CN100411301C - 在并联反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器 - Google Patents

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Abstract

公开一种改进2-级大带宽放大器，该放大器包括：由以共发射极配置的第一和第二双极型晶体管(Q1，Q2)形成的两个放大级，晶体管串联并且它们的发射极连接到第一电源电压(Gnd)。经由输入端(11)，输入信号(Vin)施加到所述第一晶体管的基极上，同时输出信号(Vout)在连接到的所述第二晶体管的集电极的输出端(12)上提供。提供并联反馈结构(13’)，其包括：所述第二双极型晶体管的集电极和第二电源电压(Vcc)之间的两个串联的二极管(D1，D2)的第一支路，以及在以发射极跟随器配置的第三双极型晶体管(Q3)的另一支路，其中负载电阻(Rf)与第三双极型晶体管(Q3)发射极串联，所述第三晶体管的基极和集电极分别连接到所述二极管的公共节点和第二电源电压上。电阻器连接到所述第一和第二晶体管的公共节点上来注入反馈信号(Vf)。由于两个二极管具有低内部阻抗并降低第二晶体管的集电极电容，因此在十分高的频率上(例如，20GHz及以上)显著扩展了改进的放大器的总带宽。

Description

在并联反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器
技术领域
本发明涉及高速发送系统，尤其涉及在并联反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器。
背景技术
在诸如包含在即将问世的10Gb/s以太网中的高速发送系统之类的高速发送系统中，在沿媒体发送后的信号衰减十分严重，并且在接收部分中在执行任何操作(A/D转换、时钟同步、数据串行化(serializtion)，...等)前需要进行放大。由于比特在单信道上发送前在发射部分被串行化，所以这些系统的放大电路必须以尽可能高的速度工作。结果，对在这些高速发送系统的接收端的放大电路增加了带宽和增益限制。
由于双极型器件的较高的Ft(转换频率)，所以现有放大电路基于优于MOSFET器件的双极型器件。增益和带宽之间的常规折衷方案一般要求以共射连接的并且与输出晶体管的集电极上的阻性负载串联的双极型晶体管进行放大的多个级联级。如图1所示，已知的改进是在从一级到前一级中放置并联反馈结构。
参照图1，这里显示了由10表示的现有放大器，该放大器包括仅仅由两个双极型晶体管Q1和Q2形成的两个级，其中为了方便起见Q1和Q2串联。晶体管Q1的集电极连接到晶体管Q2的基极。输入信号Vin通过输入端11施加到输入晶体管Q1的基极，同时在连接到输出晶体管Q2的集电极的输出端12上获得输出信号Vout。并联反馈结构13包括电压分压器，该分压器包括电阻器R1和R2以及与负载电阻器Rf串联的称为反馈晶体管的双极型晶体管Q3，其中Q3以发射极跟随器配置。反馈晶体管Q3通过所述电阻器Rf在节点14向晶体管Q1和Q2的连接节点注入反馈信号Vf，其中该连接节点由15表示。在该节点15的电压由Vc表示。在正常操作中，当反馈结构实现时，节点14和15合并，而且Vf和Vc相等。仅当使反馈结构13不工作时，例如，切断节点14和15的连线时(在下面将要适当描述)，才能有所区别。放大器10在正电压Vcc和地Gnd之间偏置。在1994年5月的《固态电路》的IEEE期刊第29卷第5号中的，K.lshii等人的文章“使用硅双极技术的高比特速率、高输入灵敏度判断电路(High-Bit-rate，High-Input-Sensitivity Decision CircuitUsing Si Bipolar Technology)”中描述了相似的电路。
该并联反馈结构是有用的，因为其降低了输入晶体管Q1的集电极-基极电容值，所述电容值是由于高频时的带宽滚降而引起的。不用多说，放大器10的总带宽仍由第二级限制，即输出晶体管Q2，因为晶体管Q2的集电极电容值很大。而且，晶体管Q2的增益与电阻器R1和R2的值以及彼此独立变化的跨导十分相关。最后因为反馈结构13的增益的确常常大于1，所以放大器10常常是不稳定的。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种在反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器，其显著扩展输出晶体管Q2的带宽，以及放大器的总带宽。
本发明的另一方面是提供一种在反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器，其中输出晶体管Q2的增益被较好地控制，从而放大器的总增益被较好地控制。
本发明的另一方面是提供一种在反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器，其中为了更好的稳定性，反馈环的增益被调节为低于1。
根据本发明，描述一种在反馈结构中使用二极管的改进2-级大带宽放大器，该放大器包括：
由以共发射极配置的第一和第二双极型晶体管形成的两个放大级，第一和第二双极型晶体管串联以便第一双极型晶体管的集电极和第二双极型晶体管的基极形成连接节点并且它们的发射极连接到第一电源电压；
输入端，其接收连接到所述第一双极型晶体管基极的输入信号；
输出端，其连接到提供输出信号的所述第二双极型晶体管的集电极；
