RU2474039C1 - Selective amplifier - Google Patents
Selective amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474039C1 RU2474039C1 RU2011144981/08A RU2011144981A RU2474039C1 RU 2474039 C1 RU2474039 C1 RU 2474039C1 RU 2011144981/08 A RU2011144981/08 A RU 2011144981/08A RU 2011144981 A RU2011144981 A RU 2011144981A RU 2474039 C1 RU2474039 C1 RU 2474039C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- input
- current mirror
- bus
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used in microwave filtering devices of radio signals from cellular communication systems, satellite television, radar, etc.
В задачах выделения высокочастотных и СВЧ-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 (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ избирательных усилителей (ИУ) на трех-четырех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f0=1÷5 ГГц.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 and microwave signals [1, 2]. However, the classical construction of such selective amplifiers (RC filters) is accompanied by significant energy losses, which are mainly used to ensure the static mode of a sufficiently large number of transistors forming an operational amplifier of the microwave range [1, 2]. In this regard, it is quite urgent to build microwave selective amplifiers (DUTs) on three to four transistors, which provide a narrow spectrum of signals with a sufficiently high quality factor of the resonance characteristic Q = 2 ÷ 10 and f 0 = 1 ÷ 5 GHz.
Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе 3-5 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 корректирующим конденсатором.Known amplifier circuits integrated into the architecture of RC filters based on 3-5 transistors that 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 correction capacitor.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 5.371.476. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10.The closest prototype of the claimed device is a selective amplifier (IU), presented in patent US 5.371.476. It contains the first 1 input transistor, the base of which is connected to the
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики и коэффициент усиления по напряжению К0>1 на частоте квазирезонанса (f0).A significant disadvantage of the known device is that it does not provide high quality factor amplitude-frequency characteristics and voltage gain K 0 > 1 at the frequency of quasi-resonance (f 0 ).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя и его коэффициента усиления по напряжению на частоте квазирезонанса f0. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f0=1÷5 ГГц.The main objective of the invention is to increase the quality factor of the frequency response of the amplifier and its voltage gain at the frequency of quasi-resonance f 0 . This allows in some cases to reduce the total power consumption and implement a high-quality microwave device with f 0 = 1 ÷ 5 GHz.
Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.The problem is solved in that in a selective amplifier (figure 1) containing the first 1 input transistor, the base of which is connected to the
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 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 приведена схема заявляемого ИУ фиг.1 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов.Figure 3 shows a diagram of the inventive DUT of figure 1 in a Cadence environment on SiGe transistors.
На фиг.4 показана зависимость коэффициента передачи по напряжению от частоты ИУ фиг.3 при емкостях конденсатора 13 (15) C13=C15=C=200 fF и R12=R14=R=700 Ом, а на совмещенном чертеже фиг.5 - частотная зависимость коэффициента усиления и фазовый сдвиг ИУ фиг.3.Figure 4 shows the dependence of the voltage transfer coefficient on the frequency of the DUT of figure 3 for capacitors 13 (15) C 13 = C 15 = C = 200 fF and R 12 = R 14 = R = 700 Ohms, and in the combined drawing of FIG. .5 is the frequency dependence of the gain and phase shift of the DUT of FIG. 3.
На фиг.6 представлена зависимость коэффициента передачи по напряжению и фазового сдвига ИУ фиг.3 от частоты при других параметрах элементов схемы фиг.3 (C=600 fF, R=220 Ом).Figure 6 shows the dependence of the voltage transfer coefficient and phase shift of the DUT of Figure 3 on the frequency for other parameters of the circuit elements of Figure 3 (C = 600 fF, R = 220 Ohms).
Избирательный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого связана с источником входного сигнала 2, а эмиттер через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второй 5 входной транзистор, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, второе 8 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 5 входным транзистором, третье 9 токовое зеркало, согласованное с первой 4 шиной источника питания, вход которого подключен к токовому выходу первого 6 токового зеркала, а токовый выход соединен с токовым выходом второго 8 токового зеркала и выходом устройства 10. Эмиттер второго 5 входного транзистора через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, между эмиттерами первого 1 и второго 5 входных транзисторов включены последовательно соединенные первый частотно-задающий резистор 12 и первый корректирующий конденсатор 13, база второго 5 входного транзистора соединена с выходом устройства 10, причем между общей шиной источников питания и выходом 10 устройства включены по переменному току параллельно соединенные второй 14 частотно-задающий резистор и второй 15 корректирующий конденсатор.The selective amplifier of figure 2 contains the first 1 input transistor, the base of which is connected to the
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току Ki первого 6 и второго 8 токовых зеркал идентичны и имеют одинаковые значения в диапазоне Кi=1÷2, а коэффициент передачи по току третьего 9 токового зеркала всегда близок к единице.In figure 2, in accordance with
В качестве токовых зеркал 6, 8, 9 может применяться широкий спектр классических решений, описанных в технической литературе.A wide range of classical solutions described in the technical literature can be used as
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению Ky(jf) избирательного усилителя фиг.2 определяется соотношением, которое можно получить с помощью методов анализа электронных схем:The complex voltage transfer coefficient K y (jf) of the selective amplifier of FIG. 2 is determined by the ratio that can be obtained using electronic circuit analysis methods:
где f - частота сигнала;where f is the signal frequency;
Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;Q is the quality factor of the frequency response of the selective amplifier;
К0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f0;To 0 is the gain of the DUT at the frequency of quasi-resonance f 0 ;
f0 - частота квазирезонанса.f 0 is the frequency of quasi-resonance.
