Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2475948

(19)

RU

(11)

2475948

(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: 2012104804/08, 10.02.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

10.02.2012

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 10.02.2012

(45) Опубликовано: 20.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: ES 2079397 T3, 16.01.1996. RU 2432669 C1, 27.10.2011. RU 2421880 C1, 20.06.2011. EP 818880 B1, 18.05.2005.

Адрес для переписки:

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

(72) Автор(ы):

Крутчинский Сергей Георгиевич (RU),

Прокопенко Николай Николаевич (RU),

Будяков Петр Сергеевич (RU),

Радченко Владимир Александрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ 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. Технический результат - повышение добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса. Для этого предложен избирательный усилитель, который содержит первый входной транзистор, эмиттер которого через первый токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания, база подключена к первому источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора, второй источник дополнительного напряжения, соединенный с базой согласующего транзистора, выходной транзистор, коллектор которого связан со второй шиной источника питания, эмиттер соединен с потенциальным выходом устройства, а база соединена с коллектором согласующего транзистора и через первый вспомогательный резистор связана со второй шиной источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, связанный с потенциальным выходом устройства, источник входного напряжения. Источник входного напряжения связан с коллектором первого входного транзистора через первый частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода и второго источника опорного тока связан с эмиттером первого входного транзистора через второй частотозадающий конденсатор. 1 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) (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа вспомогательных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения узкоспециализированных СВЧ избирательных усилителей на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f 0 =1÷5 ГГц.

Известны схемы каскодных избирательных усилителей (ИУ) с выходным эмиттерным повторителем [3-7], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот f=-f в -f н . 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, представленный в патенте ES 2.079.397 fig.9. Он содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер соединен с потенциальным выходом устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K 0 >1 на частоте квазирезонанса (f 0 =1÷5 ГГц).

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 первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер соединен с потенциальным выходом устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного напряжения 12 связан с коллектором первого 1 входного транзистора через первый 13 частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода 9 и второго 11 источника опорного тока связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 14 частотозадающий конденсатор.

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

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.4 в крупном масштабе, а на фиг.6 - частотная зависимость коэффициент усиления ИУ фиг.4 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 3 шиной источника питания, база подключена к первому 4 источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора 5, второй источник дополнительного напряжения 6, соединенный с базой согласующего транзистора 5, выходной транзистор 7, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания, эмиттер соединен с потенциальным выходом устройства 9, а база соединена с коллектором согласующего транзистора 5 и через первый вспомогательный резистор 10 связана со второй 8 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с потенциальным выходом устройства 9, источник входного напряжения 12. Источник входного напряжения 12 связан с коллектором первого 1 входного транзистора через первый 13 частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода 9 и второго 11 источника опорного тока связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 14 частотозадающий конденсатор.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора связан с эмиттером согласующего транзистора 5 через первый 15 дополнительный резистор, а эмиттер выходного транзистора 7 связан с потенциальным выходом устройства 9 через второй 16 дополнительный резистор.

Рассмотрим работу ИУ фиг.3.

Источник входного сигнала 12 (u вх ) посредством дифференцирующей входной цепи (первый 15 дополнительный резистор и первый 13 частотозадающий конденсатор) изменяет эмиттерный ток согласующего транзистора 5. Пропорциональность преобразования этого тока в его коллекторное напряжение, обусловленная сопротивлением первого 10 вспомогательного резистора, изменяет выходное напряжение ИУ (выход 9) по интегрирующему закону, который реализуется выходной RC-цепью (второй 16 дополнительный резистор и второй 14 частотозадающий конденсатор). Именно поэтому форма АЧХ и ФЧХ схемы фиг.3 соответствует избирательной цепи, частота квазирезонанса (f 0 ) которой определяется соотношением постоянных времени входной (R 15 , C 13 ) и выходной (R 16 , С 14 ) RC-цепями. Передача части выходного сигнала посредством преобразования выходного напряжения ИУ через конденсатор С 14 в эмиттерный ток первого 1 входного транзистора в коллекторную цепь согласующего транзистора 5 обеспечивает реализацию контура комплексной обратной связи. В силу того, что входная цепь ИУ (первый 13 частотозадающий конденсатор и первый 15 дополнительный резистор) в этом контуре выполняет функции интегрирующей RC-цепи, а интегрирующая цепь тракта передачи входного сигнала (С 14 , R 16 ) функции дифференцирующего преобразования сигнала обратной связи, вид АЧХ и ФЧХ возвратного отношения ИУ соответствует характеристикам полосно-пропускающего типа. Именно поэтому действие контура обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления ИУ на частоте его квазирезонанса f 0 , которая не зависит от глубины этой обратной связи. Таким образом, с ростом частоты ток эмиттера транзистора 1 увеличивается, а при f>f 0 напряжение его коллектора (в силу влияния емкости конденсатора C 13 уменьшается. При f
Покажем аналитически, что более высокие значения K 0 и Q в рабочем диапазоне частот реализуются в схеме фиг.3.

Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

1 =C 13 (R 15 +h 11.5 ); 2 =C 14 (R 16 +h 11.7 +h 11.1 )

i - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора i-го транзистора.

Таким образом, численные значения сопротивлений R 10 и R 16 независимо от соотношения постоянных времени 1 и 2 , т.е. от f 0 , обеспечивают необходимые значения добротности Q и коэффициента усиления K 0 .

Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность параметрической оптимизации динамического диапазона, требующего равенства 1 = 2 при относительно большой добротности. Как видно из (4) и (3), при С 14 =С 13 , R 15 =R 16

При этом ее коэффициенты чувствительности:

В то же время частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.

Как видно из чертежа фиг.4, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются выбором соотношения между R 15 , R 16 и h 11.7 , h 11.1 посредством токов режимных источников тока.

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

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K 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. - 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 ES 2.079.397, fig.9.

4. Патентная заявка US 2010/0283543, fig.1.

5. Патентная заявка US 2010/0283542, fig.2.

6. Патент US 7.633.344, fig.1.

7. Ежков Ю.А. «Справочник по схемотехнике усилителей», М.: ИП «Радиософт», 2002 г., стр.113, рис.6.18.

Формула изобретения

1. Избирательный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, эмиттер которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (3) шиной источника питания, база подключена к первому (4) источнику дополнительного напряжения, а коллектор связан с эмиттером согласующего транзистора (5), второй источник дополнительного напряжения (6), соединенный с базой согласующего транзистора (5), выходной транзистор (7), коллектор которого связан со второй (8) шиной источника питания, эмиттер соединен с потенциальным выходом устройства (9), а база соединена с коллектором согласующего транзистора (5) и через первый вспомогательный резистор (10) связана со второй (8) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с потенциальным выходом устройства (9), источник входного напряжения (12), отличающийся тем, что источник входного напряжения (12) связан с коллектором первого (1) входного транзистора через первый (13) частотозадающий конденсатор, общий узел потенциального выхода (9) и второго (11) источника опорного тока связан с эмиттером первого (1) входного транзистора через второй (14) частотозадающий конденсатор.

2. Избирательный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллектор первого (1) входного транзистора связан с эмиттером согласующего транзистора (5) через первый (15) дополнительный резистор, а эмиттер выходного транзистора (7) связан с потенциальным выходом устройства (9) через второй (16) дополнительный резистор.

РИСУНКИ