RU2485673C1

RU2485673C1 - Selective amplifier

Info

Publication number: RU2485673C1
Application number: RU2012100202A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко; Сергей Георгиевич Крутчинский; Петр Сергеевич Будяков
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: radio engineering, communications.

SUBSTANCE: selective amplifier comprises a current input (1), connected with the input of the first (2) current mirror, matched with the first (3) bus of a power supply source, the second (4) current mirror matched with the second (5) bus of a power supply source, the input of which is connected to the output of the first (2) current mirror. Besides, between the output of the second (4) current mirror and the first (3) bus of the power supply source there is the first (6) resistor connected. The output of the second (4) current mirror is connected by AC to the common bus of power supply sources via serially connected first (7) and second (8) correcting capacitors, the common unit of the first (7) and second (8) correcting capacitors via the second (9) resistor is connected to the input (10) of the first (11) current amplifier, the output (12) of which is connected to the input of the first (2) current mirror, besides, the common unit of the first (7) and second (8) correcting capacitors via the third (13) resistor is connected with the input (14) of the second (15) current amplifier.

EFFECT: higher quality of amplifier amplitude-frequency characteristic and its amplification ratio by voltage at quasiresonance frequency.

8 dwg

Description

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 invention relates to the field of radio engineering and communication 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) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа вспомогательных транзисторов, образующих универсальный 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 (DUTs) is accompanied by significant energy losses, which are mainly used to ensure the static mode of a sufficiently large number of auxiliary transistors forming a universal operational microwave amplifier [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 двух токовых зеркал, согласованных с разными шинами источников питания [3-9], которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку) или «шунтирующим» конденсатором, а нижняя f_н определяется входным корректирующим конденсатором.Known schemes of selective amplifiers (DUTs) based on two current mirrors, matched with different buses of power supplies [3-9], 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) or by a shunt capacitor, and the lower f _n is determined by the input correction capacitor.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4380740. Он содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier, presented in patent US 4380740. It contains a current input of 1 device connected to the input of the first 2 current mirrors, matched with the first 3 bus power source, the second 4 current mirror, matched with the second 5 bus power source, the input of which is connected to the output of the first 2 current mirrors, and the first 6 resistor is connected between the output of the second 4 current mirrors and the first 3 bus of the power source.

Кроме этого, архитектура ИУ-прототипа запатентована в RC-фильтре по патентной заявке US 2011/0090824 (fig.6, fig.7).In addition, the architecture of the DUT prototype is patented in the RC filter according to patent application US 2011/0090824 (fig.6, fig.7).

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

амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению K₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀=1÷5 ГГц).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÷5 ГГц с малым энергопотреблением.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 total power consumption and implement a high-quality microwave device with f ₀ = 1 ÷ 5 GHz with low power consumption.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор, предусмотрены новые элементы и связи - выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.The problem is solved in that in the selective amplifier of figure 1, containing the current input 1 of the device associated with the input of the first 2 current mirrors, matched with the first 3 bus power source, the second 4 current mirror, matched with the second 5 bus power source, the input of which connected to the output of the first 2 current mirrors, and the first 6 resistor is connected between the output of the second 4 current mirrors and the first 3 bus of the power supply, new elements and connections are provided - the output of the second 4 current mirrors is connected alternately an eye with a common bus of power sources through the first 7 and second 8 correction capacitors connected in series, the common node of the first 7 and second 8 correction capacitors through the second 9 resistor is connected to the input 10 of the first 11 current amplifier, the output of which 12 is connected to the input of the first 2 current mirrors, in addition, the common node of the first 7 and second 8 correction capacitors through the third 13 resistor is connected to the input 14 of the second 15 current amplifier.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой 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 inventive device in accordance with the claims.

На чертеже фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в с конкретным выполнением первого 11 и второго 15 усилителей тока, имеющим низкое входное сопротивление.The drawing of figure 3 shows a diagram of the DUT of figure 2 in with a specific implementation of the first 11 and second 15 current amplifiers having a low input impedance.

