RU2488955C1 - Non-inverting current amplifier-based selective amplifier - Google Patents
Non-inverting current amplifier-based selective amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488955C1 RU2488955C1 RU2012132334/08A RU2012132334A RU2488955C1 RU 2488955 C1 RU2488955 C1 RU 2488955C1 RU 2012132334/08 A RU2012132334/08 A RU 2012132334/08A RU 2012132334 A RU2012132334 A RU 2012132334A RU 2488955 C1 RU2488955 C1 RU 2488955C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- output
- frequency
- amplifier
- inverting
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п.The present 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 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 bipolar transistors, which provide a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor (Q) of the resonant 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 [3-20]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется корректирующим конденсатором.Known schemes are DUTs 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 [3-20]. 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 correction capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 5304946, фиг.24. Он содержит источник входного напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier, presented in patent US 5304946, Fig.24. It contains an
Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность
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 напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор, предусмотрены новые элементы и связи - выход преобразователя «напряжение-ток» 2 подключен к коллектору выходного транзистора 3 и связан по переменному току с общей шиной источников питания 10 через первый 7 корректирующий конденсатор, а также через второй 8 корректирующий конденсатор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 11, причем неинвертирующий выход 12 дополнительного токового зеркала 11 соединен с эмиттером выходного транзистора 3 и выходом устройства 13 через второй 9 частотозадающий резистор, а эмиттер выходного транзистора 3 подключен к первому дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 14.The problem is solved in that in the selective amplifier, figure 1, containing an
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25Hl).Figure 3 shows a diagram of the DUT of figure 2 in a Cadence computer simulation environment on SiGe models of integrated transistors (SG25Hl process technology).
На фиг.4 приведены логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ фиг.3 в широком диапазоне частот от 1 кГц до 100 ГГц при Rvar=R1=70 Ом, Cvar=C6=C7=250 фФ.Figure 4 shows the logarithmic amplitude-frequency (LAC) and phase-frequency (PFC) characteristics of the DUT of figure 3 in a wide frequency range from 1 kHz to 100 GHz with Rvar = R1 = 70 Ohms, Cvar = C6 = C7 = 250 fF.
На фиг.5 показаны ЛАЧХ и ФЧХ ИУ фиг.3 в более узком диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц при Rvar=R1=70 Ом, Cvar=C6=C7=250 фФ.Figure 5 shows the LACH and phase response of the DUT of figure 3 in a narrower frequency range from 100 MHz to 10 GHz with Rvar = R1 = 70 Ohms, Cvar = C6 = C7 = 250 fF.
На фиг.6 представлена зависимость добротности Q от сопротивления Rvar ИУ фиг.3.Figure 6 presents the dependence of the quality factor Q on the resistance Rvar of the DUT of figure 3.
На фиг.7 показана зависимость добротности Q и резонансной частоты f0 ИУ фиг.3 от параметра Cvar.7 shows the dependence of the Q factor Q and the resonant frequency f 0 of the DUT of FIG. 3 on the parameter Cvar.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, связанный с преобразователем «напряжение-ток» 2, выходной транзистор 3, база которого подключена к источнику вспомогательного напряжения 4, а коллектор через первый 5 частотозадающий резистор соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 корректирующие конденсаторы, второй 9 частотозадающий резистор. Выход преобразователя «напряжение-ток» 2 подключен к коллектору выходного транзистора 3 и связан по переменному току с общей шиной источников питания 10 через первый 7 корректирующий конденсатор, а также через второй 8 корректирующий конденсатор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 11, причем неинвертирующий выход 12 дополнительного токового зеркала 11 соединен с эмиттером выходного транзистора 3 и выходом устройства 13 через второй 9 частотозадающий резистор, а эмиттер выходного транзистора 3 подключен к первому дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 14.The selective amplifier of FIG. 2 contains an
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом дополнительного токового зеркала 11 и первой 6 шиной источника питания включен второй 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник.In Fig. 2, in accordance with
Кроме того, на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, инвертирующий выход 16 дополнительного токового зеркала 11 связан с дополнительным выходом устройства 17 и через вспомогательный резистор 18 подключен к первой 6 шине источника питания. Токовое зеркало 11 выполнено на основе транзистора 19 и p-n-перехода 20.In addition, in FIG. 2, in accordance with
Рассмотрим работу схемы фиг.2.Consider the operation of the circuit of figure 2.
