Управляемые избирательные усилители СВЧ-диапазона

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 (K₀) на частоте квазирезонанса f₀ реализовано в схеме рис. 1 [3].

интегральный операционный усилитель частотный Источник входного сигнала u_вх через корректирующий конденсатор С1 изменяет ток коллекторной цепи транзистора VT2. Характер коллекторной нагрузки этого транзистора, образованной резисторами R1 и R2, а также конденсатором C2, обеспечивает преобразование этого тока в выходное напряжение ИУ. При этом, наличие резистивного делителя (R1, R2) формирует АЧХ, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя. Действительно, конденсатор C1 уменьшает u_вых в области нижних частот (f < f₀), где f₀ — частота квазирезонанса ИУ, а конденсатор C2 уменьшает выходное напряжение в области верхних частот (f > f₀). Таким образом, используемая коллекторная нагрузка формирует необходимый вид амплитудно и фазочастотных характеристик схемы ИУ.

Комплексный коэффициент передачи ИУ рис. 2 как отношение выходного напряжения (u_вых.) к входному напряжению u_вх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

где f — частота входного сигнала;

f₀ — частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q — добротность АЧХ избирательного усилителя;

K₀ — коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Причем:

где C₁, C₂, R₁, R₂ — параметры элементов схемы С1, С2, R1 и R2;

h_11.2 — h — параметр выходного транзистора VT2 в схеме с общей базой.

Добротность ИУ определяется формулой.

где — коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора;

I₂, I₀ — токи двухполюсников I₂ и I₃;

— эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой цепи.

За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (3), можно обеспечить .

Формула для коэффициента усиления K₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид.

. (4).

Важной особенностью схемы является возможность оптимизации ее параметрической чувствительности.

Оптимальным соотношением является равенство сопротивлений резисторов R1 и R2. В этой связи необходимое значение добротности Q может быть реализовано как структурно (выбором соотношений токов I₂ и I₀ (3), так и параметрически — установлением определенного соотношения между емкостями конденсаторов С1 и С2.

Так, при реализации условия.

из (3) можно найти, что. При этом указанное выше равенство R₁=R₂ обеспечивает следующие параметрические чувствительности добротности ИУ.

которые являются минимальными для резистивных элементов схемы. Однако, для ряда техпроцессов доминирующими компонентами схемы оказываются конденсаторы C1 и С2, имеющие более высокие погрешности. Можно показать, что в этом случае реализация условия.

обеспечивает минимизацию чувствительностей.

.

При этом реализуемая добротность определяется соотношением емкостных элементов схемы.

. (8).

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.

(9).

реализуемая добротность.

определяется соотношением токов источников тока I₂ и I₃=I₀ и может достигать любых численных значений. При этом параметрические чувствительности.

определяют основные требования к их реализации двухполюсников I₂ и I₃ при заданном значении добротности.

Кроме этого, все модификации предлагаемого ИУ реализуются на n-p-n транзисторах, что является их существенным преимуществом, например, при построении радиационно-стойких изделий.

На рис. 2а показаны логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики ИУ рис. 1 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при следующих параметрах элементов: Rvar1= 260 Ом, Rvar2=730 Ом, Cvar1=170 фФ, Cvar2=560 фФ. Графики рис. 2б и 2 В характеризуют зависимость ЛАЧХ, f₀ и Q₀ от тока Ivar.

• а)
• б)

в) Рис. 2. ЛАЧХ и ФЧХ (а), ЛАЧХ при различных значениях тока Ivar (б), зависимость Q и f₀ от тока Ivar (в)

На рис. 3 показана схема ИУ рис. 1, в котором в качестве резисторов R1 и R2 используются управляемые током сопротивления p-n переходов Q₂₂, Q₂₃.

На рис. 4 приведены ЛАЧХ и ФЧХ ИУ рис. 3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц при I₀=6.6 мА, Ivar=10 мА, Cvar1=520 фФ, Cvar2=7,3 пФ.

На рис. 5 приведена зависимость добротности Q и резонансной частоты f0 ИУ рис. 3 от управляющего тока Ivar.

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 К₀ на частоте квазирезонанса f₀, а также повышенными величинами добротности Q, 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".

• 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 микрои 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 SG25VD: заявка на патент Российской Федерации; МПК8 H03 °F 3/45, H03H 11/00, H03K 5/00. / Прокопенко Н. Н., Сухинин Б. М., Крутчинский С. Г., Будяков П. С. № 2 012 132 332/08; заявл. 27.07.2012