RU2571402C1 - Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью - Google Patents
Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2571402C1 RU2571402C1 RU2014146066/08A RU2014146066A RU2571402C1 RU 2571402 C1 RU2571402 C1 RU 2571402C1 RU 2014146066/08 A RU2014146066/08 A RU 2014146066/08A RU 2014146066 A RU2014146066 A RU 2014146066A RU 2571402 C1 RU2571402 C1 RU 2571402C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- field
- output
- low
- effect transistor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в микросхемах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п. Техническим результатом является повышение добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей. В СВЧ избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью дополнительно введено токовое зеркало, согласованное со второй шиной источника питания, вход которого соединен со стоком второго полевого транзистора, а выход подключен к затвору второго полевого транзистора и выходу устройства. 14 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 US 6.825.722 fig. 1. Он содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы, истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, 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, и паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 полевого транзистора соединен со входом устройства 10, а его сток связан со второй 11 шиной 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 состоит 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 СВЧ избирательном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 полевые транзисторы, истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, 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, и паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 полевого транзистора соединен со входом устройства 10, а его сток связан со второй 11 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 12, согласованное со второй 11 шиной источника питания, вход которого соединен со стоком второго 2 полевого транзистора, а выход подключен к затвору второго 2 полевого транзистора и выходу устройства 5.
Схема избирательного усилителя-прототипа показана на чертеже фиг. 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема фиг. 2 с конкретным выполнением дополнительного токового зеркала 12 на биполярном транзисторе 13.
На чертеже фиг. 4 представлена схема фиг. 2 с выполнением дополнительного токового зеркала 12 на полевых транзисторах 19 и 20.
На чертеже фиг. 5 приведена схема СВЧ избирательного усилителя фиг. 2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов Xfab.
На чертеже фиг. 6 показаны (в мелком масштабе) амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях коэффициента передачи по току Ki дополнительного токового зеркала 12, а также следующих параметрах паразитного резистора 9, частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающего конденсатора 6: R9=1 кОм, L8=2.5 нГн, С6=10 пФ.
На чертеже фиг. 7 представлены (в укрупненном масштабе) амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях коэффициента передачи по току Ki дополнительного токового зеркала 12, а также следующих параметрах паразитного резистора 9, частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающего конденсатора 6: R9=1 кОм, L8=1 нГн, С6=1 пФ.
На чертеже фиг. 8 показаны амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях коэффициента передачи по току Ki дополнительного токового зеркала 12, а также следующих параметрах паразитного резистора 9, частотозадающей индуктивности 8, частотозадающего конденсатора 6: Ki=1, L8=2.5 нГн, С6=10 пФ, R9=1 кОм и суммарном токе общей истоковой цепи транзисторов 1 и 2 I0=1 мА.
На чертеже фиг. 9 приведены амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях тока токостабилизирующего двухполюсника 4 (I0) и следующих параметрах элементов R9=1 кОм, L8=2.5 нГн, С6=10 пФ и Ki=1.
На чертеже фиг. 10 представлены амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях Ki дополнительного токового зеркала 12 и R9=1 кОм, L8=2.5 нГн, С6=10 пФ, а также при токе I0=1 мА.
На чертеже фиг. 11 показаны амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 5 при различных значениях сопротивления паразитного резистора 9 (R0), при Ki=1, L8=2.5 нГн, С6=10 пФ и токе I0=1 мА.
На чертеже фиг. 12 представлена схема избирательного усилителя фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (базовый матричный кристалл АБМК_1_3 НПО «Интеграл», г. Минск).
На чертеже фиг. 13 приведены амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 12 при различных значениях сопротивления паразитного резистора 9: R9=Rvar=100 Ом/300 Ом/500 Ом/700 Ом/1 кОм.
На чертеже фиг. 14 показаны амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг. 12 при различных значениях коэффициента передачи по току (Ki=0.5/1/1.5/2/3) дополнительного токового зеркала 12.