На чертеже фиг.4 показан ИУ фиг.2 с другим вариантом выполнения усилителей тока 11 и 15.The drawing of figure 4 shows the DUT of figure 2 with another embodiment of the current amplifiers 11 and 15.

На чертеже фиг.5 показан ИУ фиг.3, у которого во входную цепь введен преобразователь «напряжение-ток» 30.The drawing of FIG. 5 shows the DUT of FIG. 3, in which a voltage-current converter 30 is introduced into the input circuit.

На чертеже фиг.6 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.The drawing of Fig.6 shows a diagram of the inventive DUT of Fig.3 in a Cadence environment on SiGe models of integrated transistors.

На чертеже фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ИУ фиг.6 в крупном масштабе при разных значениях коэффициентов усиления по току токового зеркала 2 (4), а на чертеже фиг.8 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.6 в более мелком масштабе.The drawing of Fig.7 shows the dependence of the voltage gain on the frequency of the DUT of Fig.6 on a large scale at different values of the current gain of the current mirror 2 (4), and the drawing of Fig.8 shows the frequency dependence of the gain and phase shift of the DUT of Fig. .6 on a smaller scale.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит токовый вход 1 устройства, связанный со входом первого 2 токового зеркала, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второе 4 токовое зеркало, согласованное со второй 5 шиной источника питания, вход которого соединен с выходом первого 2 токового зеркала, причем между выходом второго 4 токового зеркала и первой 3 шиной источника питания включен первый 6 резистор. Выход второго 4 токового зеркала связан по переменному току с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через второй 9 резистор связан со входом 10 первого 11 усилителя тока, выход 12 которого подключен ко входу первого 2 токового зеркала, кроме этого, общий узел первого 7 и второго 8 корректирующих конденсаторов через третий 13 резистор соединен со входом 14 второго 15 усилителя тока.The selective amplifier of figure 2 contains the current input 1 of the device connected to the input of the first 2 current mirrors, matched with the first 3 bus power source, the second 4 current mirror, matched with the second 5 bus power source, the input of which is connected to the output of the first 2 current mirrors, moreover, between the output of the second 4 current mirrors and the first 3 bus power source included the first 6 resistor. The output of the second 4 current mirrors is connected via alternating current to the common bus of power supplies through the first 7 and second 8 correction capacitors, the common node of the first 7 and second 8 correction capacitors is connected through the second 9 resistor to the input 10 of the first 11 current amplifier, the output of which 12 connected to the input of the first 2 current mirrors, in addition, a common node of the first 7 and second 8 correction capacitors through the third 13 resistor is connected to the input 14 of the second 15 current amplifier.

В схеме фиг.3 первый 11 усилитель тока реализован на основе каскада с общей базой на транзисторе 17, цепи смещения потенциала 18 и двухполюсника 19, а второй 15 усилитель тока содержит биполярный транзистор с включением по схеме с общей базой, коллектор которого соединен с потенциальным выходом устройства 16. Его нагрузкой является резистор 21.In the circuit of Fig. 3, the first 11 current amplifier is implemented on the basis of a cascade with a common base on the transistor 17, a bias circuit of the potential 18 and a two-terminal network 19, and the second 15 current amplifier contains a bipolar transistor with a common base switching on, the collector of which is connected to a potential output device 16. Its load is the resistor 21.

В схеме фиг.4, соответствующей чертежу фиг.2, используются другие варианты выполнения усилителей тока 11 и 15. В частности, первый усилитель тока 11 реализован на транзисторе 22 и резисторе 23, а второй усилитель тока 15 выполнен на транзисторе 25, резисторах 24 и 26. Статический режим транзисторов 22 и 25 устанавливается резисторами 27, 28 и p-n переходами 29. В данной схеме выход 16 усилителя тока 15, в отличие от схемы фиг.3, согласован со второй 5 шиной источника питания.In the circuit of FIG. 4 corresponding to the drawing of FIG. 2, other embodiments of current amplifiers 11 and 15 are used. In particular, the first current amplifier 11 is implemented on a transistor 22 and a resistor 23, and the second current amplifier 15 is made on a transistor 25, resistors 24 and 26. The static mode of transistors 22 and 25 is set by resistors 27, 28 and pn junctions 29. In this circuit, the output 16 of the current amplifier 15, in contrast to the circuit of FIG. 3, is matched with the second 5 bus of the power source.

