RU2523953C1 - Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic - Google Patents
Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523953C1 RU2523953C1 RU2013106008/08A RU2013106008A RU2523953C1 RU 2523953 C1 RU2523953 C1 RU 2523953C1 RU 2013106008/08 A RU2013106008/08 A RU 2013106008/08A RU 2013106008 A RU2013106008 A RU 2013106008A RU 2523953 C1 RU2523953 C1 RU 2523953C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- current
- transistor
- bus
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации, в том числе для целей измерения параметров высокочастотных сигналов и т.п.The present invention relates to the field of measuring equipment, radio engineering and communications and can be used in devices for filtering radio signals, television, radar, including for the purpose of measuring the parameters of high-frequency signals, etc.
В задачах измерения и 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 измерительных 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 ИУ на минимально возможном числе транзисторов, 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 problems of measuring and isolating high-frequency signals [1, 2]. However, the classical construction of such measuring 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 a DUT on the smallest possible number of transistors, providing a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor (Q) of the resonant characteristic (Q = 2 ÷ 10) at 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 граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется специальным 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 [3-10]. 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 correcting capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ИУ, представленный в патенте US 4.843.343 fig.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 между выходом 4 устройства и общей шиной источников питания 12, второй 13 корректирующий конденсатор.The closest prototype of the claimed device is the DUT presented in patent US 4.843.343 fig.1. It contains an
Для обеспечения большого (Ky=10-2÷10-4) затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот (f<<f0) в структуре ИУ фиг.1 необходимо использовать подключение источника сигнала 1 к базе первого 2 входного транзистора через специальный входной разделительный конденсатор, емкость которого должна быть значительно больше емкостей частото-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 a large (K y = 10 -2 ÷ 10 -4 ) attenuation of the output signal in the low frequency range (f << f 0 ) in the structure of the DUT of Fig. 1, it is necessary to use the connection of
Существенные недостатки ИУ-прототипа фиг.1 состоят в следующем:Significant disadvantages of the Yiwu prototype of figure 1 are as follows:
- 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 структуре фиг.1 проблематично получение высоких добротностей. При реализации больших добротностей (Q=3…10) необходимо использовать большое значение сопротивления второго 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 the structure of figure 1 it is problematic to obtain high quality factors. When implementing high Q factors (Q = 3 ... 10), it is necessary to use a large value of the resistance of the second 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 ИУ 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 между выходом 4 устройства 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, сток которых соответствует коллектору, исток - эмиттеру, а затвор - базе биполярного транзистора, сток второго 3 входного транзистора соединен со входом 14 токового зеркала 7, выход 9 токового зеркала 7 связан с выходом устройства 4 через второй 13 корректирующий конденсатор, причем сток первого 2 входного транзистора связан со второй 8 шиной источника питания, а выход устройства 4 зашунтирован по переменному току дополнительным резистором 15.The problem is solved in that in the DUT of FIG. 1, containing an
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого ИУ в соответствии с формулой изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1. In the drawing of figure 2 presents a diagram of the claimed IU in accordance with the claims.
На чертеже фиг.3 представлена схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением токового зеркала 7.In the drawing of figure 3 presents a diagram of the IUT of figure 2 with a specific implementation of the
На чертеже фиг.4 показана схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.The drawing of FIG. 4 shows a diagram of the DUT of FIG. 3 in a Cadence computer simulation environment on SiGe integrated transistor models.
На чертеже фиг.5 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ИУ фиг.4 в диапазоне частот 0,1-10 ГГц при разных значениях тока I0 токостабилизирующего двухполюсника 5.The drawing of figure 5 shows the logarithmic amplitude-frequency characteristic of the DUT of figure 4 in the frequency range of 0.1-10 GHz at different values of the current I 0 current-stabilizing two-
На чертеже фиг.6 приведена логарифмическая фазо-частотная характеристика ИУ фиг.4 в диапазоне частот 0,1-5 ГГц при разных значениях тока I0 токостабилизирующего двухполюсника 5.The drawing of Fig.6 shows the logarithmic phase-frequency characteristic of the DUT of Fig.4 in the frequency range of 0.1-5 GHz at different current values I 0 of the current-stabilizing two-
Измерительный усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой фиг.2 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 между выходом 4 устройства и общей шиной источников питания 12, второй 13 корректирующий конденсатор. В качестве первого 2 и второго 3 входных транзисторов используются полевые транзисторы, сток которых соответствует коллектору, исток - эмиттеру, а затвор - базе биполярного транзистора. Сток второго 3 входного транзистора соединен со входом 14 токового зеркала 7, выход 9 токового зеркала 7 связан с выходом устройства 4 через второй 13 корректирующий конденсатор, причем сток первого 2 входного транзистора связан со второй 8 шиной источника питания, а выход устройства 4 зашунтирован по переменному току дополнительным резистором 15.The measuring amplifier with a resonant amplitude-frequency characteristic of FIG. 2 contains an
Рассмотрим работу предлагаемой схемы фиг.3.Consider the work of the proposed scheme of figure 3.
