Результат интеллектуальной деятельности: 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 операционный усилитель [1, 2]. В этой связи весьма актуальной является задача построения избирательных усилителей на трех-четырех 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 [3-11]. 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 2421879, фиг.2. Он содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.

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

На фиг.3 показан ИУ, фиг.2, с конкретным выполнением источника вспомогательного напряжения 7 на элементах 17 и 18.

На фиг.4 показана схема ИУ, фиг.3, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.5 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0-100 ГГц.

На фиг.6 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ИУ, фиг.4, в диапазоне частот 0,760-1,5 ГГц.

На фиг.7 приведена амплитудно-частотная характеристика ИУ (АЧХ), фиг.4, в более крупном масштабе.

На фиг.8 приведена фазочастотная характеристика ИУ, фиг.4, в более крупном масштабе.

На фиг.9 приведена временная характеристика по вых. 14 при подаче на вход 1 схемы, фиг.4, синусоидального сигнала.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник сигнала 1, связанный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора и через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, выходной транзистор 6, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 7, а коллектор подключен к коллектору первого 2 входного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером выходного транзистора 6 и первой 5 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 частотозадающие резисторы, первый 11 корректирующий конденсатор, вторую 12 шину источника питания, связанную с коллектором второго 3 входного транзистора. Коллектор выходного транзистора 6 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор, параллельно которому включен по переменному току первый 11 корректирующий конденсатор, коллектор выходного транзистора 6 через второй 13 корректирующий конденсатор соединен с базой второго 3 входного транзистора, которая через второй 10 частотозадающий резистор подключена к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 14.

Конденсаторы 15 и 16 учитывают емкость на подложку транзисторов 2 и 6, которые оказываются включенными параллельно емкости первого 11 корректирующего конденсатора. Это одна из замечательных особенностей предлагаемой схемы, способствующая расширению частотного диапазона ИУ.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы, фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх (1) изменяет токи эмиттера и коллектора входного транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки транзистора 2, образованной параллельным соединением резистора 9 и конденсатора 11, а также последовательным соединением конденсатора 13 и резистора 10, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 10. В области нижних частот (f<f₀) конденсатор 13 обеспечивает увеличение тока с ростом частоты входного сигнала, а в области верхних частот (f>f₀) конденсатор 11 - уменьшение как напряжения в цепи коллектора транзисторов 2 и 6, так и тока в резисторе 10. Именно поэтому максимальное значение этого тока соответствует частоте квазирезонанса f₀ ИУ, которая определяется соотношениями между резистивными и емкостными элементами этой цепи. Подключение резистора 10 к эмиттеру транзистора 6 образует первый контур обратной связи, действие которого направлено на увеличение добротности Q. Так, изменение эмиттерного тока транзистора 6 за счет тока резистора 10 приводит к пропорциональному изменению тока его коллектора. В силу указанной выше особенности характера нагрузки коллекторной цепи отношение этих токов достигает максимального значения на частоте квазирезонанса f₀ ИУ. Следовательно, образованная обратная связь является вещественной только на частоте f₀, и ее действие направлено на увеличение добротности Q. В силу ограничения на коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (α<1) это не может привести к заметному увеличению добротности и является достаточным для изменения структуры цепи и организации дополнительно контура обратной связи путем подключения резистора 10 к базе транзистора 3. Пропорциональность напряжения на базе этого транзистора и тока резистора 10 приводит к изменению токов эмиттеров и коллекторов входных транзисторов 2 и 3. Таким образом, суммарный ток в нагрузке (резистор 9 и конденсатор 11) и тока резистора 10 гарантирует вещественность обратной связи только на частоте квазирезонанса f₀, увеличение добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ. Действительно, на частотах f<<f₀ эта связь в силу действия конденсатора 13 является реактивной, на частотах f>>f₀ ее глубина в силу влияния конденсатора 11 оказывается очень низкой. Таким образом, вводимые в схему обратные связи увеличивают как добротность, так и коэффициент усиления ИУ без изменения его частоты квазирезонанса.

Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения (выход устройства 14) к входному напряжению u_вх усилителя, фиг.2, определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Частота квазирезонанса схемы определяется из следующего соотношения

а реализуемая добротность и коэффициент усиления

где τ₁=C₁₃(R₁₀+h_11.6); τ₂=C₁₁R₉ - эквивалентные постоянные времени цепи нагрузки, α_i, h_11.i - статический коэффициент передачи эмиттерного тока и входное сопротивление i-го транзистора с общей базой.

Важным преимуществом схемы является возможность обеспечения равнономинальности цепи нагрузки и, следовательно, максимизации динамического диапазона схемы. Действительно, как это следует из (3) и (4), выполнение условий

приводит к следующим соотношениям

Таким образом, выбор сопротивления

обеспечивает предельное значение Q и создает согласно (5) необходимые степени параметрической свободы для реализации f₀ (2) при максимальном динамическом диапазоне схемы.

Представленные на фиг.5-9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также 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 Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.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 4.267.518.

4. Патент WO 2003/052925, fig.3.

5. Патентная заявка US 2011/0169568, fig.4.

6. Патент US 7.135.923.

7. Патент US 3.843.343.

8. Патентная заявка US 2008/0122530.

9. Патент US 6.972.624, fig.6А.

10. Патентная заявка US 2011/0109388.

11. Патент US 5.298.802.