Для случая, когда входным сигналом для ИУ является напряжение (u_вх) между источником u_вх и токовым входом 1 устройства необходимо включить преобразователь «напряжение-ток», например, на основе дифференциального каскада 30, который реализован (в частном случае) на транзисторах 31, 32, источнике тока 33 и цепи смещения потенциалов 34.For the case when the input signal for the DUT is the voltage (u _in ) between the source u _in and the current input 1 of the device, it is necessary to turn on the voltage-current converter, for example, based on a differential stage 30, which is implemented (in a particular case) on transistors 31 , 32, current source 33, and potential bias circuit 34.

Токовые зеркала 2 и 4 выполняются по классическим схемам.Current mirrors 2 and 4 are performed according to classical schemes.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.

Источник входного переменного сигнала в виде тока i_вх.1 изменяет входной ток токового зеркала 2 и далее входной ток (i_вх.4) токового зеркала 4. Эти изменения i_вх.4 через коэффициент передачи по току K_i12.4 передаются в частотно-зависимую цепь нагрузки токового зеркала 4. Структура этой цепи нагрузки, образованная резисторами 6, 9, 13 и конденсаторами 7, 8, обеспечивает полосно-пропускающий тип частотных характеристик ИУ - конденсатор 8 - формирует уменьшение амплитуды токов резисторов 9 и 13 в области верхних частот ИУ, а конденсатор 7 - уменьшают сигнал в области нижних частот ИУ. В результате протекающие через резисторы 9 и 13 токи обеспечивают полосно-пропускающую селекцию выходного напряжения усилителя 15. Аналогично, ток резистора 9 изменяет входной ток усилителя 11 и, следовательно, входной ток токового зеркала 2. Совпадение вида частотной зависимости этого тока с характеристиками ИУ позволяет реализовать как в области верхних частот, так и в области нижних частот ИУ реактивную обратную связь, повышающую ослабление сигналов в этом диапазоне частоте на выходе 16. Таким образом, только на одной частоте (частоте квазирезонанса ИУ f₀) фазовые сдвиги в контуре обратной связи ИУ совпадают, а численное значение коэффициентов передачи К_i12.2, K_i12.4 будет направлено на обеспечение добротности Q и коэффициента усиления К₀ избирательного усилителя.The source of the input variable signal in the form of current i input ₁ changes the input current of the current mirror 2 and then the input current (i _{input 4} ) of the current mirror 4. These changes i _{input 4} through the current transfer coefficient K _i12.4 are transmitted to the frequency dependent load circuit of the current mirror 4. The structure of this load circuit, formed by resistors 6, 9, 13 and capacitors 7, 8, provides a band-pass type of frequency characteristics of the DUT - capacitor 8 - forms a decrease in the amplitude of the currents of the resistors 9 and 13 in the high-frequency region of the DUT and capacitor 7 - reduce the signal in the lower frequency of the DUT. As a result, the currents flowing through the resistors 9 and 13 provide a band-pass selection of the output voltage of the amplifier 15. Similarly, the current of the resistor 9 changes the input current of the amplifier 11 and, therefore, the input current of the current mirror 2. The coincidence of the form of the frequency dependence of this current with the characteristics of the DUT allows both in the high-frequency region and in the low-frequency region of the DUT, reactive feedback increases the attenuation of signals in this range of the output frequency 16. Thus, only at one frequency (the frequency of quas IU resonance f ₀₎ the phase shifts in the loop feedback IU coincide, and the numerical value of the transmission coefficient K _i12.2, K _i12.4 is aimed at ensuring the quality factor Q and gain coefficient K ₀ selective amplifier.

