RU2481697C1 - Selective amplifier - Google Patents
Selective amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2481697C1 RU2481697C1 RU2012110832/08A RU2012110832A RU2481697C1 RU 2481697 C1 RU2481697 C1 RU 2481697C1 RU 2012110832/08 A RU2012110832/08 A RU 2012110832/08A RU 2012110832 A RU2012110832 A RU 2012110832A RU 2481697 C1 RU2481697 C1 RU 2481697C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- transistor
- output
- power supply
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п.The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in devices for filtering radio signals, television, radar, etc.
В задачах выделения высокочастотных 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 второстепенных транзисторов, образующих операционный усилитель [1, 2]. В этой связи весьма актуальной является задача построения избирательных усилителей на двух-трех биполярных транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷10) при малом энергопотреблении.Integrated operational amplifiers with special RC-correction elements that form the amplitude-frequency characteristic of the resonance type are widely used today in the tasks of extracting high-frequency signals [1, 2]. However, the classical construction of such selective amplifiers (DUTs) is accompanied by significant energy losses, which are mainly used to ensure the static mode of a sufficiently large number of secondary transistors forming an operational amplifier [1, 2]. In this regard, it is very urgent to build selective amplifiers on two or three bipolar transistors, which provide a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor (Q) of the resonance characteristic (Q = 2 ÷ 10) with low power consumption.
Известны схемы ИУ, интегрированных в архитектуру, RC-фильтров на основе биполярных транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн [3-11]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется специальным корректирующим конденсатором.Known schemes of integrated circuits, integrated into the architecture, of RC filters based on bipolar transistors, which provide the formation of the amplitude-frequency characteristics of the voltage gain in a given frequency range Δf = f in -f n [3-11]. 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 a special corrective capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является управляемый избирательный усилитель, представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2.The closest prototype of the claimed device is a controlled selective amplifier, presented in patent US 4267518 fig.6. It contains an
Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К0>1 на частоте квазирезонанса (f0).A significant drawback of the known YiU prototype 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 ).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (К0) на частоте квазирезонанса f0. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство.The main objective of the invention is to increase the quality factor of the frequency response of the DUT and its voltage gain (K 0 ) at the frequency of quasi-resonance f 0 . This allows in some cases to reduce the overall energy consumption and implement a high-quality selective device.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.The problem is solved in that in the selective amplifier of figure 1, containing the
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 presents a diagram of the claimed IU in accordance with
Чертеж фиг.3 соответствует п.2 и п.3 формулы изобретения.The drawing of figure 3 corresponds to claim 2 and claim 3 of the claims.
На чертеже фиг.4, соответствующему п.2 и п.3 формулы изобретения, буферный усилитель 14 реализован по схеме классического эмиттерного повторителя.In the drawing of figure 4, corresponding to
На чертеже фиг.5 показана схема ИУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.The drawing of FIG. 5 shows a diagram of the DUT of FIG. 4 in a Cadence computer simulation environment on SiGe integrated transistor models.
На чертеже фиг.6 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.The drawing of Fig.6 shows the logarithmic amplitude-frequency characteristic of the DUT of Fig.5 in the frequency range of 0.5-1.5 GHz.
На чертеже фиг.7 приведена логарифмическая фазо-частотная характеристика ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.The drawing of Fig.7 shows the logarithmic phase-frequency characteristic of the DUT of Fig.5 in the frequency range 0.5-1.5 GHz.
На чертеже фиг.8 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в диапазоне частот 0,5-1,5 ГГц.The drawing of Fig. 8 shows the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the DUT of Fig. 5 in the frequency range 0.5-1.5 GHz.
На чертеже фиг.9 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотные характеристики ИУ фиг.5 в широком диапазоне частот (0-100 ГГц).The drawing of Fig.9 shows the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the DUT of Fig.5 in a wide frequency range (0-100 GHz).
Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного сигнала 1, первый 2 входной транзистор, коллектор которого через первый 3 частотозадающий резистор связан с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен со второй 6 шиной источника питания, выходной транзистор 7, коллектор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а эмиттер через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 6 шиной источника питания, первый 9 корректирующий конденсатор, включенный между эмиттером выходного транзистора 7 и эмиттером входного транзистора 2. Источник входного сигнала 1 связан с коллектором входного транзистора 2 и базой выходного транзистора 7 через второй 10 корректирующий конденсатор, база входного транзистора 2 подключена по переменному току к общей шине источников питания 11, а выход устройства 12 подключен к эмиттеру входного транзистора 2 через первый 9 корректирующий конденсатор.The selective amplifier of Fig. 2 contains an
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между эмиттером выходного транзистора 7 и выходом устройства 12 включен дополнительный резистор 13.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, к выходу устройства 12 подключен буферный усилитель 14, обеспечивающий работу ИУ на низкоомную нагрузку.In addition, in the drawing of figure 3, in accordance with
На чертеже фиг.4 буферный усилитель 14 реализован в виде классического эмиттерного повторителя на транзисторе 15 и источнике опорного тока 16.In the drawing of FIG. 4, the
Рассмотрим работу предлагаемой схемы фиг.3.Consider the work of the proposed scheme of figure 3.
