RU2519035C1 - Controlled selective amplifier - Google Patents
Controlled selective amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2519035C1 RU2519035C1 RU2013104213/08A RU2013104213A RU2519035C1 RU 2519035 C1 RU2519035 C1 RU 2519035C1 RU 2013104213/08 A RU2013104213/08 A RU 2013104213/08A RU 2013104213 A RU2013104213 A RU 2013104213A RU 2519035 C1 RU2519035 C1 RU 2519035C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- current
- transistor
- current mirror
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y02B60/50—
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 двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью (Q) резонансной характеристики (Q=2÷40) при малом энергопотреблении.Integrated operational amplifiers with special RC correction elements that form the amplitude-frequency characteristic of the resonant 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 transistors, providing a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor (Q) of the resonance characteristic (Q = 2 ÷ 40) 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 [3-10]. Причем их верхняя fв и нижняя fн граничные частоты формируются специальными корректирующими конденсаторами.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 [3-10]. Moreover, their upper f in and lower f n boundary frequencies are formed by special corrective capacitors.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель, представленный в патенте US 4843343, фиг.1. Он содержит источник входного сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, база которого связана с выходом 4 устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого 2 входного транзистора и через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 6 шиной источника питания, токовое зеркало 7, согласованное со второй 8 шиной источника питания, выход которого 9 через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом 9 токового зеркала 7 и общей шиной источников питания 12, второй 13 корректирующий конденсатор.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier, presented in patent US 4843343, figure 1. It contains an
Существенные недостатки ИУ-прототипа фиг.1 состоят в следующем:Significant disadvantages of the Yiwu prototype of figure 1 are as follows:
- для обеспечения большого затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот (<<f0) в структуре ИУ фиг.1 необходимо использовать подключение источника сигнала 1 к базе первого 2 входного транзистора через специальный разделительный конденсатор, емкость которого должна быть значительно больше емкостей частотно-задающей цепи (первый 11 и второй 13 корректирующие конденсаторы). Кроме этого в данном случае необходим дополнительный режимозадающий резистор в цепи базы входного транзистора 2;- to ensure large attenuation of the output signal in the low frequency range (<< f 0 ) in the structure of the DUT of Fig. 1, it is necessary to use the connection of the
- для каскадирования (последовательного соединения) таких схем ИУ в полосовые фильтры необходимо использовать дополнительные буферные усилители;- for cascading (serial connection) of such DUT schemes into bandpass filters, it is necessary to use additional buffer amplifiers;
- в его структуре проблематично получение высоких добротностей. При реализации больших добротностей (Q=3…10) необходимо использовать большое значение сопротивления токостабилизирующего двухполюсника 10, что увеличивает пропорционально влияние на работу схемы паразитной емкости коллекторного перехода транзистора 3 и выходной емкости токового зеркала. В конечном итоге это ограничивает диапазон рабочих частот ИУ-прототипа.- in its structure, obtaining high quality factors is problematic. When implementing high Q factors (Q = 3 ... 10), it is necessary to use a large value of the resistance of the current-stabilizing two-
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0.The main objective of the invention is to increase the attenuation of the output signal in the low frequency range with an increased and sufficiently stable quality factor Q of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the DUT and a large voltage gain (K 0 ) at the quasi-resonance frequency f 0 .
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник входного сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, база которого связана с выходом 4 устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого 2 входного транзистора и через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 6 шиной источника питания, токовое зеркало 7, согласованное со второй 8 шиной источника питания, выход которого 9 через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом 9 токового зеркала 7 и общей шиной источников питания 12, второй 13 корректирующий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 2 и второго 3 входных транзисторов используются полевые транзисторы, исток которых соответствует эмиттеру, сток - коллектору, а затвор - базе биполярного транзистора, причем сток второго 3 входного транзистора соединен со входом 14 токового зеркала 7, выход 9 токового зеркала 7 связан со входом дополнительного буферного усилителя 15, выход которого соединен с выходом устройства 4 через второй 13 корректирующий конденсатор, сток первого 2 входного транзистора связан со второй 8 шиной источника питания, а выход устройства 4 зашунтирован по переменному току дополнительным резистором 16.The problem is solved in that in the selective amplifier of figure 1, containing an
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с формулой изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the claimed IU in accordance with the claims.
На фиг.3 представлена схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением токового зеркала 7 и буферного усилителя 15.Figure 3 presents a diagram of the DUT of figure 2 with a specific implementation of the
На фиг.4 показана схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.Figure 4 shows a diagram of the DUT of figure 3 in a Cadence computer simulation environment on SiGe integrated transistor models.
