избирательный усилитель

Формула изобретения

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, эмиттер которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, второй (4) входной транзистор, база которого подключена к базе первого (1) входного транзистора, а эмиттер через второй (5) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания, первое (7) токовое зеркало, согласованное со второй (6) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, второе (8) токовое зеркало, согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (4) входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого (7) токового зеркала и выходу устройства (9), отличающийся тем, что между входом устройства (10) и эмиттером второго (4) входного транзистора включены последовательно соединенные первый (11) дополнительный резистор и первый (12) корректирующий конденсатор, между входом устройства (10) и эмиттером первого (1) входного транзистора включены последовательно соединенные второй (13) дополнительный резистор и второй (14) корректирующий конденсатор, базы первого (1) и второго (4) входных транзисторов подключены к выходу (9) устройства, а между выходом (9) устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий (15) дополнительный резистор и третий (16) корректирующий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между входом устройства (10) и эмиттером второго (4) входного транзистора включены последовательно соединенные первый (17) дополнительный эмиттерный повторитель, первый (11) дополнительный резистор и первый (12) корректирующий конденсатор, а между входом устройства (10) и эмиттером первого (1) входного транзистора включены последовательно соединенные второй (18) эмиттерный повторитель, второй (13) дополнительный резистор и второй (14) корректирующий конденсатор.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты передачи по току первого (7) и второго (8) токовых зеркал лежат в пределах 1÷2.

Описание изобретения к патенту

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 (RC-фильтров) 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 достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей (ИУ) на нескольких транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей подкласса dual-input-stage [3-12] с низкоомным входом, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот f=f_в-f_н [3-12]. 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 (ИУ), представленный в патенте US 4.636.743, fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀), где f_в, f_н - верхняя и нижняя граничные частоты АЧХ по уровню

- 3 дБ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя Q и его коэффициента усиления по напряжению К₀ 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 первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9, предусмотрены новые элементы и связи - между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор, базы первого 1 и второго 4 входных транзисторов подключены к выходу 9 устройства, а между выходом 9 устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий 15 дополнительный резистор и третий 16 корректирующий конденсатор.

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

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

На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.3 (укрупненный масштаб), а на фиг.5 - частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.3 (мелкий масштаб).

На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На схеме фиг.7, которая соответствует фиг.6, показан ИУ по п.3 с конкретным выполнением первого 17 и второго 18 дополнительных эмиттерных повторителей, которые реализованы на транзисторах 19, 21 и источниках тока 20 и 22.

На фиг.8 представлена схема ИУ фиг.7 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На график фиг.9 показана частотная зависимость коэффициентов усиления по напряжению ИУ фиг.8 (укрупненный масштаб), а на фиг.10 - частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.8 (мелкий масштаб).

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, второй 4 входной транзистор, база которого подключена к базе первого 1 входного транзистора, а эмиттер через второй 5 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 4 входного транзистора, а токовый выход подключен к токовому выходу первого 7 токового зеркала и выходу устройства 9. Между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор, базы первого 1 и второго 4 входных транзисторов подключены к выходу 9 устройства, а между выходом 9 устройства и общей шиной источников питания включены по переменному току параллельно соединенные третий 15 дополнительный резистор и третий 16 корректирующий конденсатор. В качестве первого 7 и второго 8 токовых зеркал могут использоваться типовые схемотехнические решения.

На фиг.6, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом устройства 10 и эмиттером второго 4 входного транзистора включены последовательно соединенные первый 17 дополнительный эмиттерный повторитель, первый 11 дополнительный резистор и первый 12 корректирующий конденсатор, а между входом устройства 10 и эмиттером первого 1 входного транзистора включены последовательно соединенные второй 18 дополнительный эмиттерный повторитель, второй 13 дополнительный резистор и второй 14 корректирующий конденсатор.

Кроме этого, на фиг.6, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коэффициенты передачи по току первого 7 и второго 8 токовых зеркал лежат в пределах 1-2.

На схеме фиг.7, которая соответствует фиг.6, показан ИУ с конкретным выполнением первого 17 и второго 18 дополнительных эмиттерных повторителей - на транзисторах 19, 21 и источниках тока 20, 22.