Источник входного сигнала (uвх) 1 через преобразователь напряжение-ток 2 изменяет ток цепи нагрузки, образованной резисторами 5, 9 и конденсаторами 8, 10. В силу емкостного делителя, реализованного на конденсаторах 10 и 8, ток, протекающий через резистор 9, имеет частотную характеристику, совпадающую с частотной характеристикой резонансного ИУ. При этом его максимальное значение достигается на частоте квазирезонанса f0, определяемой соотношением только пассивных элементов указанной цепи. Выходной ток вышеназванной частотно-зависимой цепи (ток через резистор 9) определяет изменение тока эмиттера и коллектора выходного транзистора 3 и тока дополнительного токового зеркала 11, обеспечивающих реализацию контура комплексной обратной связи. В силу указанных выше свойств цепи нагрузки выходного транзистора 3 эта обратная связь является вещественной на частоте квазирезонанса ИУ f0 и, следовательно, ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента усиления K0. Глубина контура указанной обратной связи определяется количеством m эмиттеров транзистора 19 токового зеркала 11.The input signal source (u I ) 1 through the voltage-
Комплексный коэффициент передачи ИУ (фиг.2) как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению uвх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:The complex transfer coefficient of the DUT (Fig. 2) as the ratio of the output voltage (output of the device 13) to the input voltage u in 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;
K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0.K 0 is the gain of the DUT at the frequency of quasi-resonance f 0 .
ПричемMoreover
где C8, C10, R5, R9 - параметры элементов схемы 8, 10, 5 и 9;where C 8 , C 10, R 5, R 9 are the parameters of the elements of the
h11.i - входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой.h 11.i is the input resistance of the i-th transistor in a circuit with a common base.
Добротность ИУ определяется формулойThe quality factor of the DUT is determined by the formula
где αi - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;where α i is the current transfer coefficient of the emitter of the i-th transistor;
m - число р-n-переходов многоэмиттерного транзистора 19 в токовом зеркале 11;m is the number of pn junctions of the
- эквивалентное затухание пассивной цепи.- equivalent attenuation of the passive circuit.
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить Q>>1.By choosing the parameters of the elements included in the formula (3), it is possible to provide Q >> 1.
Формула для коэффициента усиления К0 в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет видThe formula for the gain K 0 in the complex transfer coefficient (1) has the form
где S2 - крутизна преобразователя «напряжение-ток» 2.where S 2 - the steepness of the Converter "voltage-current" 2.
Важной особенностью схемы является возможность оптимизации использования равноминимальных элементов пассивной цепи. Действительно, как это следует из соотношения (3) при выполнении условий R=R5=R9, C8=C10=C:An important feature of the circuit is the ability to optimize the use of equiminal elements of the passive circuit. Indeed, as follows from relation (3) under the conditions R = R 5 = R 9 , C 8 = C 10 = C:
Необходимое значение Q можно задавать структурно путем выбора числа эмиттерных переходов m транзистора 19 и параметрическим выбором режимных токов I14 и
Изменением сопротивления токозадающего резистора 15 контролируется ток
Представленные на фиг.4-7 результаты моделирования предлагаемого ИУ, фиг.3, подтверждают указанные свойства.Presented in figure 4-7, the simulation results of the proposed IU, figure 3, 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., 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 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. Ежков Ю.С.Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М., ИП РадиоСофт, 2002. - С.21, рис.1.10в.3. Ezhkov Yu.S. Reference book on circuitry amplifiers. - 2nd ed., Revised. - M., IP RadioSoft, 2002. - P. 21, Fig. 1.10c.