На фиг.5 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.4 в диапазоне частот 0,2-5 ГГц при разных значениях тока I0 токостабилизирующего двухполюсника 5.Figure 5 shows the logarithmic amplitude-frequency characteristic of the DUT of figure 4 in the frequency range 0.2-5 GHz at different values of the current I 0 of the current-stabilizing two-
На фиг.6 приведена логарифмическая фазочастотная характеристика ИУ фиг.4 в диапазоне частот 0,2-5 ГГц при разных значениях тока 10 двухполюсника 5.Figure 6 shows the logarithmic phase-frequency characteristic of the DUT of figure 4 in the frequency range 0.2-5 GHz at different current values of 1 0 two-
На фиг.7 и 8 показаны амплитудно-частотная (фиг.7) и фазочастотная (фиг.8) характеристики ИУ фиг.4 в диапазоне частот 0,5-2 ГГц при разных величинах тока двухполюсника 20 (I20=Iк).Figures 7 and 8 show the amplitude-frequency (Fig. 7) and phase-frequency (Fig. 8) characteristics of the DUT of Fig. 4 in the frequency range 0.5-2 GHz at different current values of the two-terminal network 20 (I 20 = I k ).
Управляемый избирательный усилитель содержит источник входного сигнала 1, соединенный с базой первого 2 входного транзистора, второй 3 входной транзистор, база которого связана с выходом 4 устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого 2 входного транзистора и через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 6 шиной источника питания, токовое зеркало 7, согласованное со второй 8 шиной источника питания, выход которого 9 через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 6 шиной источника питания, первый 11 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между выходом 9 токового зеркала 7 и общей шиной источников питания 12, второй 13 корректирующий конденсатор. В качестве первого 2 и второго 3 входных транзисторов используются полевые транзисторы, исток которых соответствует эмиттеру, сток - коллектору, а затвор - базе биполярного транзистора, причем сток второго 3 входного транзистора соединен со входом 14 токового зеркала 7, выход 9 токового зеркала 7 связан со входом дополнительного буферного усилителя 15, выход которого соединен с выходом устройства 4 через второй 13 корректирующий конденсатор, сток первого 2 входного транзистора связан со второй 8 шиной источника питания, а выход устройства 4 зашунтирован по переменному току дополнительным резистором 16.The controlled selective amplifier contains an
На фиг.3 токовое зеркало 7 реализовано на транзисторах 17 и 18, а дополнительный буферный усилитель 15 содержит транзистор 19 и источник тока 20. В цепь стока транзистора 2 включен транзистор 21, что повышает симметрию схемы.In figure 3, the
Рассмотрим работу предлагаемого ИУ на примере анализа частного варианта его построения (фиг.3).Consider the work of the proposed IU on the example of the analysis of a particular version of its construction (figure 3).
Источник входного сигнала uвх (1) изменяет токи истоков (стоков) МОП транзисторов 2 и 3. Ток стока транзистора 3 изменяет ток базы и эмиттера транзистора 17. Аналогичное изменение коллекторного тока транзистора 17 в силу характера его коллекторной нагрузки приводит к усилению сигналов нижних частот и ослаблению сигналов верхних частот в цепи базы транзистора 19. Преобразование падения напряжения на двухполюснике 10 и конденсаторе 11 в напряжение эмиттерной цепи транзистора 19 обеспечивает (в силу дифференцирующих свойств цепи, образованной последовательным соединением конденсатора 13 и резистора 16) зависимость выходного напряжения ИУ (узел 4), соответствующую характеристике избирательного усилителя. Таким образом, регенеративные свойства контура обратной связи ИУ фиг.3 формируют его максимальную глубину только на одной частоте, совпадающей с частотой квазирезонанса избирательного усилителя (f0). Указанное свойство ИУ обеспечивает увеличение реализуемой добротности (Q) и коэффициента усиления (К0) без изменения f0.Source input signal Rin u (1) changes the current sources (drains) of
Комплексный коэффициент передачи ИУ как отношение выходного напряжения uвых=uвых.4 (выход устройства 4) к входному напряжению uвх усилителя фиг.2 определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схемIntegrated transmission ratio DUT as the ratio of output voltage u = u vyh.4 O (output apparatus 4) to the input voltage u Rin of the
где f - частота входного сигнала;where f is the frequency of the input signal;
f0 - частота квазирезонанса ИУ;f 0 is the frequency of the quasi-resonance of the DUT;
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. ПричемTo 0 is the gain of the DUT by voltage at the frequency of quasi-resonance f 0 . Moreover
где Rвых15, S - выходное сопротивление буферного усилителя 15 и крутизна токового зеркала 7.where R o15 , S is the output impedance of the
Особенность структуры ИУ фиг.2 позволяет выбрать оптимальные значения параметров элементов схемыThe structure feature of the DUT of FIG. 2 allows you to select the optimal values of the parameters of the circuit elements
R16=kRвых15,R 16 = kR out15 ,
Тогда для схемы фиг.3Then for the circuit of FIG. 3
Поэтому, выбор m=mopt осуществляется через отношение емкостей конденсаторов C13 и C11 Therefore, the choice of m = m opt is carried out through the ratio of capacitances of capacitors C 13 and C 11
при
Например, при выборе k≈3, получим l≈3/k и
Совокупность структурных и параметрических особенностей схемы заявляемого устройства позволяет осуществить настройку его частоты квазирезонанса f0. Так, для управления частотой квазирезонанса f0 через изменение выходного сопротивления буферного усилителя 15 необходимо обеспечить зависимость Rвых15=φТ/Iк (фиг.3). Учитывая, что R16=kRвых15, реализация ограничений (6) приводит к следующему дополнительному параметрическому условию:The combination of structural and parametric features of the circuit of the claimed device allows you to configure its frequency quasi-resonance f 0 . So, to control the frequency of quasi-resonance f 0 through a change in the output resistance of the
где α17, h11.17 - малосигнальные параметры транзистора 17.where α 17 , h 11.17 - low-signal parameters of the
Например, для изменения f0 на ±10% целесообразно иметьFor example, to change f 0 by ± 10% it is advisable to have
Тогда параметры dp и
Для случая, когда
получаем, чтоwe get that
Настройка схемы на требуемое значение добротности Q осуществляется в соответствии с соотношением (3) изменением крутизны S через источник стабильного тока I5. Для схемы фиг.3 параметр S=α17/h11.17≈φТ/I0 и, как видно из соотношения (2), режимная зависимость крутизны S не изменяет значения f0.The circuit is tuned to the required quality factor Q in accordance with relation (3) by changing the slope S through a constant current source I 5 . For the circuit of Fig. 3, the parameter S = α 17 / h 11.17 ≈φ T / I 0 and, as can be seen from relation (2), the mode dependence of the slope S does not change the value of f 0 .