Источник входного сигнала uBX (1) изменяет токи дифференциальной пары, реализованной на транзисторах 2 и 3. Изменение тока стока транзистора 3 вызывает изменение токов биполярного транзистора 17. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами 10, 15 и конденсаторами 11, 13, приводит к частотной зависимости напряжения на резисторе 15, соответствующей АЧХ и ФЧХ избирательного усилителя. Действительно, влияние емкостного делителя на конденсаторах 13 и 11 ослабляет токи резистора 15 в диапазонах нижних и верхних частот в окрестности частоты квазирезонанса f0. Выходное напряжение ИУ (узел 4) дифференциально взаимодействует с входным напряжением 1 и изменяет ток стока транзистора 3 и, следовательно, тока базы транзистора 17. Таким образом, подключение выходной цепи 4 ИУ к затвору транзистора 3 реализует в схеме контур обратной связи, частотная зависимость которого соответствует характеристике РТУ. Глубина этой обратной связи (ОС) максимальна только на одной частоте, которая соответствует частоте квазирезонанса (f0) ИУ. В силу регенеративных свойств этой ОС увеличивается добротность (Q) и коэффициент усиления ИУ (K0) без изменения частоты квазирезонанса f0.The input source u BX (1) changes the currents of the differential pair implemented on
Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения uвых.4 (выход устройства - узел 4) к входному напряжению uвх усилителя определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схемIntegrated
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 ИУ;Q - quality factor of the frequency response of the emitter;
K0 - коэффициент усиления ИУ по напряжению на частоте квазирезонанса f0. ПричемK 0 is the gain of the DUT in terms of voltage at the frequency of quasi-resonance f 0 . Moreover
где ;Where ;
S2≈S3≈S16 - крутизна полевых транзисторов 2, 3, 16;S 2 ≈ S 3 ≈S 16 - the steepness of field-
h11.17≈φт/I0 - входное сопротивление транзистора 17 в схеме с общей базой при статическом токе эмиттера Iэ=I0;h11.17≈φ t / I 0 is the input resistance of the
φт≈26 мВ - температурный потенциал.φ t ≈26 mV - temperature potential.
Из формулы (4) следует, что изменением эквивалентной крутизны S можно независимо от реализуемого значения f0 (2) осуществить настройку Q схемы ИУ на заданную величину. Например, в схеме фиг.3 это легко реализуется изменением тока I5=2I0 двухполюсника 5. Действительно, при относительно высокой идентичности полевых транзисторов схемы S=1/h11.17≈I0/φт. Следовательно, глубокое ослаблении входного сигнала в диапазоне нижних частот (f<<f0), обеспечиваемое заявляемой схемой, не противоречит свойству управляемости добротностью Q.From formula (4) it follows that by changing the equivalent slope S, it is possible, independently of the realized value f 0 (2), to configure Q of the DUT circuit for a given value. For example, in the circuit of FIG. 3, this is easily realized by changing the current I 5 = 2I 0 of the two-
Кроме этого важным дополнительным свойством схем фиг.2-фиг.3 является относительно небольшое влияние паразитных емкостей транзисторов на основные параметры (f0, Q). Действительно, для схемы фиг.3 можно показать, что относительные изменения основных параметров ИУIn addition, an important additional property of the circuits of Fig.2-Fig.3 is the relatively small effect of parasitic capacitances of transistors on the main parameters (f 0 , Q). Indeed, for the circuit of FIG. 3, it can be shown that the relative changes in the main parameters of the DUT
где Cвх - входная емкость транзистора 3;where C I - the input capacitance of the
Cп - емкость на подложку выходной цепи токового зеркала 7 (коллекторной цепи транзистора 17, фиг.3).C p - the capacitance on the substrate of the output circuit of the current mirror 7 (collector circuit of the
Структурные свойства схемы фиг.3 (фиг.2) позволяют оптимизировать параметры ИУ фиг.3 (фиг.2). Если выбрать C11=C13=C, то оптимальное отношение (R15/R10)opt=1/2, и тогда при минимальном значении эквивалентной крутизны S выполняется условиеThe structural properties of the circuit of figure 3 (figure 2) allow you to optimize the parameters of the DUT of figure 3 (figure 2). If we choose C 11 = C 13 = C, then the optimal ratio (R 15 / R 10 ) opt = 1/2, and then with the minimum value of the equivalent slope S, the condition
В этом случае чувствительности основных параметров ИУ к нестабильности пассивных элементов схемы оптимизируются:In this case, the sensitivity of the main parameters of the DUT to the instability of passive circuit elements are optimized:
В биполярном базисе элементов в схеме ИУ фиг.2-фиг.3 для уменьшения на низких частотах прямой передачи входного сигнала по цепи «база транзистора 2 - эмиттер транзистора 2 - эмиттер транзистора 3 - база транзистора 3», зависящей от их коэффициентов усиления по току базы (β=50÷200) нужна дополнительная разделительная емкость во входной цепи.In the bipolar basis of the elements in the DUT circuit of FIG. 2, FIG. 3, to reduce the direct transmission of the input signal at low frequencies of the circuit “base of transistor 2 - emitter of transistor 2 - emitter of transistor 3 - base of
В предлагаемой схеме ИУ за счет применения полевых транзисторов 2 и 3 этот эффект значительно ослаблен, а асимптотические затухания на низких частотах малы в связи с отсутствием передачи изменений токов истока транзисторов 2 и 3 в цепь затвора транзистора 3.In the proposed DUT circuit due to the use of
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. Это повышает эффективность его использования в измерительных и радиотехнических устройствах различного назначения.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. This increases the efficiency of its use in measuring and radio devices for various purposes.
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 4th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-531. 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.583-5862. Microwave SF blocks of communication systems based on fully differential operational amplifiers / Prokopenko NN, Budyakov A.S., K.Schmalz, S.Scheytt // Problems of developing promising micro- and nanoelectronic systems - 2010. Proceedings / under total ed. Academician of the Russian Academy of Sciences A.L. Stempkovsky. - M: IPPM RAS, 2010. - S.583-586
3. Патент US 4.843.3433. Patent US 4.843.343
4. Патент US 4.590.435, fig.54. Patent US 4,590,435, fig. 5
5. Патент US 4.999.585, fig.25. Patent US 4.999.585, fig. 2
6. Патент US 6.307.438, fig.26. Patent US 6.307.438, fig.2
7. Патент US 4.267.518, fig.47. Patent US 4.267.518, fig. 4
8. Патент WO 030529258. Patent WO 03052925
9. Патентная заявка US 2008/0246538, fig.39. 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 |
---|---|---|---|
RU2013106008/08A RU2523953C1 (en) | 2013-02-12 | 2013-02-12 | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013106008/08A RU2523953C1 (en) | 2013-02-12 | 2013-02-12 | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2523953C1 true RU2523953C1 (en) | 2014-07-27 |
Family
ID=51265188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013106008/08A RU2523953C1 (en) | 2013-02-12 | 2013-02-12 | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2523953C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4843343A (en) * | 1988-01-04 | 1989-06-27 | Motorola, Inc. | Enhanced Q current mode active filter |
SU1674346A1 (en) * | 1988-12-05 | 1991-08-30 | Московский энергетический институт | Measuring amplifier |
WO2003052925A1 (en) * | 2001-06-29 | 2003-06-26 | Xanoptix, Inc. | Bicmos ac filter circuit |
US20100201437A1 (en) * | 2007-09-20 | 2010-08-12 | Nxp B.V. | Tunable rf filter |
-
2013
- 2013-02-12 RU RU2013106008/08A patent/RU2523953C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4843343A (en) * | 1988-01-04 | 1989-06-27 | Motorola, Inc. | Enhanced Q current mode active filter |
SU1674346A1 (en) * | 1988-12-05 | 1991-08-30 | Московский энергетический институт | Measuring amplifier |
WO2003052925A1 (en) * | 2001-06-29 | 2003-06-26 | Xanoptix, Inc. | Bicmos ac filter circuit |
US20100201437A1 (en) * | 2007-09-20 | 2010-08-12 | Nxp B.V. | Tunable rf filter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2523953C1 (en) | Instrumentation amplifier with resonance amplitude-frequency characteristic | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2519429C1 (en) | Instrumentation amplifier with controlled frequency response parameters | |
RU2469466C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519563C2 (en) | Composite transistor | |
RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2469462C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2519035C1 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468506C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2461955C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2465718C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2543298C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
RU2566960C1 (en) | Selective amplifier with high fade-out in subresonance frequency range | |
RU2479109C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468505C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2481697C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475947C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479107C1 (en) | Selective amplifier with paraphase output | |
RU2479115C1 (en) | Selective amplifier |