избирательный усилитель

Формула изобретения

1. Избирательный усилитель, содержащий 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, отличающийся тем, что коллектор выходного транзистора (6) соединен со второй (12) шиной источника питания через первый (9) частотозадающий резистор и связан по переменному току с общей шиной источников питания (13) через последовательно соединенные первый (11) корректирующий конденсатор и второй (14) корректирующий конденсатор, общий узел которых соединен с базой второго (3) входного транзистора и через второй (10) частотозадающий резистор подключен к эмиттеру выходного транзистора (6) и выходу устройства (15).

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что источник вспомогательного напряжения (7) реализован на основе прямосмещенного p-n-перехода (16), включенного между общей шиной источников питания (17) и базой выходного транзистора (6), и токостабилизирующего резистора (18), включенного между второй (12) шиной источника питания и базой выходного транзистора (6).

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (7) используется потенциал общей шины источников питания (17), а первый (2) входной транзистор выполнен в виде составного транзистора Дарлингтона на базе элементарных транзисторов (19) и (20), а также источника тока (21).

4. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (7) используется потенциал общей шины источников питания (17), причем эмиттер первого (2) входного транзистора подключен к эмиттеру второго (3) входного транзистора через дополнительный прямосмещенный p-n-переход (22).

Описание изобретения к патенту

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 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=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 соединен со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор и связан по переменному току с общей шиной источников питания 13 через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 14 корректирующий конденсатор, общий узел которых соединен с базой второго 3 входного транзистора и через второй 10 частотозадающий резистор подключен к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 15.

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 показан ИУ фиг.2 с конкретным выполнением источника вспомогательного напряжения 7 на элементах 16 и 18, соответствующий п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 показан заявляемый ИУ в соответствии с п.3 формулы изобретения, а на чертеже фиг.5 - в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.6 показана схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.7 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.6 в диапазоне частот 0-100 ГГц.

На чертеже фиг.8 приведены логарифмические амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.6 в диапазоне частот 0,76-1,5 ГГц.

На чертеже фиг.9 приведена амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.6 в более крупном масштабе.

На чертеже фиг.10 приведена фазо-частотная характеристика ИУ фиг.6 в более крупном масштабе, позволяющая определить его основные параметры на этапе моделирования.

Таблица на фиг.11 характеризует взаимосвязь добротности избирательного усилителя Q фиг.6 с величиной тока I₄ первого 4 токостабилизирующего двухполюсника.

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 соединен со второй 12 шиной источника питания через первый 9 частотозадающий резистор и связан по переменному току с общей шиной источников питания 13 через последовательно соединенные первый 11 корректирующий конденсатор и второй 14 корректирующий конденсатор, общий узел которых соединен с базой второго 3 входного транзистора и через второй 10 частотозадающий резистор подключен к эмиттеру выходного транзистора 6 и выходу устройства 15.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, источник вспомогательного напряжения 7 реализован на основе прямосмещенного p-n перехода 16, включенного между общей шиной источников питания 17 и базой выходного транзистора 6, и токостабилизирующего резистора 18, включенного между второй 12 шиной источника питания и базой выходного транзистора 6.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 7 используется потенциал общей шины источников питания 17, а первый 2 входной транзистор выполнен в виде составного транзистора Дарлингтона.

В технической литературе широко применяется термин «составной транзистор Дарлингтона», под которым понимается два последовательно включенных биполярных транзистора 19, 20 и источник тока 21.

На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 7 используется потенциал общей шины источников питания 17, причем эмиттер первого 2 входного транзистора подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора через дополнительный прямосмещенный p-n переход 22.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Источник входного сигнала (u _вх) 1 изменяет эмиттерные токи входных транзисторов 2 и 3. Изменение коллекторного (выходного) тока транзистора 2 приводит к изменению тока, протекающего через частотно-зависимую цепь, образованную резисторами 9, 10 и конденсаторами 11, 14. В силу емкостного делителя, реализованного на конденсаторах 11 и 14, ток, протекающий через резистор 10, имеет частотную характеристику, совпадающую с частотной характеристикой ИУ, при этом его максимальное значение достигается на частоте квазирезонанса f₀, определяемой соотношением только пассивных элементов указанной частотно-зависимой цепи. Выходной ток оговоренной частотно-зависимой цепи (ток через резистор 10) определяет изменение тока эмиттера и коллектора транзистора 6, обеспечивающего реализацию первого контура комплексной обратной связи. В силу указанных выше свойств цепи нагрузки транзисторов 2 и 6 эта обратная связь является вещественной на частоте квазирезонанса ИУ f₀ и, следовательно, ее действие направлено на увеличение добротности схемы Q и ее коэффициента усиления K₀. Однако глубина первого контура указанной обратной связи ограничивается численным значением коэффициента передачи эмиттерного тока транзистора 6 и является недостаточной для реализации больших добротностей. Подключение базы входного транзистора 3 к резистору 10 частотно-зависимой цепи нагрузки транзисторов 2 и 6 в силу синфазного изменения эмиттерных токов транзисторов 2 и 3 и коллекторного тока транзистора 2 и, следовательно, тока частотно-зависимой цепи нагрузки обеспечивает посредством емкостного характера делителя тока, образованного конденсаторами 11 и 14 (аналогичное действию первого контура), изменение тока резистора 10. Следовательно, глубина указанной обратной связи, определяемая коэффициентом передачи транзисторов 2 и 3, направлена на увеличение добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ без изменения частоты квазирезонанса f₀.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 15) к входному напряжению u _вх определяется формулой, которую 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 .

Причем:

где С₁₁, С₁₄, R ₉, R₁₀ - параметры элементов 11, 14, 9 и 10;

h_11.i - h-параметр выходного транзистора 6 в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой

где _i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;

h_11.i - входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой;

- 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

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации параметрической чувствительности добротности. Действительно, как это следует из соотношения (3) при выполнении условия

добротность Q определяется из соотношения

Таким образом, при выборе C₁₁ =C₁₄

а численное значение Q зависит от отношения

Отметим, что условие (5) легко реализуется выбором режимов биполярных транзисторов и численным значением сопротивления резистора 10. Так, при условии равенства (эмиттерных) токов и выполнении условия R₁₀=0 достаточно перевести транзисторы в микрорежим, чтобы обеспечить =2.

Представленные на чертежах фиг.7-фиг.11 результаты моделирования предлагаемого ИУ фиг.6 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. - 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.