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение обеспечивает неитерационную процедуру настройки ИУ при сохранении высокого асимптотического затухания в области нижних частот (f<<f0) и нулевых режимных (постоянных) входных и выходных напряжениях схемы. Дополнительно отметим, что выбор (реализация) указанных выше параметров не требует значительного напряжения источника питания.Thus, the proposed circuitry solution provides a non-iterative procedure for tuning the DUT while maintaining high asymptotic attenuation in the low-frequency region (f << f 0 ) and zero operating (constant) input and output voltages of the circuit. Additionally, we note that the selection (implementation) of the above parameters does not require significant voltage of the power source.
Представленные на фиг.5-8 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства.Presented in figure 5-8, the simulation results of the proposed IU confirm these properties.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса f0, повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства, а также более высоким ослаблением выходного сигнала в диапазоне низких частот.Thus, the claimed circuit design solution of the DUT is characterized by higher values of the gain K 0 at the frequency of the quasi-resonance f 0 , increased values of the Q factor Q, characterizing its selective properties, as well as a higher attenuation of the output signal in the low frequency range.
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, C. Scheytt. // Problems of the development of 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 4843343.3. Patent US 4843343.
4. Патент US 4590435, fig.5.4. Patent US 4,590,435, fig. 5.
5. Патент US 4999585, fig.2.5. Patent US 4999585, fig. 2.
6. Патент US 6307438, fig.2.6. Patent US 6307438, fig. 2.
7. Патент US 4267518, fig.4.7. Patent US 4267518, fig. 4.
8. Патент WO 03052925.8. Patent WO 03052925.
9. Патентная заявка US 2008/0246538, fig.3.9. Patent application US 2008/0246538, fig. 3.
10. Патентная заявка US 2010/0201437.10. Patent application US 2010/0201437.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013104213/08A RU2519035C1 (en) | 2013-01-31 | 2013-01-31 | Controlled selective amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013104213/08A RU2519035C1 (en) | 2013-01-31 | 2013-01-31 | Controlled selective amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2519035C1 true RU2519035C1 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=51216570
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013104213/08A RU2519035C1 (en) | 2013-01-31 | 2013-01-31 | Controlled selective amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2519035C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6307438B1 (en) * | 1999-07-09 | 2001-10-23 | Stmicroelectronics S.A. | Multistage operational amplifier with stability control |
RU2468506C1 (en) * | 2011-10-12 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2469462C1 (en) * | 2011-10-03 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2469465C1 (en) * | 2011-11-02 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
RU2474040C1 (en) * | 2012-02-01 | 2013-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
-
2013
- 2013-01-31 RU RU2013104213/08A patent/RU2519035C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6307438B1 (en) * | 1999-07-09 | 2001-10-23 | Stmicroelectronics S.A. | Multistage operational amplifier with stability control |
RU2469462C1 (en) * | 2011-10-03 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2468506C1 (en) * | 2011-10-12 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2469465C1 (en) * | 2011-11-02 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode differential amplifier |
RU2474040C1 (en) * | 2012-02-01 | 2013-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2774039C1 (en) * | 2021-03-15 | 2022-06-14 | Евгений Николаевич Гончаров | Apparatus for conducting a load on the ligamentous apparatus in radiological assessment of the degree of instability of the knee joint |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519035C1 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2566960C1 (en) | Selective amplifier with high fade-out in subresonance frequency range | |
RU2507675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2523953C1 (en) | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic | |
RU2517681C1 (en) | Selective amplifier with extended frequency band | |
RU2481697C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485673C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488953C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519429C1 (en) | Instrumentation amplifier with controlled frequency response parameters | |
RU2543298C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2461955C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519558C2 (en) | Selective amplifier | |
RU2507676C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2515544C2 (en) | LOW CURRENT CONSUMPTION SELECTIVE AMPLIFIER FOR SiGe TECHNOLOGICAL PROCESSES | |
RU2485675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475948C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479115C1 (en) | Selective amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150201 |