СВЧ избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы, истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, 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, и паразитный резистор 9, включенный по переменному току между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 7, причем затвор первого 1 полевого транзистора соединен со входом устройства 10, а его сток связан со второй 11 шиной источника питания. В схему введено дополнительное токовое зеркало 12, согласованное со второй 11 шиной источника питания, вход которого соединен со стоком второго 2 полевого транзистора, а выход подключен к затвору второго 2 полевого транзистора и выходу устройства 5.
На чертеже фиг. 3 дополнительное токовое зеркало 12 выполнено на биполярном транзисторе 13, p-n-переходе 14 и резисторах 15, 16. Для симметрирования статического режима транзисторов 1 и 2 используется цепь согласования на p-n-переходе 17 и резисторе 18.
На чертеже фиг. 4 дополнительное токовое зеркало 12 реализовано на полевых транзисторах 19 и 20, а цепь симметрирования статического режима реализована в виде вспомогательного источника напряжения 21.
Рассмотрим работу ИУ фиг. 2.
Источник входного сигнала uвх изменяет токи стока первого 1 и второго 2 полевых КМОП транзисторов. При этом токостабилизирующий двухполюсник 4 не только стабилизирует их малосигнальные параметры, но и обеспечивает приращение тока стока второго 2 полевого транзистора. Использование в схеме дополнительного токового зеркала 12, входная цепь которого включена в цепь стока второго 2 полевого транзистора, позволяет масштабировать указанное приращение тока. Поэтому падение напряжения на LC-цепи, образованной низкодобротной планарной частотозадающей индуктивностью 8 и частотозадающим конденсатором 6 (паразитным резистором 9 моделируются (учитываются) эквивалентные потери в планарной индуктивности 8), непосредственно определяется коэффициентом передачи по току (Ki) дополнительного токового зеркала 12. Соединение LC-цепи (L8, С6) 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 изменение реализуемой в схеме добротности Q и коэффициента усиления K0 на частоте квазирезонанса f0. Фазовые соотношения каскада на втором 2 полевом транзисторе, дополнительного токового зеркала 12 и LC-цепи (L8, С6) 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 схемы ИУ f0 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 и второго 2 полевых транзисторов;
L8, С6 - параметры планарной частотозадающей индуктивности 8 и частотозадающего конденсатора 6;
g0 - 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:
Для приведенной на чертеже фиг. 3 схемы ИУ
где R15, R16 - сопротивления резисторов 15 и 16;
α13, 
- статический коэффициент передачи эмиттерного тока и входное сопротивление биполярного транзистора 13 для схемы с общей базой.
Что касается варианта реализации ИУ на КМОП транзисторах (фиг. 4), то здесь Ki=1. Поэтому основные параметры Q и K0 зависят от крутизны первого 1 и второго 2 полевых транзисторов
Отметим, что в устройстве-прототипе (фиг. 1)
где 
- сопротивление потерь планарной частотозадающей индуктивности 8.
Соотношение (6) точно 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 
и наличием эквивалентных потерь LC-цепи 
.
Как видно из уравнений (2)-(5), в достаточно широком диапазоне численных значений (L) планарной частотозадающей индуктивности 8 при достаточно больших потерях в LC-цепи (величине g0) выбором емкости частотозадающего конденсатора 6, крутизны КМОП транзисторов S и (или) параметров, входящих в соотношение (5), можно реализовать требуемые значения основных параметров ИУ.
Важным свойством предлагаемой схемы ИУ является низкая чувствительность ее основных параметров к параметрам частотозадающей L8C6-цепи (элементы 8, 6). Действительно, при условии, что С6>>Сп
где Сп - паразитная входная емкость на подложку в цепи затвора транзистора 2.
В этом случае параметрическая чувствительность добротности при слаботочном режиме работы 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 Ι0 - ток двухполюсника 4;
β - параметр полевого транзистора 2(1), определяемый его геометрией.