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,

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте f₀ To ₀ is the gain of the DUT at a frequency of f ₀

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

где К_i12.2, K_i12.4, K_i.11 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 2, 4 и дополнительного усилителей тока 11.where K _i12.2 , K _i12.4 , K _i.11 - current transfer coefficients of current mirrors 2, 4 and additional current amplifiers 11.

Таким образом, численные значения коэффициентов К_i12.2, K_i12.4 токовых зеркал 4, 2 обеспечивают необходимые (требуемые) значения добротности Q и коэффициента усиления K₀ ИУ при постоянном (неизменном) значении его частоты квазирезонанса f₀ (2).Thus, the numerical values of the coefficients K _i12.2 , K _{i12.4 of the} current mirrors 4, 2 provide the necessary (required) values of the Q factor and gain K _{0 of the} DUT with a constant (unchanged) value of its quasi-resonance frequency f ₀ (2).

Важнейшим свойством предлагаемой схемы является возможность параметрической оптимизации ее элементной чувствительности при относительно большой добротности. Как видно из (4) при C₇=C₈ и реализации условияThe most important property of the proposed scheme is the possibility of parametric optimization of its elemental sensitivity at a relatively high Q factor. As can be seen from (4) with C ₇ = C ₈ and the condition

в схеме фиг.2 обеспечивается возможность структурной оптимизации как добротности Q, так и ее чувствительности. Действительно, в рассматривающем случае добротность:in the diagram of figure 2 provides the possibility of structural optimization of both the Q factor of Q, and its sensitivity. Indeed, in the case under consideration, the Q factor:

а ее коэффициенты чувствительности:and its sensitivity factors:

,

.

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.5, на котором показана практическая реализация схемы фиг.2, сформулированные выше условия легко реализуются на базе входного преобразователя «напряжение-ток» 30 (дифференциального каскада), обеспечивающего преобразование входного напряжения u_вх во входной ток ИУ i_вх.1.As seen from the figure 5, which shows a practical implementation of the circuit 2, the conditions set forth above can be easily implemented based on the input converter "voltage-current" 30 (differential stage), up-converting the input voltage u _Rin of the input current i _Rin IU _.1 .

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.7, фиг.8.These theoretical conclusions confirm the graphs of Fig.7, Fig.8.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства при низких коэффициентах чувствительности (8).Thus, the claimed circuitry 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 Q factor Q, which characterizes its selective properties at low sensitivity coefficients (8).

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 promising 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 4380740.3. Patent US 4380740.

4. Патентная заявка US 2003/0218496, fig.10.4. Patent application US 2003/0218496, fig. 10.

5. Патент US 6586918, fig.6.5. Patent US 6586918, fig. 6.

6. Патент US 4558287, fig.2.6. Patent US 4,558287, fig. 2.

7. Патентная заявка US 2011/0090824, fig.6, fig.7.7. Patent application US 2011/0090824, fig. 6, fig. 7.

8. Патент US 5880639, fig.1.8. Patent US 5880639, fig. 1.

9. Патент US 5548287.9. Patent US 5548287.

Claims

A selective amplifier comprising a current input (1) of a device connected to an input of a first (2) current mirror matched to a first (3) bus of a power source, a second (4) current mirror matched to a second (5) bus of a power source, whose input connected to the output of the first (2) current mirror, and between the output of the second (4) current mirror and the first (3) bus of the power source, the first (6) resistor is switched on, characterized in that the output of the second (4) current mirror is connected with alternating current with common bus power supplies through the aftermath The first (7) and second (8) correction capacitors, the common node of the first (7) and second (8) correction capacitors, are connected through the second (9) resistor to the input (10) of the first (11) current amplifier, output (12) which is connected to the input of the first (2) current mirror, in addition, the common node of the first (7) and second (8) correction capacitors is connected through the third (13) resistor to the input (14) of the second (15) current amplifier.