RU2475943C1 - Selective amplifier - Google Patents
Selective amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475943C1 RU2475943C1 RU2012106542/08A RU2012106542A RU2475943C1 RU 2475943 C1 RU2475943 C1 RU 2475943C1 RU 2012106542/08 A RU2012106542/08 A RU 2012106542/08A RU 2012106542 A RU2012106542 A RU 2012106542A RU 2475943 C1 RU2475943 C1 RU 2475943C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- output
- bus
- emitter
- transistor
- 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 ВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.The present invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in devices for high-pass filtering of radio signals from cellular communication systems, satellite 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) (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима большого числа транзисторов, образующих универсальный по областям применения операционный усилитель [1, 2]. В этой связи актуальной является задача построения низковольтных ВЧ избирательных усилителей, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f0=106÷109 Гц при малом токопотреблении.Integrated operational amplifiers with special RC-correction elements that form the amplitude-frequency characteristic of the resonance type are widely used today in the tasks of extracting high-frequency signals [1, 2]. However, the classical construction of such selective amplifiers (DIs) (RC filters) is accompanied by significant energy losses, which are mainly used to ensure the static mode of a large number of transistors that form an operational amplifier universal in applications [1, 2]. In this regard, the urgent task of constructing low-voltage high-frequency selective amplifiers, providing a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor of the resonant characteristic Q = 2 ÷ 10 and f 0 = 10 6 ÷ 10 9 Hz at low current consumption.
Известны схемы избирательных усилителей (ИУ) на основе так называемого «перегнутого» каскада, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению (АЧХ) в заданном диапазоне частот Δf=fв-fн [3-12]. Причем их верхняя граничная частота fв иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя fн определяется входным корректирующим конденсатором.Known schemes of selective amplifiers (DUTs) based on the so-called “bent” cascade, which provide the formation of the amplitude-frequency characteristics of the voltage gain (AFC) in a given frequency range Δf = f in -f n [3-12]. 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 the input correction capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель фиг.1, представленный в структуре схемы усилителя по патенту US 5734296, fig.5. Он содержит источник сигнала 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора и через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого соединена с базой и коллектором первого 5 выходного транзистора и через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связана с первой 4 шиной источника питания, четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и второй 7 шиной источника питания, пятый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора, связанный с выходом устройства 12 и первой 4 шиной источника питания, первый 13 корректирующий конденсатор, шунтирующий выход устройства 12.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier of figure 1, presented in the structure of the amplifier circuit according to the patent US 5734296, fig.5. It contains a
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает высокую добротность 
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя Q и его коэффициента усиления по напряжению К0 на частоте квазирезонанса f0. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство ВЧ диапазона с f0=1 мГц ÷ 5 ГГц.The main objective of the invention is to increase the quality factor of the frequency response of the amplifier Q and its gain in voltage K 0 at the frequency of quasi-resonance f 0 . This allows in some cases to reduce the overall energy consumption and to implement a high-quality high-frequency selective device with f 0 = 1 MHz to 5 GHz.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора и через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого соединена с базой и коллектором первого 5 выходного транзистора и через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связана с первой 4 шиной источника питания, четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и второй 7 шиной источника питания, пятый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора, связанный с выходом устройства 12 и первой 4 шиной источника питания, первый 13 корректирующий конденсатор, шунтирующий выход устройства 12, предусмотрены новые элементы и связи - источник сигнала 1 соединен с эмиттером входного транзистора 2 через дополнительный корректирующий конденсатор 14, база входного транзистора 2 соединена с выходом устройства 12, который зашунтирован первым 15 дополнительным резистором.The problem is solved in that in the selective amplifier of Fig. 1, containing a
Кроме этого в соответствии с п.2 формулы изобретения в избирательном усилителе фиг.3 последовательно с дополнительным корректирующим конденсатором 14 включен второй 16 дополнительный резистор.In addition, in accordance with
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.3 показана схема ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of the DUT in accordance with
На фиг.4 приведена схема заявляемого ИУ фиг.3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».In Fig.4 shows a diagram of the inventive DUT of Fig.3 in the environment of PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.
На фиг.5 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика усиления по напряжению схемы фиг.4 в крупном, а на фиг.6 - в более мелком масштабах.Figure 5 shows the logarithmic amplitude-frequency characteristic of the voltage gain of the circuit of figure 4 on a large scale, and on figure 6 - on a smaller scale.
Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, входной транзистор 2, эмиттер которого через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, а коллектор соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора и через второй 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого соединена с базой и коллектором первого 5 выходного транзистора и через третий 9 токостабилизирующий двухполюсник связана с первой 4 шиной источника питания, четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и второй 7 шиной источника питания, пятый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора, связанный с выходом устройства 12 и первой 4 шиной источника питания, первый 13 корректирующий конденсатор, шунтирующий выход устройства 12. Источник сигнала 1 соединен с эмиттером входного транзистора 2 через дополнительный корректирующий конденсатор 14, база входного транзистора 2 соединена с выходом устройства 12, который зашунтирован первым 15 дополнительным резистором.The selective amplifier of FIG. 2 contains a
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, последовательно с дополнительным корректирующим конденсатором 14 включен второй 16 дополнительный резистор.In Fig.3, in accordance with
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.
