RU2474040C1 - Selective amplifier - Google Patents
Selective amplifierInfo
- Publication number
- RU2474040C1 RU2474040C1 RU2012103434A RU2012103434A RU2474040C1 RU 2474040 C1 RU2474040 C1 RU 2474040C1 RU 2012103434 A RU2012103434 A RU 2012103434A RU 2012103434 A RU2012103434 A RU 2012103434A RU 2474040 C1 RU2474040 C1 RU 2474040C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- emitter
- collector
- input
- output transistor
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
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.The present invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in microwave filtering devices of radio signals from cellular communication systems, satellite television, radar, etc.
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, универсальных транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ узкоспециализированных избирательных усилителей на транзисторах, обеспечивающих выделение спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f0=1÷5 ГГц.Integrated operational amplifiers with special RC correction elements that form the amplitude-frequency characteristic of the resonance type are widely used today in the problems of extracting high-frequency and microwave signals [1, 2]. However, the classical construction of such selective amplifiers (DIs) (RC filters) is accompanied by significant energy losses, which are mainly used to ensure the static mode of a sufficiently large number of auxiliary, universal transistors forming an operational amplifier of the microwave range [1, 2]. In this regard, quite urgent is the task of constructing microwave highly specialized selective amplifiers on transistors, which provide the selection of a spectrum of signals with a sufficiently high quality factor of the resonant characteristic Q = 2 ÷ 10 and f 0 = 1 ÷ 5 GHz.
Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе так называемых «перегнутых» каскадов [3-10], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется входным корректирующим конденсатором.Known schemes of selective amplifiers (DUTs) based on the so-called “bent” cascades [3-10], which provide the formation of the amplitude-frequency characteristics of the voltage gain (AFC) in a given frequency range Δf = f in -f n . Moreover, their upper cutoff frequency f in is sometimes formed by the inertia of the transistors of the circuit (capacitance per substrate), and the lower f n is determined by the input correction capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4.406.990. Он содержит источник входного напряжения 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, база соединена с цепью смещения потенциалов 5, коллектор связан с эмиттером выходного транзистора 6 и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 8 шиной источника питания, база выходного транзистора 6 подключена к дополнительному источнику напряжения 9, а коллектор соединен с выходом устройства 10 и через первый резистор 11 соединен с первой 4 шиной источника питания.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier, presented in patent US 4.406.990. It contains an
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К0>1 на частоте квазирезонанса (f0=1÷5ГГц).A significant disadvantage of the known device is that it does not provide high quality factor amplitude-frequency characteristics (AFC) and voltage gain K 0 > 1 at the frequency of quasi-resonance (f 0 = 1 ÷ 5 GHz).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ диапазона с f0=1÷5ГГц.The main objective of the invention is to increase the quality factor of the frequency response of the amplifier and its voltage gain at the frequency of quasi-resonance f 0 . This allows in some cases to reduce the overall energy consumption and implement a high-quality microwave device with f 0 = 1 ÷ 5 GHz.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, база соединена с цепью смещения потенциалов 5, коллектор связан с эмиттером выходного транзистора 6 и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 8 шиной источника питания, база выходного транзистора 6 подключена к дополнительному источнику напряжения 9, а коллектор соединен с выходом устройства 10 и через первый резистор 11 соединен с первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером входного транзистора 2 и коллектором выходного транзистора 6 включен первый 12 корректирующий конденсатор, коллектор входного транзистора 2 связан с эмиттером выходного транзистора 6 через второй 13 резистор и подключен к источнику входного напряжения 1 через второй 14 корректирующий конденсатор.The problem is solved in that in the selective amplifier of Fig. 1, containing an
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with the claims.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ИУ фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.Figure 3 shows a diagram of the inventive DUT of figure 2 in a Cadence environment on SiGe models of integrated transistors.
На фиг.4 показана зависимости коэффициента усиления по напряжению и фазового сдвига от частоты ИУ фиг.3 в крупном масштабе, а на фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.3 в более мелком масштабе.Figure 4 shows the dependence of the voltage gain and phase shift on the frequency of the DUT of Figure 3 on a large scale, and Figure 5 shows the frequency dependence of the gain and phase shift of the DUT of Figure 3 on a smaller scale.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, база соединена с цепью смещения потенциалов 5, коллектор связан с эмиттером выходного транзистора 6 и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 8 шиной источника питания, база выходного транзистора 6 подключена к дополнительному источнику напряжения 9, а коллектор соединен с выходом устройства 10 и через первый резистор 11 соединен с первой 4 шиной источника питания. Между эмиттером входного транзистора 2 и коллектором выходного транзистора 6 включен первый 12 корректирующий конденсатор, коллектор входного транзистора 2 связан с эмиттером выходного транзистора 6 через второй 13 резистор и подключен к источнику входного напряжения 1 через второй 14 корректирующий конденсатор.The selective amplifier of Fig. 2 contains an
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.
