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 большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей ИУ на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно 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 4.267.518, fig.6. Он содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К₀>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 с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. Схема на фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.5 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в укрупненном масштабе, а на фиг.6 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов. Коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения последовательно с первым 10 частотозадающим конденсатором включен второй 14 частотозадающий резистор.

Кроме этого, на фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения второй 5 входной транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в m₁ - раз больше, чем площадь эмиттерного перехода дополнительного прямосмещенного р-n перехода 11, реализуемого, как правило, на транзисторе.

Емкость конденсатора 12 выбирается такой, чтобы в рабочем диапазоне частот ИУ он не оказывал существенного влияния на работу схемы.

Рассмотрим работу ИУ, фиг.3.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K_y(jf) избирательного усилителя, фиг.3, 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 C₁₃, С₁₀ - емкость конденсаторов 13 и 10;

- входное сопротивление 1-го транзистора в схеме с общей базой;

φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

L_эi - статический ток эмиттера i-го транзистора;

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

m₁ - число параллельно включенных транзисторов 5 (или отношение площадей эмиттерных переходов транзисторов 5 и 11).

Если выбрать τ₁=τ₂, R₈=R₁₄+h_11.2+h_11.5, то уравнения для Q (6) и К₀ (5) существенно упрощаются:

Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (8), получить заданные значения Q и К₀ (9).

Данные теоретические выводы подтверждают графики на фиг.5, фиг.6.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ 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. - P.50-53.

2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко П.П., 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 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 US 6.011.431, fig.4

11. Патент US 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 UA 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