CC BY
63
Управляемые избирательные усилители СВЧ диапазона
П.С.Будяков1, С.С.Белич1, Е.А.Семенищев1,
С.В.Федосеев1, Д.В.Медведев1, А.И.Серебряков1
!ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты Ростовской обл.
В радиотехнических системах сегодня широко используются интегральные операционные усилители (ИУ) со специальными элементами обратной связи, формирующими амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) резонансного типа [1,2]. Однако классическое построение таких ИУ сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа второстепенных (с точки зрения работы в СВЧ диапазоне) транзисторов, образующих операционный усилитель. Предлагаемая архитектура ИУ может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации.
Управление добротностью АЧХ усилителя и его коэффициентом усиления по напряжению (Ко) на частоте квазирезонанса /0 реализовано в схеме рис. 1 [3].
Рис.1. Схема управляемого избирательного усилителя [3]
Источник входного сигнала ивх через корректирующий конденсатор С1 изменяет ток коллекторной цепи транзистора УТ2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами Я1 и Я2, а также конденсатором С2, обеспечивает преобразование этого тока в выходное напряжение ИУ. При этом, наличие резистивного делителя (Я1, Я2) формирует АЧХ, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор С1 уменьшает ивых в области нижних частот /</0), где /0 -частота квазирезонанса ИУ, а конденсатор С2 уменьшает выходное напряжение в области верхних частот />/0). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка формирует необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы ИУ.
Комплексный коэффициент передачи ИУ рис. 2 как отношение выходного напряжения (ивых.) к входному напряжению ивх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:
К (/) =
= К
2
/о2 - / 2+$2)
(1)
где/- частота входного сигнала;
/0 - частота квазирезонанса избирательного усилителя;
2 - добротность АЧХ избирательного усилителя;
К0 - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса /0. Причем:
1
/0 =
(2)
где С1, С2, Яь Я2 - параметры элементов схемы С1, С2, Я1 и Я2;
Иц.2 - И - параметр выходного транзистора УТ2 в схеме с общей базой. Добротность ИУ определяется формулой
2-1 = А +.
С2 Я,
ТМ Я2 + И11.2
1 - а 3 - ^ ^ 3 4 /„
(3)
где аI - коэффициент передачи по току эмиттера /-го транзистора; 12, Iо - токи двухполюсников 12 и 13;
А, =
Я2 + И11.2
Я
+
Я
С
с.
эквивалентное затухание пассивной частото-
зависимой цепи.
и
и
вх
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить
0 >> 1.
Формула для коэффициента усиления К0 в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид
С
К 0 =-2
С1І
Я1 (4)
Я2 + И11.2
Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.
Оптимальным соотношением является равенство сопротивлений резисторов Я1 и Я2. В этой связи необходимое значение добротности 2 может быть реализовано как структурно (выбором соотношений токов 12 и 10 (3), так и параметрически - установлением определенного соотношения между емкостями конденсаторов С1 и С2.
Так, при реализации условия
I 1 — а
Ь, = 4^1, (5)
10 аз
из (3) можно найти, что 2 = 1 / А . При этом указанное выше равенство Яі=Я2 обеспечивает следующие параметрические чувствительности добротности ИУ
Яя2= Яя2 = 0; лс: =- 2, (6)
которые являются минимальными для резистивных элементов схемы. Однако, для ряда техпроцессов доминирующими компонентами схемы оказываются конденсаторы С1 и С2, имеющие более высокие погрешности. Можно показать, что в этом случае реализация условия
I, 4 Г 1 ^
1 п— а,
V 822 3 У
10 аз
(7)
обеспечивает минимизацию чувствительностей
= -80 = 0.
С1 С2
При этом реализуемая добротность определяется соотношением емкостных элементов
схемы
С
—. (8)
С
Отмеченные свойства схемы ИУ рис. 1 не исключают возможность реализации равнономинальных резистивных и емкостных элементов схемы. Действительно, как это следует из (3), при выполнении параметрических условий
Я1 = Я2 + И112 = Я, С = С2 = С (9)
реализуемая добротность
0-■ = 3 - «, - а. к, (10)
4 1 0
определяется соотношением токов источников тока 12 и 13=10 и может достигать любых численных значений. При этом параметрические чувствительности
8° = ^° = 0 —12 (11)
12 10 4 I
4 1 0
определяют основные требования к их реализации двухполюсников 12 и 13 при заданном значении добротности.
Кроме этого, все модификации предлагаемого ИУ реализуются на п-р-п транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационностойких изделий.
На рис. 2а показаны логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ИУ рис. 1 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при следующих параметрах элементов: Ягаг1= 260 Ом, Ягаг2=730 Ом, Сгаг1=170 фФ, Сгаг2=560 фФ. Графики рис. 2б и 2в характеризуют зависимость ЛАЧХ,/0 и 00 от тока 1уаг.
а)
- Ыюпалсв — О
(те С] (Нг) б)
в)
Рис. 2. ЛАЧХ и ФЧХ (а), ЛАЧХ при различных значениях тока 1уаг (б), зависимость 0 и /0 от тока 1уаг (в)
На рис. 3 показана схема ИУ рис. 1, в котором в качестве резисторов Я1 и Я2 используются управляемые током сопротивленияр-п переходов 222, 223.
Рис. 3. Вариант реализации схемы управляемого ИУ
На рис. 4 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ рис. 3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при I0=6.6 мА, /var=10 мА, Cvar1=520 фФ, Cvar2=7,3 пФ.
— Kv — phase
\ Q= 12 (1.05GHz, \ 9.2 5 dB)
/ А
Г 1 L 1 1 1 1 \ 1 1 S 1 1 / /
/ / /
/ /
ЧнНь,
»
-60
10'
10н
103
10
10
г150
-125
-75.0 ш
■с
щ
1/1
-50.0
<2.
-25.0
-0
10
-25.0
11
freq (Hz)
Рис.4. ЛАЧХ и ФЧХ ИУ рис. 3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц
На рис. 5 приведена зависимость добротности 0 и резонансной частоты /0 ИУ рис. 3 от управляющего тока /уаг.
V \ \ \
\ V \ \ \ Л /V /V -
V / / $
i » /
* i t
\ Q н
\ / \ / \/
/
15.0
-12.5
=10.0
-7.5
-5.0
-2.5
2.0
4.0 6.0
Ivar 0E-3)
8.0
10
Рис. 5. Зависимость добротности Q и резонансной частоты /0 ИУ рис. 3 от тока /уаг
Представленные на рис. 2, рис.4 и рис. 5 результаты моделирования предлагаемого ИУ подтверждают указанные свойства рассмотренных схем.
Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ИУ характеризуется сравнительно высокими значениями коэффициента усиления К 0 на частоте квазирезонанса /0, а также повышенными величинами добротности 0, характеризующей его избирательные свойства при удовлетворительной чувствительности к нестабильности элементов. Важное достоинство предлагаемого ИУ - токовое управление его основными параметрами.
Статья подготовлена при выполнения НИР по теме «Разработка и исследование аналоговой электронной компонентной базы нового поколения для систем связи, радиоэлектроники и технической кибернетики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»
Литература:
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. - рр.50-53
2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей. Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K. Schmalz, C. 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
3. Управляемый избирательный усилитель для техпроцесса Б025УВ: заявка на патент Российской Федерации; МПК8 Н03Б 3/45, Н03Н 11/00, Н03К 5/00. / Прокопенко Н.Н., Сухинин Б.М., Крутчинский С.Г., Будяков П.С. № 2012132332/08; заявл. 27.07.2012