Аналогично коэффициент усиления на частоте f0:
При использовании в качестве дополнительного токового зеркала 12 биполярного транзистора 13 фиг. 3 настройка этих параметров может быть реализована изменением Ki посредством изменений сопротивлений цепи стока (R15), эмиттера (R16) или входного сопротивления 
транзистора 13. В этом случае
где 
, 
, 
- относительные изменения соответствующих сопротивлений.
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 равны нулю, можно сделать также вывод о том, что заявляемая схема ИУ допускает последовательное каскадирование нескольких ИУ без применения специальных согласующих цепей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
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 ЕР 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 (1)
- СВЧ избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью, содержащий первый (1) и второй (2) полевые транзисторы, истоки которых соединены с первой (3) шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (4), 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), и паразитный резистор (9), включенный по переменному току между выходом устройства (5) и общей шиной источников питания (7), причем затвор первого (1) полевого транзистора соединен со входом устройства (10), а его сток связан со второй (11) шиной источника питания, отличающийся тем, что в схему введено дополнительное токовое зеркало (12), согласованное со второй (11) шиной источника питания, вход которого соединен со стоком второго (2) полевого транзистора, а выход подключен к затвору второго (2) полевого транзистора и выходу устройства (5).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146066/08A RU2571402C1 (ru) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146066/08A RU2571402C1 (ru) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2571402C1 true RU2571402C1 (ru) | 2015-12-20 |
Family
ID=54871346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014146066/08A RU2571402C1 (ru) | 2014-11-17 | 2014-11-17 | Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2571402C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2170488C2 (ru) * | 1993-12-13 | 2001-07-10 | Моторола, Инк. | Усилитель для радиотелефона |
| RU2307454C1 (ru) * | 2006-04-10 | 2007-09-27 | Сергей Всеволодович Шпак | Усилитель с высоким кпд |
| RU2459348C1 (ru) * | 2011-05-19 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления |
-
2014
- 2014-11-17 RU RU2014146066/08A patent/RU2571402C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2170488C2 (ru) * | 1993-12-13 | 2001-07-10 | Моторола, Инк. | Усилитель для радиотелефона |
| RU2307454C1 (ru) * | 2006-04-10 | 2007-09-27 | Сергей Всеволодович Шпак | Усилитель с высоким кпд |
| RU2459348C1 (ru) * | 2011-05-19 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|---|---|---|
| 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 | |
| RU2566954C1 (ru) | Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью | |
| JP6773698B2 (ja) | 可変利得電力増幅器 | |
| US9774310B2 (en) | Common mode noise suppressing device | |
| TWI549421B (zh) | Voltage controlled oscillator | |
| RU2571402C1 (ru) | Свч избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью | |
| KR20090030102A (ko) | 넓은 발진 주파수 범위와 선형 특성을 갖는 전압 제어발진기 | |
| RU2479112C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| TWI645678B (zh) | 除三注入鎖定除頻器 | |
| CN107896516A (zh) | 电压波形整形振荡器 | |
| TW200537801A (en) | Programmable/tunable active RC filter | |
| RU2595571C2 (ru) | Способ генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации | |
| RU2467469C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| Andriesei et al. | CMOS RF active inductor with improved tuning capability | |
| RU2566960C1 (ru) | Избирательный усилитель с высоким асимптотическим затуханием в диапазоне дорезонансных частот | |
| CN104579307A (zh) | 一种射频无源电感的q值提升电路 | |
| RU2517681C1 (ru) | Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном | |
| RU2479108C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| RU2468506C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| RU2467471C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| TW201312929A (zh) | 壓控振盪裝置 | |
| RU2594337C1 (ru) | Каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель | |
| RU2461955C1 (ru) | Избирательный усилитель | |
| RU2485677C1 (ru) | Способ согласования комплексных сопротивлений и устройство его реализации | |
| RU2519035C1 (ru) | Управляемый избирательный усилитель |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161118 |