избирательный усилитель
Классы МПК: | H03F3/00 Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы |
Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (RU), Крутчинский Сергей Георгиевич (RU), Будяков Петр Сергеевич (RU), Пахомов Илья Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-04-12 публикация патента:
10.04.2013 |
Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является повышение добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0. Избирательный усилитель содержит токовый вход (1), связанный с коллектором входного транзистора (2), первый (3) источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора (2), первый (4) и второй (5) частотозадающие резисторы, первый (6) корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник (7). Коллектор входного транзистора (2) связан с первой (8) шиной источника питания через первый частотозадающий резистор (4) и соединен с общей шиной источников питания (10) через последовательно соединенные второй (11) и третий (12) корректирующие конденсаторы, между эмиттером входного транзистора (2) и базой дополнительного транзистора (14) включен прямосмещенный p-n переход (15), между потенциальным выходом устройства (13) и базой дополнительного транзистора (14) включен второй (5) частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор (6) включен между эмиттером входного транзистора (2) и эмиттером дополнительного транзистора (14), первый (7) токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора (14) и второй (9) шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора (14) связан со второй (9) шиной источника питания через второй (15) токостабилизирующий двухполюсник. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Формула изобретения
1. Избирательный усилитель, содержащий токовый вход (1), связанный с коллектором входного транзистора (2), первый (3) источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора (2), первый (4) и второй (5) частотозадающие резисторы, первый (6) корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник (7), первую (8) и вторую (9) шины источников питания, отличающийся тем, что коллектор входного транзистора (2) связан с первой (8) шиной источника питания через первый частотозадающий резистор (4) и соединен с общей шиной источников питания (10) через последовательно соединенные второй (11) и третий (12) корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства (13), между эмиттером входного транзистора (2) и базой дополнительного транзистора (14) включен прямосмещенный p-n переход (15), между потенциальным выходом устройства (13) и базой дополнительного транзистора (14) включен второй (5) частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор (6) включен между эмиттером входного транзистора (2) и эмиттером дополнительного транзистора (14), первый (7) токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора (14) и второй (9) шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора (14) связан со второй (9) шиной источника питания через второй (15) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора (14) подключен ко второму (16) источнику вспомогательного напряжения.
2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (3) источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания (10).
3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго (16) источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания (10).
Описание изобретения к патенту
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 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 f=fв-fн [3-11]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте RU 2421879, фиг.2. Он содержит токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания.
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 по фиг.1, содержащем токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде компьютерного моделирования Cadence (техпроцесс SG25H1).
На чертеже фиг.5 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 ГГц) при R21=80 Ом, C1=500 фФ, С2=50 пФ.
На чертеже фиг.6 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.4 в более узком диапазоне частот (от 100 МГц до 10 ГГц) при R21=80 Ом, С1=500 фФ, С2=50 пФ.
На чертеже фиг.7 показана зависимость добротности Q от сопротивления резистора R21 схемы фиг.4.
Избирательный усилитель, фиг.2, содержит токовый вход 1, связанный с коллектором входного транзистора 2, первый 3 источник вспомогательного напряжения, подключенный к базе входного транзистора 2, первый 4 и второй 5 частотозадающие резисторы, первый 6 корректирующий конденсатор, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, первую 8 и вторую 9 шины источников питания. Коллектор входного транзистора 2 связан с первой 8 шиной источника питания через первый частотозадающий резистор 4 и соединен с общей шиной источников питания 10 через последовательно соединенные второй 11 и третий 12 корректирующие конденсаторы, общий узел которых соединен с потенциальным выходом устройства 13, между эмиттером входного транзистора 2 и базой дополнительного транзистора 14 включен прямосмещенный p-n переход 15, между потенциальным выходом устройства 13 и базой дополнительного транзистора 14 включен второй 5 частотозадающий резистор, первый корректирующий конденсатор 6 включен между эмиттером входного транзистора 2 и эмиттером дополнительного транзистора 14, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между базой дополнительного транзистора 14 и второй 9 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 14 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор дополнительного транзистора 14 подключен ко второму 16 источнику вспомогательного напряжения.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первого 3 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.
Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 16 источника вспомогательного напряжения используется потенциал общей шины источников питания 10.
Для преобразования напряжения источника входного сигнала во входной сигнал токового входа 1 в схеме фиг.3 используется преобразователь «напряжение-ток» 18 с крутизной преобразования S1. В качестве данного функционального узла могут применяться классические каскады с общим эмиттером, общей базой или дифференциальные усилители. Буферный усилитель 19, имеющий вспомогательный выход 20, обеспечивает согласование фильтра с его низкоомной нагрузкой.
В ряде случаев в коллектор транзистора 16 может включаться резистор коллекторной нагрузки, что позволяет получить дополнительный токовый выход устройства.
Рассмотрим работу схемы фиг.3.
Источник входного токового сигнала i вх изменяет ток коллекторной цепи транзистора 2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 4 и 5, а также конденсаторами 11 и 12, обеспечивает преобразование этого тока в ток резистора 5 выходной цепи ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами 11 и 12, обеспечивает функциональную зависимость этого тока, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.
Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.3 как отношение выходного напряжения (выходы устройства 13, 20) к входному напряжению uвх при достаточно большой емкости первого 6 корректирующего конденсатора определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
где f - частота входного сигнала;
f0 - частота квазирезонанса ИУ;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
К0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0.
Причем
где C11, C12, R4, R5 - параметры элементов 11, 12, 4 и 5;
r=h11.2(1+m)+h11.15 - эквивалентное сопротивление в цепи базы транзистора 14; m - число параллельно включенных эмиттерных переходов транзистора 14;
h11.i - h-параметр i-го транзистора в схеме с общей базой.
Добротность ИУ определяется формулой
где i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;
- эквивалентное затухание пассивной 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
где S1 - крутизна входного преобразователя «напряжение-ток» 18.
Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.
Оптимальным соотношением является равенство емкостей конденсаторов 11 и 12 (C11=С12). В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором числа эмиттерных переходов (m) транзистора 14), так и параметрически - установлением соотношения между сопротивлениями резисторов R4 и R5 ((R5+r)/R4 =k). В этом случае параметрическая чувствительность
определяется коэффициентом отношения резисторов (коэффициентом k). При этом численное значение числа m эмиттеров транзистора 14:
позволяет получить заданное значение добротности при условии равнономинальности цепи (k=1). Действительно, при m=2, k=1
где 2= 2(1- 2)-1.
Если выбрать m=3,
Отметим, что условие k=1 связано с минимизацией влияния частотных свойств применяемых биполярных транзисторов на частоту квазирезонанса ИУ f0 и его добротность Q. Что касается чувствительности (5), то она влияет на нестабильность параметров ИУ только через погрешность, обусловленную неидентичностью резистивных элементов ( R), которая для современных технологий значительно меньше относительных отклонений этих элементов, обуславливающих стабильность частоты квазирезонанса f0.
Численные значения емкости конденсатора 6 (С6) следует выбирать из следующих соображений.
Если C 6=0, то в формулах (2)-(8) следует считать, что m=0. Практически это означает, что схема ИУ, фиг.3, при C6=0 практически не имеет улучшения по параметрам K0 и Q.
Если С6>>C11, С6>>С 12, то справедливы все формулы (2)-(8) и ИУ имеет повышенные значения Q и K0.
В практических схемах емкость C6 может быть соизмерима C11 и С12 (фиг.4).
Полученные выше для Q и K0 соотношения справедливы при выполнении неравенства
которое в области высоких рабочих частот ИУ не является жестким.
Указанные выше структурные особенности схемы ИУ позволяют при необходимости реализовать и предельно низкую чувствительность его добротности. Как это следует из (3), (5) и (6), выполнение условия
которое требует соответствующего выбора площадей транзисторов 14 и 15, позволяет минимизировать параметрические чувствительности добротности ИУ
При этом численное значение Q определяется соотношением резисторов схемы
и, как видно из (2), это обеспечивает однозначный выбор конденсаторов 11 (C11) и 12 (С 12).
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 чертежах фиг.5-фиг.7 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.4 подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса f0, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.
Источники информации
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 / Politchnica 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, 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.
Класс H03F3/00 Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы