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) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, 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 [3-28]. 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 (ИУ), представленный в патенте US 4267518, fig.6. Он содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность

амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

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 f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером второго 7 входного транзистора и первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход 12, первый вывод второго 10 токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора 14, коллектор которого подключен ко второй 6 шине источника питания, а эмиттер через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания и связан с эмиттером второго 7 входного транзистора через разделительный конденсатор 16, причем выход устройства 9 соединен с базой первого 3 входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым 17 корректирующим конденсатором.

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

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

На фиг.4 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в укрупненном масштабе, а на фиг.5 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению в более мелком масштабе.

На фиг.6 показана схема ИУ в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для f₀≈1 МГц.

На фиг.7 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.6.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 входной транзистор, база которого соединена со входом устройства 2, коллектор связан со второй 6 шиной источника питания через первый 8 частотозадающий резистор и соединен с выходом устройства 9, а эмиттер связан с первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника, второй вывод которого подключен к первой 5 шине источника питания, первый корректирующий конденсатор 11. Между эмиттером второго 7 входного транзистора и первым выводом второго 10 токостабилизирующего двухполюсника включен прямосмещенный p-n переход 12, первый вывод второго 10 токостабилизирующего двухполюсника связан с эмиттером первого 3 входного транзистора через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор и соединен с базой дополнительного транзистора 14, коллектор которого подключен ко второй 6 шине источника питания, а эмиттер через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания и связан с эмиттером второго 7 входного транзистора через разделительный конденсатор 16, причем выход устройства 9 соединен с базой первого 3 входного транзистора и зашунтирован по переменному току вторым 17 корректирующим конденсатором.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K_y(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью известных методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀;

f₀ - частота квазирезонанса.

Причем

где C₁₁, C₁₇ - емкости конденсаторов 11 и 17;

- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал;

I_эi - статический ток эмиттера i-го транзистора;

α_i<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.

K_iΣ≈2α₇ - коэффициент усиления схемы по току i_R. (7)

Если выбрать τ₁=τ₂, R₈=R₁₃+h_11.3+2h_11.7, то уравнения для Q (6) и K₀ (5) существенно упрощаются:

Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов получить заданные значения Q (8) и K₀ (9).

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5, фиг.7.

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.

Литература

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, 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 4267518, 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 US 6011431, fig.4.

11. Патент US 5331478, fig.3.

12. Патент US 4885548, fig.9.

13. Патент US 4974916, fig.1.

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

15. Патент US 5298802.

16. Патент US 2009/0261899, fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UA 17276.

20. Патент US 2009/0289714, fig.4.

21. Патент US 7202762.

22. Патент US 6188272.

23. Патент US 5847605.

24. Патент US 7116961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388, fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951, fig.2.

27. Патент US 5012201, fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437, fig.2.