Источник входного сигнала uвх (1) через конденсатор 10 изменяет по дифференциальному закону ток базы транзистора 7 и, следовательно, его эмиттерный ток. Емкостной характер нагрузки этой цепи (конденсатор 9) обеспечивает интегрирующий закон преобразования этого тока в выходное напряжение схемы (Вых.12). Именно поэтому вид как амплитудно-частотной, так и фазочастотной характеристик схемы соответствует полосно-пропускающему фильтру второго порядка и, следовательно, избирательному усилителю, частота квазирезонанса f0 которого определяется постоянными времени указанных законов преобразования. Преобразование выходного напряжения посредством конденсатора 9 в переменный эмиттерный ток транзистора 2 подчинятся дифференцирующему закону. Комплексный характер нагрузки коллекторной цепи транзистора 2, образованной параллельным соединением конденсатора 10 и резистора 3, способствует преобразованию этого тока в напряжение по интегрирующему закону и в пропорциональное изменение тока базы и, как следствие, тока эмиттера транзистора 7. Таким образом, в области нижних частот (f<<f0) в схеме в силу влияния конденсатора 9 действует реактивная обратная связь, а в области верхних частот (f>>f0) за счет преобладающего влияния проводимости конденсатора 10 характер этой связи сохраняется с изменением знака фазового соотношения цепи обратной связи. Таким образом, на частоте квазирезонанса ИУ f0 обратная связь схемы является вещественной и ее глубина максимальной. В силу положительного возвратного отношения этой связи на частоте f0 ей действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления К0.The source of the input signal u I (1) through the
Комплексный коэффициент передачи как отношение выходного напряжения u12 (выход устройства 12) к входному напряжению uвх усилителя фиг.2 определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:The complex transfer coefficient as the ratio of the output voltage u 12 (the output of the device 12) to the input voltage u I of the amplifier of figure 2 is determined by the formula, which can be obtained using methods of analysis of electronic circuits:
где f - частота сигнала;where f is the signal frequency;
f0 - частота квазирезонанса;f 0 is the frequency of quasi-resonance;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;Q is the quality factor of the frequency response of the selective amplifier;
К0 - коэффициент усиления ИУ по напряжению на частоте квазирезонанса f0.To 0 is the gain of the DUT by voltage at the frequency of quasi-resonance f 0 .
Причем:Moreover:
где τ1=C10R3, τ2=С9(R13+h11.7+h11.2);where τ 1 = C 10 R 3 , τ 2 = C 9 (R 13 + h 11.7 + h 11.2 );
h11.i - h-параметр i-го транзистора;h 11.i is the h-parameter of the i-th transistor;
C9, С10, R13, R3 - параметры элементов 9, 10, 13, 3.C 9 , C 10 , R 13 , R 3 - parameters of
Добротность ИУ фиг.3 определяется формулойThe quality factor of the IU of figure 3 is determined by the formula
где ;Where ;
α2 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2.α 2 is the current gain of the emitter of
Если выбрать τ1=τ2, то Для получения заданного значения добротности Q параметры элементов 3 и 13 (R3 и R13) должны удовлетворять условиюIf we choose τ 1 = τ 2 , then to obtain a given quality factor Q, the parameters of
Формула для коэффициента усиления ИУ К0 в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет видThe formula for the gain of the DUT K 0 in the complex transmission coefficient (1) has the form
Отличительной особенностью предлагаемой схемы ИУ является возможность реализации различных параметрических условий и ограничений на параметры элементов 2, 3, 7, 9, 13.A distinctive feature of the proposed DUT scheme is the ability to implement various parametric conditions and restrictions on the parameters of
Как показано на фиг.2 (пункт 1 формулы изобретения) при R13=0As shown in figure 2 (
поэтому изменением тока I5 и I8 двухполюсников 5 и 8 можно изменить h11.2≈φT/I5 и (или) h11.7≈φT/I5 (φT=kT/q) и, следовательно, реализовать необходимые значения добротности. При максимизации динамического диапазона схемы, когда τ1=τ2 можно также реализовать условиеtherefore, by changing the current I 5 and I 8 of the two-
направленное на минимизацию R3 и обеспечение дополнительных условий выбора оптимального режима работы транзистора 2.aimed at minimizing R 3 and providing additional conditions for choosing the optimal operating mode of
Кроме этого, включение (фиг.3) дополнительного резистора 13 (п.2 формулы изобретения) за счет изменения структуры τ2 (соотношение (2)) можно обеспечить уменьшение чувствительности f0 к малосигнальным параметрам биполярных транзисторовIn addition, the inclusion (Fig. 3) of an additional resistor 13 (