Источник сигнала uвх (1) через разделительный конденсатор 14, выполняющий совместно с входным сопротивлением транзистора 2 функцию дифференцирующей цепи, изменяет эмиттерный ток входного транзистора 2, что приводит к изменению его коллекторного тока и входного тока токового зеркала, образованного транзисторами 5 и 8. Именно по этой причине масштабное преобразование этого тока в выходной (коллекторный) ток транзистора 8 в силу интегрирующих свойств нагрузки ИУ, образованной параллельным подключением конденсатора 13 и резисторов 11 и 15, обеспечивает реализацию на выходе ИУ (Вых.12) частотных характеристик полосно-пропускающего типа (АЧХ и ФЧХ). Зависимость этого тока от тока эмиттера транзистора 2 обеспечивает независимость частоты квазирезонанса ИУ (f0) от коэффициента передачи по току указанного токового зеркала. Передача выходного напряжения ИУ в базовую цепь входного транзистора 2 в силу емкостного характера его эмиттерной цепи, образованной конденсатором 14 и токостабилизирующим двухполюсником 3, приводит к дифференциальному изменению его коллекторного тока, который является входным током токового зеркала на транзисторах 5 и 8. Таким образом, идентичность преобразования входного (uвх) и выходного напряжений ИУ в ток эмиттера транзистора 8 создает контур обратной связи, который в области низких частот (f<<f0) и в области верхних частот (f>>f0) ИУ является реактивным. На частоте квазирезонанса f0 эта обратная связь в силу полосно-пропускающей характеристики ИУ является вещественной и направлена на увеличение его добротности Q и коэффициента усиления К0 без изменения частоты квазирезонанса f0. В силу указанных свойств введенного контура обратной связи его глубина, зависящая от коэффициента передачи по току каскада на транзисторах 5 и 8, определяет основные параметры ИУ - Q и К0.The signal source u I (1) through the
Покажем аналитически, что более высокие значения Q и K0 в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2Let us show analytically that higher values of Q and K 0 in the high frequency range are implemented in the scheme of figure 2
Действительно, в результате анализа можно найти, что комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:Indeed, as a result of the analysis, we can find that the complex voltage transfer coefficient of the DUT of FIG. 2 is determined by the formula
τ1=C14h11.2;τ 1 = C 14 h 11.2 ;
на частоте f0,at a frequency f 0 ,
где αi, h11.i - коэффициент передачи эмиттерного тока и дифференциальное входное сопротивление i-го транзистора с общей базой; Ki - коэффициент передачи по току каскада на транзисторах 5 и 8.where α i , h 11.i is the transmission coefficient of the emitter current and the differential input resistance of the i-th transistor with a common base; K i - current transfer coefficient of the cascade on
Приведенные соотношения справедливы при выполнении неравенств R6>>h11.5, R10>>h11.8.The above relations are valid under the inequalities R 6 >> h 11.5 , R 10 >> h 11.8 .
Таким образом, численное значение Ki при любом соотношении постоянных времени τ1 и τ2 позволяет реализовать необходимые значения Q (3) и K0 (4) при постоянном (неизменном) значении частоты квазирезонанса (2).Thus, the numerical value of K i for any ratio of time constants τ 1 and τ 2 allows you to implement the necessary values of Q (3) and K 0 (4) with a constant (unchanged) value of the frequency of quasi-resonance (2).
Отличительной особенностью настоящей схемы является возможность настройки частоты квазирезонанса f0 режимным током 13 двухполюсника 3. ДействительноA distinctive feature of this circuit is the ability to adjust the frequency of the quasi-resonance f 0 by the operating current 13 of the two-
Поэтому, как следует из (2), изменения I3 позволяют установить требуемое значение f0. Что касается Q и K0, то в этом случае сопротивление резистора 15 обеспечивает дополнительную параметрическую степень свободы для этих параметров. Аналогичные функции выполняют и сопротивления R6 и R10, действие которых направлено на изменение коэффициента передачи по току каскада на транзисторах 5 и 8:Therefore, as follows from (2), changes I 3 allow you to set the desired value of f 0 . As for Q and K 0 , in this case, the resistance of the
Если, например, Ki=3, то для обеспечения симметрии число параллельно включенных транзисторов 8 должно быть равно 3.If, for example, K i = 3, then to ensure symmetry, the number of
Таким образом, совокупность указанных выше свойств принципиальной схемы ИУ фиг.2 обеспечивает реализацию высокой добротности (3) и коэффициента усиления (4) в области частот без изменения f0 и ее стабильности, которая согласно (2) определяется, в основном, пассивными элементами.Thus, the combination of the above properties of the circuit diagram of the DUT of FIG. 2 ensures the implementation of high quality factor (3) and gain (4) in the frequency domain without changing f 0 and its stability, which according to (2) is determined mainly by passive elements.
Введение новых элементов и связей между ними в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивает расширение диапазона изменения выходного напряжения ИУ Uвых как минимум на Uэб.5=0,6÷10,7 В. При малых напряжениях питания 
Для уменьшения режимной зависимости частоты квазирезонанса можно использовать модификацию схемы, показанную на фиг.3. Здесь:To reduce the regime dependence of the frequency of quasi-resonance, you can use the modification of the circuit shown in figure 3. Here:
Поэтому, как это следует из (2), частота квазирезонанса f0 при выполнении условия R16>>h11.2 будет определяться только пассивными RC-элементами. В этом случае возможно выполнение параметрического условия τ1=τ2, обеспечивающего максимизацию динамического диапазона ИУ. При этом для Ki=3:Therefore, as follows from (2), the quasi-resonance frequency f 0 when the condition R 16 >> h 11.2 is fulfilled will be determined only by passive RC elements. In this case, it is possible to fulfill the parametric condition τ 1 = τ 2 , which maximizes the dynamic range of the DUT. Moreover, for K i = 3:
где 
Таким образом, f0, Q, K0 практически не зависят от малосигнальных параметров транзисторов.Thus, f 0 , Q, K 0 practically do not depend on the low-signal parameters of the transistors.
Реализация ИУ в соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) позволяет обеспечить необходимые условия по стабильности статического режима ИУ, при этом численные значения дополнительного резистора 15 лежат в пределах сотен Ом.The implementation of the DUT in accordance with
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.5, фиг.6.These theoretical conclusions confirm the graphs of Fig.5, Fig.6.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К0 на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.Thus, the claimed circuit solution is characterized by higher values of the gain K 0 at the frequency of quasi-resonance f 0 and increased values of the quality factor Q, characterizing its selective properties.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 / - Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008, pp.50-53.1. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A. Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P. Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 / - Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008, pp. 50-53.
2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей \ Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., К.Schmalz, С.Scheytt \\ Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.2. Microwave SF blocks of communication systems based on fully differential operational amplifiers \ Prokopenko NN, Budyakov AS, K.Schmalz, S.Scheytt \\ Problems of developing promising micro- and nanoelectronic systems - 2010. Proceedings / under the general. ed. Academician of the Russian Academy of Sciences A.L. Stempkovsky. - M .: IPPM RAS, 2010. - P.583-586.
3. Патент US 4.644.295.3. Patent US 4.644.295.
4. Патент US 6.456.162, fig.2.4. Patent US 6.456.162, fig. 2.
5. Патент US 6.501.333.5. Patent US 6.501.333.
6. Патент US 6.542.030.6. Patent US 6.542.030.
7. Патент US 5.420.540.7. Patent US 5.420.540.
8. Патент US 4.293.824, fig.3.8. Patent US 4.293.824, fig. 3.
9. Патент US 5.734.296, fig.5.9. Patent US 5.734.296, fig. 5.
10. Патент US 6.717.466.10. Patent US 6.717.466.
11. Патент US 5.422.600.11. Patent US 5.422.600.
12. Патент UK 2.035.003, НЗТ.12. Patent UK 2.035.003, NZT.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012106542/08A RU2475943C1 (en) | 2012-02-22 | 2012-02-22 | Selective amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012106542/08A RU2475943C1 (en) | 2012-02-22 | 2012-02-22 | Selective amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2475943C1 true RU2475943C1 (en) | 2013-02-20 |
Family
ID=49121182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012106542/08A RU2475943C1 (en) | 2012-02-22 | 2012-02-22 | Selective amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2475943C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2681377C1 (en) * | 2013-12-11 | 2019-03-06 | Саутерн Инновейшн Интернэшнл Пти Лтд | Method and apparatus for resolving signals in data |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU383200A1 (en) * | 1968-07-25 | 1973-05-25 | ELECTORAL;? S-AMPLIFIER | |
| US20070146078A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-06-28 | Christoph Bromberger | Selective amplifier |
| RU2432669C1 (en) * | 2010-10-15 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
-
2012
- 2012-02-22 RU RU2012106542/08A patent/RU2475943C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU383200A1 (en) * | 1968-07-25 | 1973-05-25 | ELECTORAL;? S-AMPLIFIER | |
| US20070146078A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-06-28 | Christoph Bromberger | Selective amplifier |
| RU2432669C1 (en) * | 2010-10-15 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2681377C1 (en) * | 2013-12-11 | 2019-03-06 | Саутерн Инновейшн Интернэшнл Пти Лтд | Method and apparatus for resolving signals in data |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
| RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2469466C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2469462C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2480895C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2485673C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2485674C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2475939C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2507675C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2485675C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2475938C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2543298C2 (en) | Controlled selective amplifier | |
| RU2475948C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2479106C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2475947C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2515544C2 (en) | LOW CURRENT CONSUMPTION SELECTIVE AMPLIFIER FOR SiGe TECHNOLOGICAL PROCESSES | |
| RU2474040C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2461955C1 (en) | Selective amplifier | |
| RU2475944C1 (en) | Selective amplifier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140223 |