Управляемые избирательные усилители СВЧ диапазона

Аннотация

П.С.Будяков, С.С.Белич, Е.А.Семенищев, С.В.Федосеев, Д.В.Медведев, А.И.Серебряков

  В работе рассмотрен метод построения СВЧ избирательных усилителей, который позволяет обеспечить управление добротностью и коэффициентом усиления по напряжению на частоте квазирезонанса. Представлена архитектура ИУ для SiGe техпроцесса, обладающая малым энергопотреблением.

Ключевые слова: RC-фильтр, добротность, управляемый избирательный усилитель, коэффициента усиления, частота резонанса

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

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].

Рис.1. Схема управляемого избирательного усилителя [3]

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:
, (1)
где f– частота входного сигнала;
f₀ -  частота квазирезонанса избирательного усилителя;
Q – добротность АЧХ избирательного усилителя;
K₀ – коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.
Причем:
, (2)
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
,  (3)
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
,    (5)
из (3) можно найти, что . При этом указанное выше равенство R₁=R₂ обеспечивает следующие параметрические чувствительности добротности ИУ
   ,   (6)
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
    (7)
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
, (10)
определяется соотношением токов источников тока I₂ и I₃=I₀ и может достигать любых численных значений. При этом параметрические чувствительности
   (11)
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 2в 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.

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, Ivar=10 мА, Cvar1=520 фФ, Cvar2=7,3 пФ.

Рис.4. ЛАЧХ и ФЧХ ИУ рис. 3 в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц

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

Рис. 5. Зависимость добротности Q и резонансной частоты f₀ ИУ рис. 3 от 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»

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 SG25VD: заявка на патент Российской Федерации; МПК8 H03F 3/45, H03H 11/00, H03K 5/00. / Прокопенко Н.Н., Сухинин Б.М., Крутчинский С.Г., Будяков П.С. № 2012132332/08; заявл. 27.07.2012