并联反馈结构，包括所述第二双极型晶体管的集电极和第二电源电压之间串联的两个二极管的一个支路，以及在以发射极跟随形式配置的第三双极型晶体管的另一支路，第三双极型晶体管发射极串联有负载电阻器，第三双极型晶体管的集电极连接到第二电源电压并且基极连接到所述二极管的公共节点上，所述第三双极型晶体管在所述第一和第二双极型晶体管的所述连接节点注入反馈信号。
在所附的权利要求书中阐明了被认为是本发明特性的新颖特征。但是，最好结合附图参照下面示出的优选实施例的详细描述来了解本发明自身及其其它目的和优点。
附图说明
图1示出了使用包含两个电阻器组成的分压器的并联反馈结构的现有大带宽2-级放大器。
图2示出了根据本发明改进的图1的、以并联反馈结构中的两个二极管来实现的放大器。
图3示出了现有和改进放大器的增益-频率响应曲线。
具体实施方式
根据本发明的说明，通过降低输出晶体管Q2的集电极电容并为每级分配基本相同的带宽，来改善图1中所示的放大器。现在来看图2，其中改进的放大器电路由20表示，通过将两个电阻器R1和R2替换为两个二极管连接的双极型器件来实现这些目的，其中双极型器件由D1和D2标记并且可以为相同的器件。令人惊讶的是，这些为非线性元件的二极管D1和D2比完全线性的电阻器执行得更好。两个二极管D1和D2的更低的阻抗也是非常有助于获得期望的结果。该结构最小化在晶体管Q2的集电极上加载的电容并且改善第二级的带宽。在两个二极管之间的公共节点用作电阻分压器的中间接头来同样偏置晶体管Q3的基极。但是，反馈率现在由二极管的跨导率(gm)设定。对于1mA偏置，标准二极管的gm常规值在25Ohm-1范围内。因此，等于l/gm的“动态阻抗”低于用于正确偏置现有放大器10的反馈晶体管Q3的阻抗值，其中现有放大器10的反馈晶体管Q3的阻抗值在50到200Ohm的范围内。
假设放大晶体管Q1和Q2以及反馈器件Q3和Rf相同，并且调整器件R1/R2和D1/D2的参数来在任一情况中获得最大的带宽。如图3所示的曲线31和32表示放大器10和20各自的频率响应。因此，在相同运行条件下，在大于20GHz的范围上，改进的放大器20显著扩展现有放大器10的带宽，即，至少扩展为原来的两倍。此外，如图3所示，在20GHz，就增益的改善而言，其大于10dB。假设R1＝R2＝R并且D1＝D2＝D，下面的表1给出两个放大器的模拟结果，从而能比较其各自的性能。
表1
  单位   现有   改进
  第一级增益   dB   6.84   10.95
  第二级增益   dB   13.17   5.57
  总增益   dB   19.65   16.52
  第一级带宽   GHz   36.27   25.61
  第二级带宽   GHz   2.69   23.89
  总带宽   GHz   10.22   21.96
从表1显然可见，改进的放大器20具有明显更高的带宽(以很小的增益降低为代价)，因此证明提出的解决方案的优点。需要说明的是，通过其它的参数调整，也可以获得更高的增益并具有相似的带宽。受益于二极管加载到输出晶体管Q2的集电极的第二级具有比阻性负载大10倍左右的带宽。申请人的发明也注意到在表1和图3种无法看出的改进的放大器20的另一个优点。现有放大器的第一级中的增益峰值比改进的放大器的大两倍(在8GHz为8dB相对于在16GHz为1dB)。
此外，第二级的增益由现有解决方案中的gmQ2×(R1+R2)乘积定义，其中gmQ2是晶体管Q2的跨导。在提议的电路中，增益变为gmQ2×(gmD1-1+gmD2-1)，其中gmD1和gmD2是约等于2的二极管D1和D2的跨导。通常，二极管D1和D2是相同的器件并且由将与晶体管Q2相同的参数的双极型晶体管的基极-集电极短路而形成，来匹配晶体管Q2。结果，因为相同元件的自然匹配，与放大器10的现有设计相比，在全处理范围上具有较少的变化。下面的表2示出了现有和改进的放大器关于统计性能的比较。
表2
Figure C0381782700061
由于上述的良好的元件匹配控制改进的放大器20的第二级增益的变化，所以工艺和不匹配变化带来的增益和带宽的标准方差较低。如表2所示，关于增益和带宽的标准方差(σ)大约降低了40％。这很大程度上有利于改善制造成品率。
通过比较Q1的集电极上的反馈信号Vf和Vc可以分析出电路10和20的稳定性并且计算反馈环增益Vf/Vc的值。到这里，断开在节点14和15之间反馈环。这可以表示为Vf/Vc＝(Vf/Vm)×(Vm/Vout)×(Vout/Vc)，其中Vm是两个电阻器(图1)或两个二极管(图2)的公共节点的电压，并且Vout是晶体管Q2的集电极的输出信号。对于典型发射极跟随级来说，Vf/Vm比率大约等于0.9。对于电路10，Vm/Vout比率等于R1(R1+R2)，对于电路20，Vm/Vout比率等于gmD1-1/(gmD1-1+gmD2-1)，同时Vout/Vc比率分别等于gmQ2×(R1+R2)和gmQ2×(gmD1-1+gmD2-1)。
在简化后，对于现有电路10，Vf/Vout比率具有0.9×gmQ2×R1的值，对于本发明的改进的电路20，Vf/Vout比率为0.9。第一表达式可能产生大于1的值，并因此导致设计阶段和制造阶段中的不稳定性，其中工艺的变化可能增加gmQ2或R1的值。由于环路增益总小于1，改进的电路20不会出现不稳定状态。
尽管已参照本发明的特定优选实施例描述了本发明，但本领域内的普通技术人员将理解的是，可在不背离由所附权利要求书限定的本发明宗旨和范围的前提下对本发明进行各种形式和细节上的修改。

