RU2474040C1 - Selective amplifier - Google Patents

Selective amplifier

Info

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
Application number
RU2012103434A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Сергей Георгиевич Крутчинский
Петр Сергеевич Будяков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Application granted granted Critical
Publication of RU2474040C1 publication Critical patent/RU2474040C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: selective amplifier includes input voltage source (1), input transistor (2), the emitter of which is connected through the first (3) current-stabilising bipole to the first (4) power supply bus; base is connected to potential bias circuit (5); collector is connected to emitter of output transistor (6) and through the second (7) current-stabilising bipole to the second (8) power supply bus; base of output transistor (6) is connected to additional voltage source (9), and collector is connected to output of device (10) and through the first resistor (11) to the first (4) power supply bus. The first (12) balancing capacitor is connected between emitter of input transistor (2) and collector of output transistor (6); collector of input transistor (2) is connected to emitter of output transistor (6) through the second (13) resistor and to input voltage source (1) through the second (14) balancing capacitor.
EFFECT: improving Q factor of amplitude-frequency response of the amplifier and its voltage amplification factor at quasi-resonance frequency f0.
5 dwg

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 input voltage source 1, input transistor 2, the emitter of which is connected through the first 3 current-stabilizing two-terminal to the first 4 bus of the power supply, the base is connected to the potential bias circuit 5, the collector is connected to the emitter of the output transistor 6 and through the second 7 current-stabilizing two-terminal is connected to the second 8 by a power supply bus, the base of the output transistor 6 is connected to an additional voltage source 9, and the collector is connected to the output of the device 10 and through the first resistor 11 is connected to the first 4 bus power source.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность

Figure 00000001
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
Figure 00000001
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 input voltage source 1, an input transistor 2, the emitter of which through the first 3 current-stabilizing two-terminal network is connected to the first 4 bus of the power source, the base is connected to the potential bias circuit 5, the collector is connected to the emitter the output transistor 6 and through the second 7 the current-stabilizing two-terminal is connected to the second 8 bus of the power source, the base of the output transistor 6 is connected to an additional voltage source 9, and the collector is connected to the output of device 10 and through the first resistor 11 is connected to the first 4 bus of the power source, new elements and connections are provided - between the emitter of the input transistor 2 and the collector of the output transistor 6, the first 12 correction capacitor is connected, the collector of the input transistor 2 is connected to the emitter of the output transistor 6 through the second 13 resistor and is connected to the input voltage source 1 through the second 14 correction capacitor.

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 input voltage source 1, an input transistor 2, the emitter of which through the first 3 current-stabilizing two-terminal network is connected to the first 4 bus of the power source, the base is connected to the potential bias circuit 5, the collector is connected to the emitter of the output transistor 6 and through the second 7 current-stabilizing the bipolar is connected to the second 8 bus of the power source, the base of the output transistor 6 is connected to an additional voltage source 9, and the collector is connected to the output of the device 10 and through the first resistor p 11 is connected to the first 4 bus power source. The first 12 correction capacitor is connected between the emitter of the input transistor 2 and the collector of the output transistor 6, the collector of the input transistor 2 is connected to the emitter of the output transistor 6 through a second 13 resistor and connected to the input voltage source 1 through the second 14 correction capacitor.

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 transistor 6. The collector load of this transistor (resistor 11 and capacitor 12) is provided by the integrating the law of conversion of this current into the output voltage of the DUT (Output.u). In this regard, the frequency response of the DUT has an extremum at the quasi-resonance frequency (f 0 ) and zero asymptotic values of the transmission coefficient. The conversion of part of the output voltage of the DUT through the capacitor 12 to the additional emitter current of the transistor 2 contributes to the implementation of the regenerative feedback loop. In this case, the capacitor 12 and the input resistance of the transistor 2 form a differentiating circuit, and a parallel (alternating current) connection of the capacitor 14 and the resistor 13 forms an integrating circuit for converting the collector current of the transistor 2 into changes in the emitter current of the transistor 6. Thus, the nature of the frequency dependence of the input feedback loop coupling coincides with the frequency response and phase response of the DUT and, therefore, the action of this feedback is aimed at increasing the quality factor Q and gain K 0 at a constant frequency of quasi-resonance.

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

Figure 00000002
Figure 00000002

где f - частота сигнала;where f is the signal frequency;

f0 - частота квазирезонанаса,f 0 is the frequency of quasi-resonance,

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте f0,K 0 - gain of the DUT at a frequency f 0 ,

Figure 00000006
Figure 00000006

Q - добротность, причем:Q - quality factor, and:

Figure 00000007
Figure 00000007

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

Figure 00000008
Figure 00000008

добротность достигает максимального значенияquality factor reaches its maximum value

Figure 00000009
Figure 00000009

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

Figure 00000010
Figure 00000010

Коэффициенты параметрической чувствительности при выполнении условия (5):Coefficients of parametric sensitivity when condition (5) is satisfied:

Figure 00000011
Figure 00000011

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 circuit 2, the conditions set forth above are easily implemented on the basis of complementary bipolar transistors, providing the input voltage u transform Rin during the input current i input 1.

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)

Избирательный усилитель, содержащий 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, отличающийся тем, что 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. A selective amplifier containing an input voltage source (1), an input transistor (2), the emitter of which is connected to the first (4) bus of the power supply via the first (3) current-stabilizing two-terminal device, the base is connected to the potential bias circuit (5), the collector is connected to the emitter output transistor (6) and through the second (7) current-stabilizing two-terminal device is connected to the second (8) bus of the power source, the base of the output transistor (6) is connected to an additional voltage source (9), and the collector is connected to the output of the device (10) through the first resistor (11) is connected to the first (4) bus of the power source, characterized in that between the emitter of the input transistor (2) and the collector of the output transistor (6) the first (12) correction capacitor is connected, the collector of the input transistor (2) is connected to the emitter output transistor (6) through the second (13) resistor and is connected to the input voltage source (1) through the second (14) correction capacitor.
RU2012103434A 2012-02-01 Selective amplifier RU2474040C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2474040C1 true RU2474040C1 (en) 2013-01-27

Family

ID=

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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