ПричемMoreover
где C13, C15 - емкость конденсаторов 13 и 15;where C 13 , C 15 - the capacitance of the
- входное сопротивление i-го транзистора в схеме с общей базой; - input resistance of the i-th transistor in a circuit with a common base;
φт≈25 мВ - температурный потенциал;φ t ≈25 mV - temperature potential;
Iэi - статический ток эмиттера i-го транзистора;I ei is the static current of the emitter of the i-th transistor;
αi<1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-го транзистора.α i <1 - current gain of the emitter of the i-th transistor.
Если выбрать τ1=τ2, R14=R12+h11.1+h11.5 то уравнения для Q (6) и K0 (5) существенно упрощаются:If we choose τ 1 = τ 2 , R 14 = R 12 + h 11.1 + h 11.5 then the equations for Q (6) and K 0 (5) are significantly simplified:
Это позволяет за счет целенаправленного выбора параметров элементов, входящих в формулу (7), получить заданные значения Q (8) и К0 (9).This allows, due to a targeted selection of the parameters of the elements included in formula (7), to obtain the specified values of Q (8) and K 0 (9).
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.4-6.These theoretical findings confirm the graphs of Figures 4-6.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления на частоте квазирезонанса f0 и повышенными величинами добротности Q1, характеризующей его избирательные свойства.Thus, the claimed circuit solution is characterized by higher values of the gain at the frequency of the quasi-resonance f 0 and increased values of the quality factor Q1, 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. акад. 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 developing promising micro- and nanoelectronic systems. - 2010. Proceedings / Under the total. ed. Acad. RAS A.L. Stempkovsky. - M .: IPPM RAS, 2010. - P.583-586.
3. Операционный усилитель 1427УД1 (NE5517) // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.225.3. Operational amplifier 1427UD1 (NE5517) // Reference: operational amplifiers and comparators (Averbukh VD and others). - Moscow: Publishing House Dodeka-XXI, 2001. - p. 225.
4. Операционный усилитель СФ3078 // Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001. - стр.106.4. Operational amplifier SF3078 // Reference: operational amplifiers and comparators (Averbukh VD and others). - M.: Publishing House Dodeka-XXI, 2001. - p. 106.
5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М.: Мир, 1991. - Операционный усилитель LM13600, рис.8.2.1.5. Shkritek P. Reference manual for sound circuitry. - M .: Mir, 1991. - The operational amplifier LM13600, Fig. 8.2.1.
6. Патент US 5.371.476.6. Patent US 5.371.476.
7. Патент US 3.982.197.7. Patent US 3.982.197.
8. Патент US 4.799.026.8. Patent US 4.799.026.
9. Патент US 6.750.714.9. Patent US 6.750.714.
10. Патент US 4.241.315 fig.4.10. Patent US 4.241.315 fig. 4.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2474039C1 true RU2474039C1 (en) | 2013-01-27 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5371476A (en) * | 1991-11-15 | 1994-12-06 | Rohm Co., Ltd. | Amplifying circuit |
US20040113692A1 (en) * | 2002-12-16 | 2004-06-17 | Xerox Corporation | Opamp with infinite open loop gain |
RU2414808C1 (en) * | 2010-03-17 | 2011-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Operational amplifier with low voltage of zero shift |
RU2427071C1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5371476A (en) * | 1991-11-15 | 1994-12-06 | Rohm Co., Ltd. | Amplifying circuit |
US20040113692A1 (en) * | 2002-12-16 | 2004-06-17 | Xerox Corporation | Opamp with infinite open loop gain |
RU2414808C1 (en) * | 2010-03-17 | 2011-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Operational amplifier with low voltage of zero shift |
RU2427071C1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2479112C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467470C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2474039C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467469C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488955C1 (en) | Non-inverting current amplifier-based selective amplifier | |
RU2480895C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475944C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2467471C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468506C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2461955C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475937C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479107C1 (en) | Selective amplifier with paraphase output | |
RU2463702C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2469462C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2475943C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468505C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2485675C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488952C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479106C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2480896C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2479108C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2468499C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2469463C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2465718C1 (en) | Selective amplifier | |
RU2488953C1 (en) | Selective amplifier |