Выбором соотношения между R3 и R13 можно реализовать заданную добротностьBy choosing the ratio between R3 and R13, you can implement a given quality factor
При R3=R13+h11.7+h11.2, τ1=τ2(1-α2) добротность можно найти по формулеWhen R 3 = R 13 + h 11.7 + h 11.2 , τ 1 = τ 2 (1-α 2 ), the quality factor can be found by the formula
Кроме этого, при выполнении параметрического условияIn addition, under the parametric condition
добротность Q принимает значениеthe Q factor takes on value
обеспечивающее минимальную чувствительность добротности к изменению емкостей 10 и 9:providing the minimum sensitivity of the quality factor to a change in
Представленные на чертежах фиг.6 - фиг.9 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.Presented on the drawings Fig.6 - Fig.9 the simulation results of the proposed IU confirm these properties.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса f0, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.Thus, the claimed circuit solution of the DUT is characterized by higher values of the gain K 0 at the frequency of quasi-resonance f 0 , as well as increased values of the quality factor Q, characterizing its selective properties.
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., 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.583-586.2. 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 4267518 fig.6.3. Patent US 4267518 fig. 6.
4. Патент US 6642794.4. Patent US 6642794.
5. Патент WO 2003/052925.5. Patent WO 2003/052925.
6. Патентная заявка US 2008/0122530.6. Patent application US 2008/0122530.
7. Патент US 5304946 fig.22.7. Patent US 5304946 fig.22.
8. Патент JP 2004096589.8. Patent JP 2004096589.
9. Патент US 6972624, fig.6а.9. Patent US 6972624, fig.6a.
10. Патентная заявка US 2011/0109388.10. Patent application US 2011/0109388.
11. Патент CN 101204009.11. Patent CN 101204009.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110832/08A RU2481697C1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Selective amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110832/08A RU2481697C1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Selective amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2481697C1 true RU2481697C1 (en) | 2013-05-10 |
Family
ID=48789630
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012110832/08A RU2481697C1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Selective amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2481697C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU832703A1 (en) * | 1978-07-17 | 1981-05-23 | Рязанский Радиотехнический Инсти-Тут | Selective amplifier |
SU1363435A1 (en) * | 1985-08-06 | 1987-12-30 | Предприятие П/Я В-2322 | Selective amplifier |
WO2006077525A1 (en) * | 2005-01-21 | 2006-07-27 | Nxp B.V. | A high dynamic range low-power differential input stage |
US20110109388A1 (en) * | 2008-04-18 | 2011-05-12 | Stmicroelectronics (Grenoble) Sas | Differential rf amplifier |
RU2432669C1 (en) * | 2010-10-15 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
-
2012
- 2012-03-21 RU RU2012110832/08A patent/RU2481697C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU832703A1 (en) * | 1978-07-17 | 1981-05-23 | Рязанский Радиотехнический Инсти-Тут | Selective amplifier |
SU1363435A1 (en) * | 1985-08-06 | 1987-12-30 | Предприятие П/Я В-2322 | Selective amplifier |
WO2006077525A1 (en) * | 2005-01-21 | 2006-07-27 | Nxp B.V. | A high dynamic range low-power differential input stage |
US20110109388A1 (en) * | 2008-04-18 | 2011-05-12 | Stmicroelectronics (Grenoble) Sas | Differential rf amplifier |
RU2432669C1 (en) * | 2010-10-15 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2481697C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2469466C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519035C1 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2488953C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480895C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2461955C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2523953C1 (en) | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic | |
RU2507675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2517681C1 (en) | Selective amplifier with extended frequency band | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2487466C1 (en) | Selective amplifier with paraphase output | |
RU2543298C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2520418C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479114C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479115C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475948C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479106C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2474040C1 (en) | Selective amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140322 |