Claims (2)

1. 一种改进2-级大带宽放大器(20)，该放大器包括：
由以共发射极配置的第一和第二双极型晶体管(Q1，Q2)形成的两个放大级，所述第一和第二双极型晶体管串联以便第一双极型晶体管的集电极和第二双极型晶体管的基极形成连接节点并且它们的发射极连接到第一电源电压(GND)；
输入端(11)，其接收连接到所述第一双极型晶体管的基极的输入信号(Vin)；
输出端(12)，其连接到提供输出信号(Vout)的所述第二双极型晶体管的集电极；
并联反馈结构(13’)，包括：所述第二双极型晶体管的集电极和第二电源电压(Vcc)之间的串联的两个二极管(D1，D2)的一条支路，以及在以发射极跟随器配置的第三双极型晶体管(Q3)的另一条支路，第三双极型晶体管(Q3)的集电极连接到第二电源电压并且第三双极型晶体管(Q3)的基极连接到所述二极管的公共节点上，其中负载电阻器(Rf)与第三双极型晶体管(Q3)的发射极串联，所述第三双极型晶体管在所述第一和第二双极型晶体管的所述连接节点(15)注入反馈信号(Vf)。
2. 如权利要求1所述的改进2-级大带宽放大器，其中每个二极管由与所述第二双极型晶体管基本相同的、集电极-基极短路的双极型晶体管构成，以与之匹配。
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