В качестве токовых зеркал 7 и 8 авторы рекомендуют применять классические схемы, широко представленные в технической литературе по микроэлектронике.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного сигнала u_вх (10) изменяет токи эмиттеров (i_R) первого 1 и второго 4 входных транзисторов, причем комплексный характер проводимости эмиттерных цепей, образованных первым 11 и вторым 13 дополнительными резисторами, первым 12 и вторым 14 корректирующими конденсаторами обеспечивает в диапазоне нижних частот ИУ (f<f₀) увеличение этого тока с ростом частоты входного сигнала f. Посредством передачи этих токов через коллекторы упомянутых транзисторов во входные цепи первого 7 и второго 8 токовых зеркал осуществляется противофазное изменение тока нагрузки ИУ. Характер комплексной проводимости этой нагрузки, образованной третьим 15 дополнительным резистором и третьим 16 корректирующим конденсатором, приводит к уменьшению выходного напряжения (выход устройства 9) ИУ в диапазоне верхних частот (f>f₀). Взаимосвязь характера изменения тока i_R от частоты входного сигнала и указанное влияние этого параметра на выходное напряжение ИУ обеспечивает резонансный вид амплитудно-частотной характеристики схемы ИУ фиг.2, которая имеет максимум на частоте квазирезонанса f₀.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 при C₁₂=C₁₄, R ₁₁=R₁₃ определяется по формуле:

где - частота квазирезонанса; (2)

₁=C₁₂(R₁₁+h_11.4 );

₂=R₁₅C₁₆,

где K_i = ₁K_i12.7+ ₄K_i12.8; _i - коэффициент передачи эмиттерного тока i-го транзистора; К_i12.7 и K_i12.8 - коэффициенты передачи первого 7 и второго 8 токовых зеркал; h_11.i - входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.

При равенстве проводимостей входных цепей ИУ целенаправленный выбор коэффициентов передачи тока К_i12.7 и K_i12.8 позволяет реализовать практически любое значение добротности АЧХ Q (3) и коэффициента усиления K₀ (4) на частоте квазирезонанса f₀ (2), численное значение которой не зависит от реализуемой добротности Q.

Действительно, из (3) следует, что при ₁= ₂, R₁₁=R₁₅ для получения заданной добротности Q_з, например, Q_з=10, необходимо, чтобы параметр схемы

При подключении ко входу ИУ 10 дополнительных эмиттерных повторителей 17 и 18 в схеме фиг.6 сохраняется частота квазирезонанса f₀ (2) и добротность (3), причем коэффициент усиления ИУ принимает значение

где K₁₇ 1, K₁₈ 1 - коэффициенты передачи по напряжению эмиттерных повторителей 17 и 18.

С точки зрения системной интеграции ИУ в РЭА нового поколения в качестве эмиттерных повторителей 17 и 18 целесообразно использовать традиционные схемотехнические решения (фиг.7), реализованные на базе транзисторов 19 и 21 и дополнительных источников тока 20 и 22.

Если соблюдаются режимные условия, показанные на фиг.7, то параметры ИУ фиг.7 определяются следующими соотношениями:

₁=C₁₂(R₁₁+2h_11.4 );

₂=R₁₅C₁₆,

где _i, h_11.i - статический коэффициент передачи эмиттерного тока i-го биполярного транзистора и его входное дифференциальное сопротивление в схеме с общей базой.

Таким образом, конкретная схемотехническая реализация токовых зеркал 7 и 8 позволяет реализовать желаемые значения Q (7) и К₀ (8) при заданных соотношениях частотозадающих резисторов R₁₁=R₁₃ и R₁₅. Например, в ИУ на базе токовых зеркал (при К_i12.7=К_i12.8 =1) не изменяются условия его системной интеграции в СФ блоке.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5, фиг.9 и фиг.10.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение 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. - 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 US № 4.636.743 fig.1.

4. Патент US № 5.291.149 fig.3.

5. Патент US № 5.479.133 fig.1.

6. Патент US № 4.636.743 fig.1.

7. Патент US № 5.515.005 fig.12, fig.21.

8. Патент US № 4.783.637 fig.1.

9. Патент US № 3.974.455 fig.9.

10. Патент JP № 53-25232 98(5)A332.

11. Патент JP № 2008/235963.

12. Патент JP № 7050528.