RU2566954C1 - Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью - Google Patents
Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2566954C1 RU2566954C1 RU2014147544/08A RU2014147544A RU2566954C1 RU 2566954 C1 RU2566954 C1 RU 2566954C1 RU 2014147544/08 A RU2014147544/08 A RU 2014147544/08A RU 2014147544 A RU2014147544 A RU 2014147544A RU 2566954 C1 RU2566954 C1 RU 2566954C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input field
- input
- low
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к микросхемам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью содержит первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, причем затвор первого (1) входного полевого транзистора соединен со входом устройства (10), вторую (11) шину источника питания. Сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) и подключен к затвору второго (2) входного полевого транзистора. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в микросхемах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.
В задачах выделения высокочастотных и СВЧ-сигналов сегодня широко используются интегральные индуктивности в коллекторных (стоковых) цепях выходных биполярных (полевых) транзисторов [1-23], формирующих амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) резонансного типа. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (RLC-фильтров) на основе большинства конструкций планарных индуктивностей не позволяет обеспечить высокие значения добротности результирующей АЧХ. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ высокодобротных избирательных усилителей (ИУ) при использовании низкодобротных планарных индуктивностей.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг. 1, представленный в патенте 6.825.722, fig. 1. Он содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход устройства 5, частотозадающий конденсатор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, частотозадающую индуктивность 8, включенную по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора соединен со входом устройства 10, вторую 11 шину источника питания.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность (Q) амплитудно-частотной характеристики при низкодобротных индуктивностях и имеет небольшие значения коэффициента усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса (f0).
Основная задача предлагаемого изобретения состоят в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей.
Первая дополнительная задача - создание условий для построения на основе заявляемого ИУ многокаскадных полосовых фильтров путем непосредственного (без дополнительных цепей согласования статических уровней) последовательного включения нескольких ИУ фиг. 2.
Вторая дополнительная задача - увеличение коэффициента усиления по напряжению K0 на частоте квазирезонанса f0, а также создание условий для электронного управления величинами K0, Q при f0=const.
Поставленные задачи решаются тем, что в избирательном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход устройства 5, частотозадающий конденсатор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, частотозадающую индуктивность 8, включенную по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора соединен с входом устройства 10, вторую 11 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - сток первого 1 входного полевого транзистора связан с выходом устройства 5 и подключен к затвору второго 2 входного полевого транзистора.
Схема избирательного усилителя-прототипа показана на фиг. 1. На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения.
На фиг. 4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения.
На фиг. 5 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п. 5 формулы изобретения.
На фиг. 6 приведена схема избирательного усилителя фиг. 3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов Xfab.
На фиг. 7 представлены амплитудно-частотные характеристики усилителя фиг. 6 при следующих параметрах элементов: R1=2 кОм (резистор 14), L0=10 нГн (индуктивность 8), C0=2.5 пФ (конденсатор 6), и различных значениях сопротивления R0 (резистор 9).
На фиг. 8 показаны фазочастотные характеристики усилителя фиг. 6 при следующих параметрах элементов: R1=2 кОм, L0=10 нГн, C0=2.5 пФ, и различных значениях сопротивления R0.
На фиг. 9 приведена схема избирательного усилителя, соответствующая фиг. 2, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов Xfab.
На фиг. 10 представлена амплитудно-частотная характеристика усилителя фиг. 9 в мелком масштабе при следующих параметрах элементов: C0=25 пФ, L0=1 нГн, I0=2 мА, R2=1 кОм.
На фиг. 11 показана амплитудно-частотная характеристика усилителя фиг. 9 в увеличенном масштабе при следующих параметрах элементов: C0=25 пФ, L0=1 нГн, I0=2 мА, R2=1 кОм.
На фиг. 12 приведены амплитудно-частотные характеристики усилителя фиг. 9 при различных значениях сопротивления резистора R2 (резистор 9) и L0=1 нГн, I0=2 мА, C0=25 пФ.
Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью, фиг. 2, содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, выход устройства 5, частотозадающий конденсатор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, частотозадающую индуктивность 8, включенную по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора соединен с входом устройства 10, вторую 11 шину источника питания. Сток первого 1 входного полевого транзистора связан с выходом устройства 5 и подключен к затвору второго 2 входного полевого транзистора.
На фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, сток второго 2 входного полевого транзистора связан со второй 11 шиной источника питания через цепь согласования потенциалов 12, вход которой соединен со стоком второго 2 входного полевого транзистора.
На фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, сток первого 1 входного полевого транзистора связан с выходом устройства 5 через первый 13 разделительный конденсатор и соединен со второй 11 шиной источника питания через дополнительный резистор 14.
На фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, в качестве входа цепи согласования потенциалов 12 используется вход дополнительного токового зеркала 15, выход которого связан с выходом устройства 5.
На фиг. 5, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, сток первого 1 входного полевого транзистора связан с выходом устройства 5 через второй 16 разделительный конденсатор и подключен к дополнительному источнику напряжения смещения 17 через вспомогательный резистор 18.
Источник входного сигнала uвх изменяет токи стока первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов. При этом первый 4 токостабилизирующий двухполюсник не только стабилизирует их малосигнальные параметры, но и обеспечивает приращение тока стока первого 1 входного полевого транзистора, которое передается на выход устройства 5. Поэтому падение напряжения на LC-цепи (L8, C6), образованной низкодобротной планарной частотозадающей индуктивностью 8 и частотозадающим конденсатором 6 (паразитным резистором 9 моделируются (учитываются) эквивалентные потери в планарной индуктивности 8 и подложке интегральной схемы), непосредственно определяется крутизной (S) входных полевых транзисторов 1 и 2. Соединение LC-цепи (L8, C6) с затвором второго 2 полевого транзистора реализует комплексную обратную связь. В силу симметрии амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик этой LC-цепи в окрестности частоты квазирезонанса (f0), которая непосредственно определяется ее реактивными элементами, действие указанной обратной связи направлено на увеличение реализуемой в схеме добротности Q и коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса f0. Фазовые соотношения каскада на первом 1 и втором 2 входных полевых транзисторах и LC-цепи (L8, C6) увеличивают избирательные свойства схемы. Вещественность и регенеративность обратной связи обеспечивается только на одной частоте, совпадающей с частотой квазирезонанса f0. Именно по этой причине действие обратной связи направлено на увеличение реализуемой добротности Q и коэффициента усиления K0 без изменения частоты квазирезонанса f0.
Покажем аналитически, что в схеме фиг. 2 реализуется более высокое значение добротности Q и коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса. Действительно, комплексный коэффициент передачи ИУ фиг. 2 определяется по формуле
где f - частота входного сигнала;
f0 - частота квазирезонанса избирательного усилителя;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;
K0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0.
При этом частота квазирезонанса f0 схемы ИУ фиг. 2 находится из классического соотношения для параллельного колебательного контура:
а добротность Q зависит от глубины вещественной обратной связи ИУ фиг. 2:
где S - крутизна первого 1 (второго 2) входных полевых транзисторов;
L8, C6 - параметры планарной частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающего конденсатора 6;
g9 - проводимость паразитного резистора 9, определяющая эквивалентные потери в частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающем конденсаторе 6.
Аналогично можно найти, что коэффициент усиления по напряжению ИУ на частоте f0 увеличивается с ростом добротности Q:
Поэтому основные параметры Q и K0 схемы фиг. 2 зависят от крутизны первого 1 и второго 2 полевых транзисторов
Отметим, что в ИУ-прототипе (фиг. 1)
где 
- эквивалентное сопротивление потерь планарной частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающего конденсатора 6 с учетом влияния подложки интегральной схемы.
Соотношение (7) соответствует добротности LC-контура (L8C6) с учетом потерь (R9). Таким образом, действие обратной связи в схеме фиг. 2 направлено на компенсацию потерь, связанных с низким значением собственной добротности планарной индуктивности QL≈2πf0L8/R9 и наличием эквивалентных потерь LC-цепи: Qэ≈2πf0C6/g9=2πf0C6R9.
