Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2475944

(19)

RU

(11)

2475944

(13)

C1

(51) МПК H03F3/45 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2012101721/08, 18.01.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

18.01.2012

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 18.01.2012

(45) Опубликовано: 20.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2388137 C1, 27.04.2010. RU 2389130 C1, 10.05.2010. US 2010/0052784 A1, 04.03.2010. US 7,521,996 B2, 21.04.2009.

Адрес для переписки:

346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 147, ЮРГУЭС, патентная служба

(72) Автор(ы):

Прокопенко Николай Николаевич (RU),

Серебряков Александр Игоревич (RU),

Пахомов Илья Викторович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

(54) ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является уменьшение энергопотребления усилителя за счет повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f 0 . Избирательный усилитель содержит источник входного напряжения (1), соединенный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (2) и второго (5) входных транзисторов, при этом коллектор первого (2) входного транзистора соединен с выходом устройства (9) через дополнительный прямосмещенный р-n переход (11) и подключен по переменному току к базе второго (5) входного транзистора, между выходом устройства (9) и эмиттером второго (5) входного транзистора включен разделительный конденсатор (12), а выход устройства (9) зашунтирован по переменному току вторым (13) частотозадающим резистором. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

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 (ИУ) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи 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 f 0 =1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, 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 [3-28]. Причем их верхняя граничная частота f в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f н определяется входным корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4.267.518, fig.6. Он содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К 0 >1 на частоте квазирезонанса (f 0 ).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f 0 . Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ диапазона с f 0 =1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе, фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. Схема на фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.5 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в укрупненном масштабе, а на фиг.6 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель, фиг.2, содержит источник входного напряжения 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй 7 шине источника питания, первый 8 частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства 9 и второй 7 шиной источника питания, первый 10 частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 5 входных транзисторов. Коллектор первого 2 входного транзистора соединен с выходом устройства 9 через дополнительный прямосмещенный р-n переход 11 и подключен по переменному току к базе второго 5 входного транзистора, между выходом устройства 9 и эмиттером второго 5 входного транзистора включен разделительный конденсатор 12, а выход устройства 9 зашунтирован по переменному току вторым 13 частотозадающим резистором.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения последовательно с первым 10 частотозадающим конденсатором включен второй 14 частотозадающий резистор.

Кроме этого, на фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения второй 5 входной транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в m 1 - раз больше, чем площадь эмиттерного перехода дополнительного прямосмещенного р-n перехода 11, реализуемого, как правило, на транзисторе.

Емкость конденсатора 12 выбирается такой, чтобы в рабочем диапазоне частот ИУ он не оказывал существенного влияния на работу схемы.

Рассмотрим работу ИУ, фиг.3.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению K y (jf) избирательного усилителя, фиг.3, определяется соотношением, которое можно получить с помощью известных методов анализа электронных схем:

где f - частота сигнала;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

K 0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f 0 ;

f 0 - частота квазирезонанса.

Причем

где C 13 , С 10 - емкость конденсаторов 13 и 10;

- входное сопротивление 1-го транзистора в схеме с общей базой;

T 25 мВ - температурный потенциал;

L эi - статический ток эмиттера i-го транзистора;

i <1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора;

m 1 - число параллельно включенных транзисторов 5 (или отношение площадей эмиттерных переходов транзисторов 5 и 11).

Если выбрать 1 = 2 , R 8 =R 14 +h 11.2 +h 11.5 , то уравнения для Q (6) и К 0 (5) существенно упрощаются:

Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (8), получить заданные значения Q и К 0 (9).

Данные теоретические выводы подтверждают графики на фиг.5, фиг.6.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К 0 на частоте квазирезонанса f 0 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. - P.50-53.

2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко П.П., Будяков А.С., K.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 CN 101204009

18. Патент ЕР 1844547

19. Патент UA 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

Формула изобретения

1. Избирательный усилитель, содержащий источник входного напряжения (1), соединенный с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер которого через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания через второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, а коллектор подключен ко второй (7) шине источника питания, первый (8) частотозадающий резистор, включенный между выходом устройства (9) и второй (7) шиной источника питания, первый (10) частотозадающий конденсатор, включенный между эмиттерами первого (2) и второго (5) входных транзисторов, отличающийся тем, что коллектор первого (2) входного транзистора соединен с выходом устройства (9) через дополнительный прямосмещенный р-n переход (11) и подключен по переменному току к базе второго (5) входного транзистора, между выходом устройства (9) и эмиттером второго (5) входного транзистора включен разделительный конденсатор (12), а выход устройства (9) зашунтирован по переменному току вторым (13) частотозадающим резистором.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первым (10) частотозадающим конденсатором включен второй (14) частотозадающий резистор.

3. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что второй (5) входной транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в m 1 раз больше, чем площадь эмиттерного перехода дополнительного прямосмещенного р-n перехода (11).

РИСУНКИ