Источник входного сигнала uвх (1) через входную дифференцирующую цепь, образованную конденсатором 14 и резистором 13, изменяет (в соответствии с указанным законом) входной (эмиттерный) ток транзистора 6. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора (резистор 11 и конденсатор 12) обеспечивает интегрирующий закон преобразования этого тока в выходное напряжение ИУ (Вых.u). В этой связи АЧХ ИУ имеет экстремум на частоте квазирезонанса (f0) и нулевые асимптотические значения коэффициента передачи. Преобразование части выходного напряжения ИУ через конденсатор 12 в дополнительный ток эмиттера транзистора 2 способствует реализации контура регенеративной обратной связи. При этом конденсатор 12 и входное сопротивление транзистора 2 образуют дифференцирующую цепь, а параллельное (по переменному току) соединение конденсатора 14 и резистора 13 - интегрирующую цепь преобразования тока коллектора транзистора 2 в изменения тока эмиттера транзистора 6. Таким образом, характер частотной зависимости вводимого контура обратной связи совпадает с АЧХ и ФЧХ ИУ и, следовательно, действие этой обратной связи направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К0 при неизменной частоте квазирезонанса.The source of the input signal u in (1) through the input differentiating circuit formed by the capacitor 14 and the resistor 13 changes (in accordance with the indicated law) the input (emitter) current of the
Покажем аналитически, что более высокие значения К0 и Q в рабочем диапазоне частот реализуются в схеме фиг.2.Let us show analytically that higher values of K 0 and Q in the operating frequency range are implemented in the scheme of figure 2.
Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:Indeed, as a result of the analysis, we can find that the complex voltage transfer coefficient of the DUT of FIG. 2 is determined by the formula
где f - частота сигнала;where f is the signal frequency;
f0 - частота квазирезонанаса,f 0 is the frequency of quasi-resonance,
, ,
K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте f0,K 0 - gain of the DUT at a frequency f 0 ,
Q - добротность, причем:Q - quality factor, and:
αi - коэффициент передачи по току i-го эмиттера транзистора. Таким образом, численные значения коэффициентов α2 и α6 обеспечивают необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления K0 ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f0 (2).α i - current transfer coefficient of the i-th emitter of the transistor. Thus, the numerical values of the coefficients α 2 and α 6 provide the necessary (required) values of the quality factor Q and gain K 0 of the IUT with a constant (unchanged) value of its quasi-resonance frequency f 0 (2).
Важнейшим свойством предлагаемой схемы ИУ является возможность параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно небольшой добротности. Как видно из (4) при реализации условияThe most important property of the proposed IU scheme is the possibility of parametric optimization of its elemental sensitivity with a relatively low quality factor. As can be seen from (4) when the condition
добротность достигает максимального значенияquality factor reaches its maximum value
В схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматривающем случаеIn the diagram of FIG. 2, structural optimization of both the Q factor of Q and its sensitivity is provided. Indeed, in the case under consideration
Коэффициенты параметрической чувствительности при выполнении условия (5):Coefficients of parametric sensitivity when condition (5) is satisfied:
При этом частота квазирезонанса (2) и ее параметрическая чувствительность сохраняются неизменными.In this case, the frequency of quasi-resonance (2) and its parametric sensitivity remain unchanged.
Как видно из чертежа фиг.3, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе комплементарных биполярных транзисторов, обеспечивающих преобразование входного напряжения uвх во входной ток iвх.1.As seen from the figure 3, which shows a practical implementation of the
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4, фиг.5. Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q при низкой параметрической чувствительности и, следовательно, высокой стабильностью его частотных характеристик.These theoretical conclusions confirm the graphs of figure 4, figure 5. Thus, the claimed circuit solution is characterized by higher values of the gain K 0 at the frequency of the quasi-resonance f 0 and increased values of the quality factor Q at low parametric sensitivity and, therefore, high stability of its frequency characteristics.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
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.50-53.1. 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.583-586.2. Microwave SF blocks of communication systems based on fully differential operational amplifiers / Prokopenko NN, Budyakov AS, K. Schmalz, S.Scheytt // Problems of Developing Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems - 2010. Proceedings / under the general. ed. Academician of the Russian Academy of Sciences A.L. Stempkovsky. - M .: IPPM RAS, 2010. - P.583-586.
3. Патент US 4.406.990, fig.3, fig.2.3. Patent US 4,406,990, fig. 3, fig. 2.
4. Патент US 6.734.937, fig.7.4. Patent US 6.734.937, fig. 7.
5. Патент US 4.600.893, fig.6.5. Patent US 4,600,893, fig. 6.
6. Патент US 6.448.853, fig.5.6. Patent US 6.448.853, fig. 5.
7. Патент US 5.091.701 fig.1.7. Patent US 5.091.701 fig. 1.
8. Патент US 7.560.987 fig.15.6.8. Patent US 7.560.987 fig.15.6.
9. Патент US 3.644.838.9. Patent US 3.644.838.
10. Патент US 4.649.352 fig.1.10. Patent US 4.649.352 fig. 1.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2474040C1 true RU2474040C1 (en) | 2013-01-27 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519035C1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Controlled selective amplifier |
RU2592429C1 (en) * | 2015-07-01 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519035C1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Controlled selective amplifier |
RU2592429C1 (en) * | 2015-07-01 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2474040C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485674C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2469462C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475948C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480894C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479109C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480895C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485673C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475947C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475939C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2465718C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488953C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479116C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475938C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479107C1 (en) | Selective amplifier with paraphase output | |
RU2479115C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519035C1 (en) | Controlled selective amplifier |