Как видно из уравнений (2)-(6), в достаточно широком диапазоне численных значений L8 (планарной частотозадающей индуктивности 8) при достаточно больших потерях в LC-цепи (величине g9) выбором емкости частотозадающего конденсатора 6, крутизны полевых транзисторов S можно реализовать требуемые значения основных параметров ИУ за счет выбора оптимальной геометрии этих приборов.
Важным свойством предлагаемой схемы ИУ является низкая чувствительность ее основных параметров к нестабильностям параметров частотозадающей L8C6-цепи (элементы 8, 6). Действительно, при условии, что C6»Cп
где Cп - паразитная входная емкость на подложку в цепи затвора второго 2 полевого транзистора.
В этом случае параметрическая чувствительность добротности при слаботочном режиме работы входных полевых транзисторов (1, 2) оказывается достаточно низкой:
Замечательной особенностью схемы ИУ, фиг. 2, является возможность функциональной настройки ИУ. Как видно из соотношения (3), необходимое значение Q можно скорректировать через крутизну S изменением тока I0 токостабилизирующего двухполюсника 4 и параметров второго 2 полевого транзистора. Действительно,
где I0 - статический ток двухполюсника 4;
β - параметр первого 1 и второго 2 полевых транзисторов, определяемый их геометрией.
Аналогично коэффициент усиления K0 на частоте f0:
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более высокими значениями добротности и коэффициента усиления по напряжению в СВЧ- и КВЧ- диапазонах. Учитывая, что статические напряжения на входе 10 и выходе 5 устройства равны нулю, можно сделать также вывод о том, что заявляемая схема ИУ допускает последовательное каскадирование нескольких ИУ без применения специальных согласующих цепей.
Источники информации
1. Патентная заявка US 2009/140771
2. Патентная заявка US 2006/0028275
3. Патентная заявка JP 2004/282499
4. Патентная заявка US 2010/0013557
5. Патент US 5.378.997
6. Патентная заявка US 2005/0093628
7. Патент US 5.343.162
8. Патентная заявка US 2005/0062533
9. Патентная заявка US 2005/0162229
10. Патент US 6.628.170
11. Патентная заявка US 2009/0212872
12. Патентная заявка US 2006/0049874
13. Патентная заявка US 2006/0071712
14. Патентная заявка US 2004/0246051
15. Патент US 6.882.223
16. Патент EP 1480333
17. Патент WO 3084054
18. Патент US 6.366.166
19. Патент US 6.515.547
20. Патентная заявка US 2005/0104661
21. Патентная заявка US 2009/0322427
22. Патент US 7.834.703
23. Патентная заявка US 2008/0122538
Claims (5)
1. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью, содержащий первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой (3) шиной источника питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, выход устройства (5), частотозадающий конденсатор (6), включенный по переменному току между выходом устройства (5) и общей шиной источников питания (7), частотозадающую индуктивность (8), включенную по переменному току между выходом устройства (5) и общей шиной источников питания (7), паразитный резистор (9), включенный по переменному току между выходом устройства (5) и общей шиной источников питания (7), причем затвор первого (1) входного полевого транзистора соединен со входом устройства (10), вторую (11) шину источника питания, отличающийся тем, что сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) и подключен к затвору второго (2) входного полевого транзистора.
2. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью по п. 1, отличающийся тем, что сток второго (2) входного полевого транзистора связан со второй (11) шиной источника питания через цепь согласования потенциалов (12), вход которой соединен со стоком второго (2) входного полевого транзистора.
3. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью по п. 1, отличающийся тем, что сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) через первый (13) разделительный конденсатор и соединен со второй (11) шиной источника питания через дополнительный резистор (14).
4. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью по п. 2, отличающийся тем, что в качестве входа цепи согласования потенциалов (12) используется вход дополнительного токового зеркала (15), выход которого связан с выходом устройства (5).
5. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью по п. 4, отличающийся тем, что сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) через второй (16) разделительный конденсатор и подключен к дополнительному источнику напряжения смещения (17) через вспомогательный резистор (18).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147544/08A RU2566954C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147544/08A RU2566954C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2566954C1 true RU2566954C1 (ru) | 2015-10-27 |
Family
ID=54362445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014147544/08A RU2566954C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2566954C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2622894C2 (ru) * | 2015-12-11 | 2017-06-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном |
| RU2623100C1 (ru) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном |
| RU2626665C1 (ru) * | 2016-11-07 | 2017-07-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Rlc-избирательный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2666231C2 (ru) * | 2016-08-29 | 2018-09-06 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Полосовой усилитель четвертого порядка |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6825722B2 (en) * | 2002-03-29 | 2004-11-30 | Kawasaki Microelectronics, Inc. | Mixer and differential amplifier having bandpass frequency selectivity |
| RU2467470C1 (ru) * | 2011-09-20 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
| RU2479112C1 (ru) * | 2012-03-27 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
-
2014
- 2014-11-25 RU RU2014147544/08A patent/RU2566954C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6825722B2 (en) * | 2002-03-29 | 2004-11-30 | Kawasaki Microelectronics, Inc. | Mixer and differential amplifier having bandpass frequency selectivity |
| RU2467470C1 (ru) * | 2011-09-20 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
| RU2479112C1 (ru) * | 2012-03-27 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2622894C2 (ru) * | 2015-12-11 | 2017-06-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном |
| RU2623100C1 (ru) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Планарная индуктивность с расширенным частотным диапазоном |
| RU2666231C2 (ru) * | 2016-08-29 | 2018-09-06 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Полосовой усилитель четвертого порядка |
| RU2626665C1 (ru) * | 2016-11-07 | 2017-07-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Rlc-избирательный усилитель с малым напряжением питания |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2566954C1 (ru) | Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью | |
| US9490745B1 (en) | Voltage-controlled oscillator | |
| JP2016517219A (ja) | 拡張されたダイナミックレンジの間で線形利得を有するｌｎａ | |
| US20090243743A1 (en) | Varactor bank switching based on anti-parallel branch configuration | |
| US9281779B2 (en) | Structure for an inductor-capacitor voltage-controlled oscillator | |
| US20080315964A1 (en) | Voltage controlled oscillator using tunable active inductor | |
| TWI549421B (zh) | Voltage controlled oscillator | |
| CN102938644A (zh) | 数字控制振荡器 | |
| US9774310B2 (en) | Common mode noise suppressing device | |
| KR20090030102A (ko) | 넓은 발진 주파수 범위와 선형 특성을 갖는 전압 제어발진기 | |
| Ler et al. | Compact, High-$ Q $, and Low-Current Dissipation CMOS Differential Active Inductor | |
| RU2571402C1 (ru) | Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью | |
| US8519800B1 (en) | Third overtone crystal-based oscillators having tunable all-pass RC filters therein | |
| CN110350870B (zh) | 一种Class-F2压控振荡器 | |
| WO2018023367A1 (zh) | 电压波形整形振荡器 | |
| Saad et al. | Design of high-performance CMOS tunable active inductor | |
| Andriesei et al. | CMOS RF active inductor with improved tuning capability | |
| US6812798B1 (en) | LC quadrature oscillator having coupling circuits | |
| RU2566960C1 (ru) | Избирательный усилитель с высоким асимптотическим затуханием в диапазоне дорезонансных частот | |
| TW201312929A (zh) | 壓控振盪裝置 | |
| Andriesei et al. | Frequency enhancement method applied to a CMOS RF simulated inductor BP filter | |
| RU2594337C1 (ru) | Каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель | |
| KR101328134B1 (ko) | 저전압 ｌｃ 전압제어 발진기 | |
| KR101328057B1 (ko) | Ｌｃ 전압제어 발진기 | |
| RU171907U1 (ru) | Lc-автогенератор на моп-транзисторах высокочастотных частотно-манипулированных гармонических колебаний |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161126 |