4. Волгин Л.И. Синтез и схемотехника аналоговых электронных средств в элементном базисе усилителей и повторителей тока / Л.И.Волгин, А.И.Зарукин; под.общ.ред. Л.И.Волгина. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - С.33, рис.27.4. Volgin L.I. Synthesis and circuitry of analog electronic devices in the elemental basis of amplifiers and current repeaters / L.I. Volgin, A.I. Zarukin; ed. L.I. Volgina. - Ulyanovsk: UlSTU, 2005. - P.33, Fig. 27.
5. Патент US 5304946 fig. 22.5. Patent US 5304946 fig. 22.
6. Патент US 7113043.6. Patent US 7113043.
7. Патент US 7598810.7. Patent US 7598810.
8. Патентная заявка US 2005/0146389, fig.3.8. Patent application US 2005/0146389, fig. 3.
9. Патентная заявка US 2008/0231369, fig.2.9. Patent application US 2008/0231369, fig. 2.
10. Патент US 7110742, fig.5.10. Patent US 7110742, fig. 5.
11. Патент US 6515547, fig.4a.11. Patent US 6515547, fig. 4a.
12. Патент US 7633344, fig.7.12. Patent US 7633344, fig. 7.
13. Патент US 7847636, fig.4a.13. Patent US 7847636, fig.4a.
14. Патент US 7786807.14. Patent US 7786807.
15. Патентная заявка US 2007/0296501.15. Patent application US 2007/0296501.
16. Патентная заявка US 2008/0018403.16. Patent application US 2008/0018403.
17. US 3351865.17. US 3351865.
18. Патент US 7737790.18. Patent US 7737790.
19. Патент US 4151483, fig.2.19. Patent US 4151483, fig. 2.
20. Патентная заявка JP 2003011396.20. Patent application JP 2003011396.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132334/08A RU2488955C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132334/08A RU2488955C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2488955C1 true RU2488955C1 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=49155776
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012132334/08A RU2488955C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2488955C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669075C1 (en) * | 2018-03-02 | 2018-10-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | High-speed operational amplifier with differentiation circuit of correction |
RU2673003C1 (en) * | 2018-03-05 | 2018-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Buffer amplifier with differentiating chain of correction of transition process |
RU2783042C1 (en) * | 2022-05-06 | 2022-11-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Class "ab" non-inverting current amplifier |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU944072A1 (en) * | 1980-12-05 | 1982-07-15 | Предприятие П/Я М-5988 | Selective amplifier |
US5304946A (en) * | 1990-10-19 | 1994-04-19 | Hitachi, Ltd. | Amplifier circuit having an operation point maintaining input and output voltages constant even if a gain thereof is varied |
RU2319289C1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-03-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮОГУЭС) | Balanced differential amplifier |
RU2368066C1 (en) * | 2008-02-01 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
-
2012
- 2012-07-27 RU RU2012132334/08A patent/RU2488955C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU944072A1 (en) * | 1980-12-05 | 1982-07-15 | Предприятие П/Я М-5988 | Selective amplifier |
US5304946A (en) * | 1990-10-19 | 1994-04-19 | Hitachi, Ltd. | Amplifier circuit having an operation point maintaining input and output voltages constant even if a gain thereof is varied |
RU2319289C1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-03-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮОГУЭС) | Balanced differential amplifier |
RU2368066C1 (en) * | 2008-02-01 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669075C1 (en) * | 2018-03-02 | 2018-10-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | High-speed operational amplifier with differentiation circuit of correction |
RU2673003C1 (en) * | 2018-03-05 | 2018-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Buffer amplifier with differentiating chain of correction of transition process |
RU2783042C1 (en) * | 2022-05-06 | 2022-11-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Class "ab" non-inverting current amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2507675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488953C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2515544C2 (en) | LOW CURRENT CONSUMPTION SELECTIVE AMPLIFIER FOR SiGe TECHNOLOGICAL PROCESSES | |
RU2480895C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2543298C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2519006C2 (en) | Selective microwave amplifier | |
RU2468506C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2487466C1 (en) | Selective amplifier with paraphase output | |
RU2520418C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2479115C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479116C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519558C2 (en) | Selective amplifier | |
RU2507676C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2469462C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485673C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468505C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519035C1 (en) | Controlled selective amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140728 |