CN107707203A - 一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，包括有源偏置电路、电感抵消元件、电源VDD及两个晶体管堆叠的共源‑共栅结构，其中，有源偏置电路与电源VDD连接。电感抵消元件包括电感L2和电感L3，共源‑共栅结构中的两个晶体管分别为晶体管M1和晶体管M2，晶体管M1源极通过电感L2接地，晶体管M1栅极串接电阻R1后输入栅压。晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M2栅极串接电阻R3后输入栅压，晶体管M3漏极串接电感L3后与有源偏置电路连接。本发明的工作频率覆盖兆赫兹(MHz)到吉赫兹(GHz)，带宽与分布式放大器相当，而单元电路增益性能、功耗和芯片面积等优于分布式结构。

Description

一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路

技术领域

本发明涉及无线射频通信技术领域，具体是一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路。

背景技术

近年来，随着高速率数据传输、光纤通信、宽带电磁频谱监测、软件无线电、认知无线电系统等的发展，射频收发机应用越来越广泛。宽带放大器作为射频收发机中最重要的功能模块之一，在发射机中作为功率放大器，其性能决定了发射机的发射功率和效率；在接收机中作为低噪声放大器，位于接收机最前端，其性能直接决定接收机的灵敏度和动态范围。针对当前对宽带放大器的应用需求，传统的解决方案是把多个分别覆盖不同频率范围的放大器并行使用，以达到覆盖连续带宽的目的。传统的解决方案应用时，由于包含多个分别覆盖不同频率范围的放大器，造成设备体积大，相应的成本高，设备的可靠性降低；此外，由于需要多个放大器同时工作，功耗往往较大。

针对传统的解决方案的不足，现有提出的一些技术尝试采用单一的放大器电路覆盖宽频带范围，即用一个超宽带放大器覆盖所需要的所有频率范围。当前提出的一些拓展放大器带宽的方法包括分布式结构、变压器反馈、电感和电阻构成的并联反馈等。但是，这些技术中除了分布式结构，几乎没有一种技术可以保证放大器的工作频率覆盖从接近直流的低频到超过几十吉赫兹(GHz)的高频。而分布式结构的放大器存在单元电路增益低、功耗和芯片面积大等不足。因此，开展带宽与分布式放大器相当，而单元电路增益性能、功耗和芯片面积等优于分布式结构的超宽带放大器研究具有重要的意义，而当前鲜有相关的电路结构提出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其工作频率覆盖兆赫兹(MHz)到吉赫兹(GHz)，带宽与分布式放大器相当，而单元电路增益性能、功耗和芯片面积等优于分布式结构。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，包括有源偏置电路、电感抵消元件、电源VDD及两个晶体管堆叠的共源-共栅结构，所述有源偏置电路与电源VDD连接；所述电感抵消元件包括电感L2和电感L3，所述共源-共栅结构中的两个晶体管分别为晶体管M1和晶体管M2，所述晶体管M1源极通过电感L2接地，晶体管M1栅极串接电阻R1后输入栅压；所述晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M2栅极串接电阻R3后输入栅压，晶体管M3漏极串接电感L3后与有源偏置电路连接；所述电感L2与电感L3之间通过变压器进行耦合，以抵消电感L2对高频增益的影响；所述晶体管M1的栅极连接有输入端口，电感L3与有源偏置电路之间的线路上设有输出端口。

在宽带放大器的设计中，晶体管的栅极到源极、栅极到漏极、漏极到源极的寄生电容是决定晶体管的特征频率和限制电路带宽拓展的主要因素。低频带宽的拓展主要限制于栅极到源极的电容，具体表现为导致输入匹配网络的品质因数在低频时频率很高，难以实现宽频带范围的覆盖；而高频端带宽的拓展主要由栅极到漏极的电容(即米勒电容)和漏极到源极的电容，具体表现为这个两个电容的存在导致晶体管的高频增益随频率迅速滚降。

本发明的晶体管M1源极通过电感L2接地构成共源晶体管，晶体管M2栅极通过电容C2接地构成共栅晶体管。本发明应用时，采用晶体管M1和晶体管M2构成的共源-共栅结构可以显著的减弱米勒电容造成的高频增益的滚降，进而实现高频带宽的拓展。

串联在共源晶体管源极的电感L2可以使高频的输入匹配更好，其原理是该电感L2部分抵消了栅极到源极的电容，从而降低了输入匹配网络的品质因数。但是，因为该电感本质上引入了负反馈，由于电感的频率响应特性决定了其会严重恶化放大器的高频增益；而串联在共栅晶体管漏极的电感L3可以补偿漏极到源极的电容，提高放大器的高频增益。本发明在串联在共源晶体管源极和共栅晶体管漏极的电感之间引入耦合，能保持了串联在共源晶体管源极的电感对输入匹配的作用，而消除了共源晶体管的源极电感对高频增益的恶化，实现高频带宽的展宽。

本发明应用时，信号由输入端口输入，经过两个晶体管堆叠的共源-共栅结构放大后，由输出端口输出。

进一步的，一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，还包括反馈电路，所述反馈电路一端与晶体管M1栅极连接，其另一端连接于电感L3与输出端口之间的线路上。本发明应用时，电容C1用于阻隔直流信号，反馈电路的作用的是降低输入匹配网络的品质因数(即减弱晶体管的栅极到源极的寄生电容对带宽拓展的影响)，实现将放大器的工作带宽向低频端拓展。

进一步的，一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，还包括输入匹配电路，所述输入匹配电路包括电感L1，所述电感L1串接于晶体管M1栅极与输入端口之间的线路上。本发明应用时，电路的匹配是电感L1和串联在共源晶体管源极的电感L2共同完成的，电感L2可以使电路的高频段实现较好的匹配。

进一步的，所述有源偏置电路包括晶体管M3、电感L4、电阻R4及电容C3，所述晶体管M3源极与电感L3连接，晶体管M3漏极串接电感L4后与电源VDD连接，晶体管M3漏极通过电容C3接地，电阻R4两端分别与晶体管M3的栅极和漏极连接。

传统的单片集成放大器电路的偏置电路由电感或者电阻或者由二者共同构成的网络实现，电感或电阻偏置电路结构在电路的工作频率需要拓展到较低(如1GHz以下)时，需要的电感值较大，在片上实现时占用的芯片面积较大，成本较高。此外，会增加额外的直流功耗。传统的工作带宽拓展到接近直流的放大器单片集成电路中，也有的将偏置电路放在片外实现，这中方法在实际运用中由于涉及到金丝键合等，显得很不方便，同时增加了成本。

本发明的有源偏置电路作为负载时的阻抗值可以通过改变电阻R4调节，而有源偏置电路中的电容C3和电感L4是对晶体管3和电阻R4构成的偏置电路的补充，主要用来补偿高频时晶体管3和电阻R4构成的偏置电路在高频时扼流特性较差的不足。本发明通过引入改进型的有源偏置电路可以保证从低频接近直流的频率到高频达到几十吉赫兹的频率范围内具有较好的扼流特性，进而能有效避免传统偏置电路的不足。

进一步的，所述共源-共栅结构中的晶体管为N沟道晶体管、P沟道晶体管、高电子迁移率晶体管及赝高电子迁移率晶体管中的任意一种。

综上所述，本发明与现有的宽带电路拓扑相比有以下优势：本发明的频率覆盖范围可以从接近直流的低频到工艺特征频率的一半以上的高频，倍频程带宽可以达到200以上，其带宽可以与当前能够实现的最宽带宽的分布式结构相比拟，而芯片面积和增益等远优于分布式结构。作为选择，可以替代分布式放大器，广泛应用于光纤通信和软件无线电等系统图中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例1的电路原理图；

图2为级联三级图1所示的放大器电路的电路结构框图；

图3为图2的电路原理图；

图4为图2所示三级级联放大器的参数仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，包括有源偏置电路、电感抵消元件、输入匹配电路、反馈电路、电源VDD及两个晶体管堆叠的共源-共栅结构，其中，本实施例的电感抵消元件包括电感L2和电感L3，共源-共栅结构中的晶体管为N沟道晶体管、P沟道晶体管、高电子迁移率晶体管及赝高电子迁移率晶体管中的任意一种，图1所示的为N沟道晶体管。本实施例的共源-共栅结构中的两个晶体管分别为晶体管M1和晶体管M2，晶体管M1源极接地，电感L2串接于晶体管M1源极与地之间的线路上。本实施例的晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M3漏极串接电感L3后与有源偏置电路连接。本实施例的晶体管M1栅极串接有电阻R1，晶体管M2栅极串接有电阻R3，本实施例应用时直接通过电阻R1、电阻R3分别给晶体管M1栅极、晶体管M2栅极加偏压。本实施例的电感L2与电感L3之间通过变压器进行耦合，耦合系数为k，耦合以抵消电感L2对高频增益的影响。本实施例的晶体管M1的栅极连接有输入端口，电感L3与有源偏置电路之间的线路上设有输出端口。

本实施例的反馈电路包括电容C1及与电容C1串连的电阻R2，反馈电路一端与晶体管M1栅极连接，其另一端连接于电感L3与输出端口之间的线路上。其中，电容C1的作用是阻隔直流信号，避免晶体管M1的漏极偏压影响晶体管M1的栅极偏压。

