то

где С₁₀, С₁₄, R₈, R₁₁ - параметры элементов 10, 14, 8 и 11.

При этом добротность ИУ определяется формулой

где α₂ - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 2;

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

- эквивалентное затухание пассивной частото-

зависимой цепи в коллекторе транзистора 2.

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

Если реализовать условие

то добротность Q и коэффициент усиления К₀

Однако в общем случае формула для коэффициента усиления К₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности. Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 10 и 14 (C₁₀=C₁₄=C). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано параметрически - установлением определенного соотношения между сопротивлениями резисторов 11 (R₁₁) и h_11.2, h_11.3, которые определяются токами источников тока 4 и 6.

где φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

I₀ - некоторое опорное значение тока, например I₀=1 мА.

Поэтому параметрическое условие реализации необходимой добротности легко реализуется выбором режимов работы транзисторов 3 и 2. В частности, при выполнении равенства

обеспечивается экстремально низкая чувствительность добротности ИУ к емкостным элементам схемы. Действительно, указанная выше оптимальность соотношения их номиналов (C₁₀=C₁₄) позволяет реализовать равенство

В практических задачах условие (10) может использоваться для повышения стабильности параметров ИУ в режимах настройки или масштабной перестройки частоты квазирезонанса, которую целесообразно осуществлять током I₆=I_var.

Равенство C₁₄=C₁₀=C не противоречит условию равнономинальности пассивных элементов схемы (R₁₁=R₈=R). В этом случае параметр R

что обеспечивает реализацию требуемой добротности ИУ.

Представленные на чертежах фиг.4-8 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.2-3 подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

Из фиг.6 следует, что емкость конденсатора 7 (C₇=C_var) оказывает положительное влияние на ослабление входного сигнала в диапазоне низких частот. Кроме этого, за счет изменения статического тока транзистора 3 можно управлять параметрами избирательного усилителя - добротностью и коэффициентом усиления (см. фиг.7, фиг.8).

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 WO /2006/077525.

4. Патент US 4.267.518, fig.6.

5. Патент RU 2101850 fig.1.

6. Патент WO /2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3.

8. Патентная заявка US 2007/0040604 fig.3.

9. Патент WO/03052925A1 fig.3.

10. Патент 6.011.431 fig.4.

11. Патент 5.331.478 fig.3.

12. Патент US 4.885.548 fig.9.

13. Патент US 4.974.916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UА 17276

20. Патент US 2009/0289714 fig.4

21. Патент US 7.202.762

22. Патент US 6.188.272

23. Патент US 5.847.605

24. Патент US 7.116.961

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2

27. Патент US 5.012.201 fig.2

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2