УПРАВЛЯЕМЫЙ 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 универсальный 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 [3-17]. 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 2428786, фиг.2. Он содержит источник входного напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, роль которого выполняет присутствующая всегда емкость на подложку выходного транзистора 2, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, 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 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.

Поставленная задача решается тем, что в управляемом избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, вторую 10 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного напряжения 1 соединен с коллектором выходного транзистора 2 через первый 7 корректирующий конденсатор, в качестве цепи установления статического режима 9 выходного транзистора 2 используется токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и второй 10 шиной источника питания, выход устройства 11 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, эмиттер выходного транзистора 2 соединен с базой первого 12 дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора и соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, база второго 13 дополнительного транзистора соединена с эмиттером третьего 15 дополнительного транзистора и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 10 шиной источника питания, причем коллектор второго 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором выходного транзистора 2, коллектор первого 12 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 15 дополнительного транзистора и связан с первой 6 шиной источника питания, а база третьего 15 дополнительного транзистора соединена с источником вспомогательного напряжения 3.

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

На фиг.3 приведена схема ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe транзисторов.

На фиг.4 показаны логарифмическая амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ИУ фиг.3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при следующих параметрах элементов: Rvar1=260 Ом, Rvar2=730 Ом, Cvar1=170 фФ, Cvar2=560 фФ.

На фиг.5 представлена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.3 от величины тока Ivar=I₁₇.

На фиг.6 показана ЛАЧХ ИУ фиг.3 при различных значениях тока Ivar=I₁₇.

На фиг.7 показана схема ИУ фиг.2, в котором в качестве резисторов 4 и 5 используются сопротивления р-n переходов Q₂₂, Q₂₃.

На фиг.8 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.7 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при I₀=6.6 мА, Ivar=10 мА, Cvar 1=520 фФ, Cvar2=7,3 пФ.

На фиг.9 представлена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.7 от тока I₀.

На фиг.10 показана ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях тока I₀.

На фиг.11 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ фиг.7 от параметра Ivar.

На фиг.12 представлена ЛАЧХ ИУ фиг.7 при различных значениях тока Ivar.

Управляемый избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, выходной транзистор 2, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 3, а коллектор через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и общим узлом первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, цепь установления статического режима 9 выходного транзистора 2, вторую 10 шину источника питания. Источник входного напряжения 1 соединен с коллектором выходного транзистора 2 через первый 7 корректирующий конденсатор, в качестве цепи установления статического режима 9 выходного транзистора 2 используется токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 2 и второй 10 шиной источника питания, выход устройства 11 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 4 и второго 5 частотозадающих резисторов, эмиттер выходного транзистора 2 соединен с базой первого 12 дополнительного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора и соединен со второй 10 шиной источника питания через первый 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, база второго 13 дополнительного транзистора соединена с эмиттером третьего 15 дополнительного транзистора и через второй 16 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 10 шиной источника питания, причем коллектор второго 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором выходного транзистора 2, коллектор первого 12 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 15 дополнительного транзистора и связан с первой 6 шиной источника питания, а база третьего 15 дополнительного транзистора соединена с источником вспомогательного напряжения 3.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала u_BX (1) посредством первого 7 корректирующего конденсатора изменяет ток коллекторной цепи транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 5, а также конденсаторами 7 и 8, обеспечивает преобразование этого тока в ток конденсатора 8 выходной цепи. При этом наличие резистивного делителя, образованного резисторами 4 и 5, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор 7 уменьшает этот ток в области нижних частот (f<f₀), где f₀ является частотой квазирезонанса ИУ, а конденсатор 8 уменьшает выходное напряжение в области верхних частот (f>f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка обеспечивает необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы ИУ.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 11) к входному напряжению и_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.

Причем

где C₈, С₇, R₄, R₅ - параметры элементов схемы 8, 7, 4 и 5;

h_11.2 - h-параметр выходного транзистора 2 в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

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

I₁₄, I₀ - токи двухполюсников 14 и 9;

- эквивалентное затухание пассивной частотозависимой 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

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство сопротивлений резисторов 4 и 5 (R₄=R₅). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором соотношений токов I₁₄ и I₀ (3), так и параметрически - установлением определенного соотношения между емкостями конденсаторов 7 (С₇) и 8 (C₈).

Так, при реализации условия

из (3) можно найти, что Q=1/D₀. При этом указанное выше равенство R₄=R₅ обеспечивает следующие параметрические чувствительности добротности ИУ

которые являются минимальными для резистивных элементов схемы. Однако, для ряда техпроцессов доминирующими компонентами схемы оказываются конденсаторы С7 и С8, имеющие более высокие погрешности. Можно показать, что в этом случае реализация условия

обеспечивает минимизацию

.

При этом реализуемая добротность определяется соотношением емкостных элементов схемы

Отмеченные свойства схемы ИУ не исключают возможность реализации равнономинальных резистивных и емкостных элементов схемы. Действительно, как это следует из (3), при выполнении параметрических условий

реализуемая добротность

определяется соотношением токов источников тока I₉ и I₁₄ и может достигать любых численных значений. При этом параметрические чувствительности

определяют основные требования к их реализации двухполюсников 14 и 9 при заданном значении добротности.

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 фиг.4-6, а также фиг.8-12 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства заявляемых схем. Причем графики фиг.5, фиг.6, фиг.9, фиг.10, фиг.11 и фиг.12 показывают зависимость основных параметров ИУ (Q₀, K₀, f₀) от соотношения токов I₉, I₁₄, то есть описывают предлагаемый ИУ как управляемый токами избирательный усилитель.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуются более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства. Важное достоинство заявляемого ИУ - токовое управление основными параметрами.

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. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

4. Патент US 4257518, fig.4.

5. Патент US 6972624, fig.6A.

6. Патентная заявка US 2011/0109388, fig.4.

7. Патент WO/2005/043749, fig.5.

8. Патент WO/2009/127724, fig.4.

9. Патентная заявка US 2011/0057723.

10.Патент US 6011431, fig.4.

11.Патент US 6642794.

12.Патент WO 2007/022705.

13.Патент CN 101204009

14.Патент US 7135923, fig.5.

15.Патент US 6801090, fig.2.

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

17.Патентная заявка US 2006/0186951.