本实施例的输入匹配电路包括电感L1，其中，电感L1串接于晶体管M1栅极与输入端口之间的线路上。

本实施例的有源偏置电路包括晶体管M3、电感L4、电阻R4及电容C3，其中，电感L4与晶体管M3漏极连接，晶体管M3漏极通过电容C3接地，电阻R4两端分别与晶体管M3的栅极和漏极连接。本实施例的有源偏置电路具体通过其晶体管M3源极与电感L3连接，并通过电感L4相对连接晶体管M3漏极端的另一端与电源VDD连接。本实施例在实现过程中为了减小功耗，晶体管M3的尺寸一般选较小的尺寸。电阻R4的阻值则依据电路的漏极电流来选择。本实施例的改进型有源偏置电路的引入可以在电路的工作频率拓展到接近直流的低频时，有效避免引入较大电感值的电感(在单片集成电路中对应较大的尺寸)，进而减小芯片面积，降低成本；同时，也避免较大的电感带来的额外寄生参数，提高电路性能。

本实施例应用时，共源-共栅结构晶体管用于减小影响高频带宽拓展的米勒效应，实现高频带宽的拓展；电感抵消元件用于减小晶体管源极电感对高频增益的退化作用，展开放大器的高频带宽；反馈电路用来减小输入匹配网络的品质因数，拓展低频带宽；输入匹配电路由输入端的串联电感L1完成，使电路具有较好的回波损耗；有源偏置电路由晶体管M3和无源元件电感L4、电阻R4和电容C3共同构成，用以克服传统的电感或电阻偏置电路在频率覆盖范围在接近直流时尺寸或者功耗大的不足。本实施例的基本思想是采用多种技术抵消上述寄生电容的消极影响，实现放大器带宽的拓展。

本实施例提出的电路结构用于CMOS或者GaAs等工艺中的集成电路设计时，放大器的带宽可以超过晶体管特征频率的一半以上，可以广泛的应用于光纤通信、软件无线电和宽带电磁频谱监测等系统中。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例级联了三级实施案例1中的放大器电路单元(实际中的放大器一般都要多级级联来满足对增益等指标的需求，级联的每一级电路通常称为一个放大器电路单元)，并给出了其仿真结果。图2是级联三级图1所示的放大器电路的电路结构框图，包含了采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅰ、采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅱ和采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅲ，图3是图2所示框图对应的电路原理图。如图3所示，采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅰ、采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅱ和采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅲ各包含了一个图1所示的放大器电路。采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅰ和采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅱ之间、采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅱ和采用电感抵消技术的超宽带放大器电路单元Ⅲ之间分别串联了一个电容，这两个电容的作用是阻隔直流，确保各电路单元偏置在正确的偏置状态下。

对于图3所示的电路结构，基于0.15μm GaAsp pHEMT工艺进行了仿真验证，该工艺晶体管的特征频率为95GHz。图4给出了增益和输入回波损耗的仿真结果。从图4中可知，采用本实施例的超宽带放大器实现了0.1MHz到大于50GHz的带宽，即倍频程带宽达到了500，绝对带宽超过了晶体管特征频率的一半。在带宽内的增益大于20dB，而回波损耗优于10dB，即实现了较高的增益和较好的匹配。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其特征在于，包括有源偏置电路、电感抵消元件、电源VDD及两个晶体管堆叠的共源-共栅结构，所述有源偏置电路与电源VDD连接；所述电感抵消元件包括电感L2和电感L3，所述共源-共栅结构中的两个晶体管分别为晶体管M1和晶体管M2，所述晶体管M1源极通过电感L2接地，晶体管M1栅极串接电阻R1后输入栅压；所述晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M2栅极串接电阻R3后输入栅压，晶体管M3漏极串接电感L3后与有源偏置电路连接；所述电感L2与电感L3之间通过变压器进行耦合，以抵消电感L2对高频增益的影响；所述晶体管M1的栅极连接有输入端口，电感L3与有源偏置电路之间的线路上设有输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其特征在于，还包括反馈电路，所述反馈电路包括电容C1及与电容C1串连的电阻R2，所述反馈电路一端与晶体管M1栅极连接，其另一端连接于电感L3与输出端口之间的线路上。

3.根据权利要求1所述的一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其特征在于，还包括输入匹配电路，所述输入匹配电路包括电感L1，所述电感L1串接于晶体管M1栅极与输入端口之间的线路上。

4.根据权利要求1所述的一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其特征在于，所述有源偏置电路包括晶体管M3、电感L4、电阻R4及电容C3，所述晶体管M3源极与电感L3连接，晶体管M3漏极串接电感L4后与电源VDD连接，晶体管M3漏极通过电容C3接地，电阻R4两端分别与晶体管M3的栅极和漏极连接。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，其特征在于，所述共源-共栅结构中的晶体管为N沟道晶体管、P沟道晶体管、高电子迁移率晶体管及赝高电子迁移率晶体管中的任意一种。