избирательный усилитель
| Классы МПК: | H03F3/00 Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы |
| Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (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:
2012-01-10 публикация патента:
27.07.2013 |
Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (К0 ) на частоте квазирезонанса (f0). Избирательный усилитель содержит первый входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала, а эмиттер связан с первой шиной источника питания, второй входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй шине источника питания, первый корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого и второго входных транзисторов. Последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый частотно-задающий резистор, между базой второго входного транзистора и первой шиной источника питания включен второй частотно-задающий резистор, второй корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения, а эмиттер подключен ко второй шине источника питания, причем коллектор первого входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала, коллекторный выход которого связан с первой шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора. 8 ил. 
Формула изобретения
Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала (2), а эмиттер через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, отличающийся тем, что последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый (9) частотно-задающий резистор, между базой второго (5) входного транзистора и первой (4) шиной источника питания включен второй (10) частотно-задающий резистор, второй (11) корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму (10) частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор (12), коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго (5) входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения (13), а эмиттер через третий (14) токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй (7) шине источника питания, причем коллектор первого (1) входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала (15), коллекторный выход которого связан с первой (4) шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора (12).
Описание изобретения к патенту
Предполагаемое 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 достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно 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 при малом токопотреблении.
Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе двух транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот 
f=fв-fн [3-28]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется входным корректирующим конденсатором.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте WO/2006/077525. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 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 (f 0).
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса (f0). Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ диапазона с f0=1÷5 ГГц с малым токопотреблением.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показан ИУ фиг.2 с конкретным выполнением дополнительного источника напряжения 13, а также цепью смещения статических потенциалов 18.
На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с формулой изобретения при реализации второго 5 и первого 1 входных транзисторов на КМОП-активных элементах.
На чертеже фиг.5 приведена схема ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.6 - логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в мелком масштабе.
На чертеже фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в более крупном масштабе.
На чертеже фиг.8 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при разных значениях коэффициента передачи (Ki) токового зеркала 15 на транзисторах Q6, Q7, который определяется числом параллельно включенных транзисторов Q5.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Последовательно с первым корректирующим конденсатором включен первый 9 частотно-задающий резистор, между базой второго 5 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания включен второй 10 частотно-задающий резистор, второй 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно второму 10 частотно-задающему резистору, дополнительный транзистор 12, коллектор которого связан с выходом устройства и базой второго 5 входного транзистора, база соединена с дополнительным источником напряжения 13, а эмиттер через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 7 шине источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со входом дополнительного токового зеркала 15, коллекторный выход которого связан с первой 4 шиной источника питания, а общий эмиттерный выход подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 12. Дополнительное токовое зеркало 15 выполнено на транзисторе 16 и p-n переходе 17.
В схеме фиг.3 источник напряжения 13 содержит резистор 19 и стабилитрон 20, а последовательно со вторым 10 частотозадающим резистором включена цепь смещения статического напряжения 18.
Покажем аналитически, что более высокие значения K0 и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.
Можно получить, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:
1, 12 - коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов 1 и 12,
Ki15 - коэффициент передачи по току токового зеркала 15,
h11.i - входное сопротивление (h-параметр) i-го транзистора в схеме с общей базой.
Если выбрать 1=
2, то
Основными условиями получения высоких значений Q и K0 являются следующие приближенные формулы
или
Таким образом, как видно из (3)-(10), за счет выбора соотношений между R9 и R10 , а также значений коэффициента передачи по току Ki15 токового зеркала 15 можно реализовать высокие значения добротности Q и коэффициента усиления K0. При этом, как следует из (2), частота квазирезонанса f0 сохраняется неизменной.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K0 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 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 US 101204009.
18. Патент ЕР 1844547.
19. Патент US 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.
Класс H03F3/00 Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы
