CN105356855A

CN105356855A - 一种可调的分布式放大器电路

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Publication number: CN105356855A
Application number: CN201510738528.3A
Authority: CN
Inventors: 张瑛
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2035-11-03
Also published as: CN105356855B

Abstract

本发明公开了一种可调的分布式放大器电路，包括若干个增益单元和连接在每个增益单元输入端的输入片上电感、连接在每个增益单元输出端的输出片上电感，至少在一组相邻的两个增益单元之间的输入端串联两个NMOS晶体管，NMOS晶体管与输入片上电感构成带通匹配网络，两个NMOS晶体管各自的源极和漏极连在一起，NMOS晶体管之间通过第一偏置电阻接至偏置电压；每个增益单元的输入端接有第二偏置电阻，从所述第二偏置电阻的另一端施加第二偏置电压。本发明通过引入可等效为可变电容器的NMOS晶体管将各个增益单元输入端的直流偏置隔离开，从而可以对输入人工传输线的匹配网络进行加工后调试，从而降低了建模不准确或工艺偏差等因素而造成的加工验证失败的风险。

Description

一种可调的分布式放大器电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种可调的分布式放大器电路。

背景技术

无线通信技术的飞速发展对通信系统的数据传输率和带宽提出了更高要求。通常采用的宽带放大器设计技术包括负反馈、平衡放大器、电阻匹配以及有源匹配等等，然而这些技术均无法有效提升放大器的增益带宽积。分布式放大器由于其结构上的特性，能够突破放大器增益带宽积的限制，实现更宽频带的信号放大，在包括微波功率放大器在内的超宽带MMIC(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit，单片微波集成电路)领域里得到了广泛的应用。目前的分布式放大器已出现各种类型的结构，包括非均匀结构、分布-级联结构等等，但它们都是采用低通结构的人工传输线形式，此时所有增益单元都必须工作在同一种偏置状态下，因此设计自由度较低，无法通过设置不同的工作点来改善分布式放大器的线性度等性能。此外，传统的分布式放大器结构中没有在加工之后还可以进行调节的器件，因此对电路中有源和无源器件的模型准确度要求很高，器件模型的准确度在很大程度上决定着电路加工测试的成败。

分布式放大器的基本原理是将晶体管的寄生电容与电感元件构成人工传输线，从而克服寄生电容造成的增益滚降，其电路原理图如图1所示，其中VDD为电源电压，V_G为直流偏置电压，片上电感L_Gi和增益单元的输入阻抗构成了输入人工传输线，片上电感L_Di和增益单元的输出阻抗构成了输出人工传输线，显然输入/输出人工传输线均为低通滤波器结构。传统的分布式放大器由于各级增益单元采用直接耦合方式，因此各个增益单元必须工作在同样的直流偏置条件下。

发明内容

鉴于现有技术中的上述不足，本发明提出一种改善线性度的分布式放大器电路，其技术方案是：

一种可调的分布式放大器电路，包括若干个增益单元和连接在每个所述增益单元输入端的输入片上电感、连接在每个所述增益单元输出端的输出片上电感，至少在一组相邻的两个增益单元之间的输入端串联两个NMOS晶体管，所述NMOS晶体管与所述输入片上电感构成带通匹配网络，两个所述NMOS晶体管各自的源极和漏极连在一起，两个所述NMOS晶体管之间通过第一偏置电阻接至偏置电压；每个增益单元的输入端接有第二偏置电阻，从所述第二偏置电阻的另一端施加第二偏置电压。

一种情况是，两个所述NMOS晶体管分别连在所述输入片上电感的两端，且栅极与所述片上电感相连。

一种情况是，两个所述NMOS晶体管分别连在所述输入片上电感的两端，且源极和漏极与所述片上电感相连。

一种情况是，两个所述NMOS晶体管设在所述片上电感的同一侧，且栅极直接相连。

还一种情况是，两个所述NMOS晶体管设在所述片上电感的同一侧，且源极和漏极直接相连。

所述增益单元为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端。

所述增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

所述增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与所述电感一端连接，所述电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

在第一个输入片上电感之前和最后一个输入片上电感之后以及在第一个输入片上电感之前和最后一个输入片上电感之后分别串联有一个耦合电容。

本发明的有益效果：

(1)通过引入可等效为可变电容器的NMOS晶体管将各个增益单元输入端的直流偏置隔离开，从而可以对输入人工传输线的匹配网络进行加工后调试，从而降低了建模不准确或工艺偏差等因素而造成的加工验证失败的风险；

(2)通过采用不同电路结构的增益单元，以及施加不同的偏置电压V_Gi和V_Bi能够改变各个增益单元的静态工作点，从而可以改善它们的线性度。

附图说明

图1为传统的分布式放大器电路结构图；

图2为本发明实施例分布式放大器电路结构图；

图3为本发明另一实施例分布式放大器电路结构图；

图4为NMOS晶体管构成的可变电容的变容特性；

图5为增益单元的一个实施例结构图；

图6为增益单元的另一个实施例结构图；

图7为增益单元的又一个实施例结构图；

图8为图5实施例的输出电流、跨导增益及各阶导数与输入电压的关系；

图9为图6和图7实施例的输出电流、跨导增益及各阶导数与输入电压的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明与图1所示的传统分布式放大器相比，存在以下三处改进：

(1)输入人工传输线中至少一组相邻两级增益单元之间串联两个NMOS晶体管NM_2i-1和NM_2i，与片上电感L_G(i+1)共同构成带通匹配网络，NMOS晶体管NM_2i-1和NM_2i的源级和漏极分别接在一起，通过大电阻R_Bi接至偏置电压V_Bi，；图2为本发明分布式放大器电路的一种结构，图3为另一种结构，可以看出，两个与片上电感串联的晶体管既可以分别设在片上电感两端，又可以设在片上电感的同一侧，既可以源极和漏极相向，又可以栅极相向；

(2)各个增益单元的输入端均采用了独立的偏置结构R_Gi，以此可以对各个增益单元的输入端施加不同的偏置电压V_Gi；

(3)增益单元可以采用如图5到图7中所示的任一种电路结构，但同一电路中一般均采用相同的电路结构。

本发明的基本原理如下：

(1)将NMOS晶体管的源极与漏极接在一起作为一个端子，将NMOS晶体管的栅极作为另一个端子，当这两个端子加上变化的偏压时该NMOS晶体管可等效为一个可变电容器，其电容与所加偏压的关系如图3所示。可以通过调节偏压U来改变NMOS晶体管的等效电容的大小，从而调节电路的频率特性，具体到图2中即可以通过调节V_Gi和V_Bi改变NM_i的等效电容的大小。

(2)增益单元的输出电流i_o和输入偏置电压v_in之间总是存在如下的关系式

i_{o} = g_{m} v_{i n} + g_{m}^{'} v_{i n}^{2} + g_{m}^{''} v_{i n}^{3}

其中g_m表示增益单元的跨导增益，g′_m为i_o关于v_in的二阶导数，g″_m为i_o关于v_in的三阶导数，根据射频电路理论，g″_m对放大器的线性度性能影响最大，g_m一定的情况下，g″_m越小则放大器的线性度越好。图8和图9所示为不同结构的增益单元的跨导特性和输入偏置电压之间的关系。

如图5所示，增益单元的一种结构为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端，采用这种结构的分布式放大器电路输出电流、跨导增益及各阶导数与输入电压的关系如图8所示。由图8(b)可以看出增益单元呈现出严重的非线性，即跨导增益g_m不是恒定的值，而是随着输入偏置电压v_in的变化而变化，因此当放大器的输入信号幅度增大时，输出信号将出现非线性失真。

如图6所示，增益单元的另一种结构为：增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

如图7所示，增益单元的又一种结构为：增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与电感一端连接，电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端，该电感为峰值电感。采用图6和图7两种结构的分布式放大器电路输出电流、跨导增益及各阶导数与输入电压的关系如图8所示。由图9(a)(b)同样可以看出增益单元呈现出严重的非线性，即跨导增益g_m不是恒定的值，而是随着输入偏置电压v_in的变化而变化，因此当放大器的输入信号幅度增大时，输出信号将出现非线性失真。

根据分布式放大器的工作原理，其前向跨导增益为各个增益单元跨导增益的叠加，因此由图8(d)和图9(d)可以看出，当各增益单元采用相同(或不同)的电路结构并处于不同的输入偏置电压时，g″_m可以取正值也可以取负值，因此只需要通过调节各个增益单元的偏置电压就可以使得分布式放大器的总的跨导增益的二阶偏导趋近于零，从而获得良好的线性度。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种可调的分布式放大器电路，包括若干个增益单元和连接在每个所述增益单元输入端的输入片上电感、连接在每个所述增益单元输出端的输出片上电感，其特征在于：至少在一组相邻的两个增益单元之间的输入端串联两个NMOS晶体管，所述NMOS晶体管与所述输入片上电感构成带通匹配网络，两个所述NMOS晶体管各自的源极和漏极连在一起，两个所述NMOS晶体管之间通过第一偏置电阻接至偏置电压；每个增益单元的输入端接有第二偏置电阻，从所述第二偏置电阻的另一端施加第二偏置电压。

2.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：两个所述NMOS晶体管分别连在所述输入片上电感的两端，且栅极与所述片上电感相连。

3.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：两个所述NMOS晶体管分别连在所述输入片上电感的两端，且源极和漏极与所述片上电感相连。

4.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：两个所述NMOS晶体管设在所述片上电感的同一侧，且栅极直接相连。

5.权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：两个所述NMOS晶体管设在所述片上电感的同一侧，且源极和漏极直接相连。

6.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：所述增益单元为一NMOS管，其栅极为输入端，漏极为输出端。

7.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：所述增益单元由两个连接的NMOS管组成，第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

8.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：所述增益单元由两个NMOS管和一个电感组成，第一NMOS管的源极与所述电感一端连接，所述电感的另一端连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极为输入端，第一NMOS管的漏极为输出端。

9.根据权利要求1所述的分布式放大器电路，其特征在于：在第一个输入片上电感之前和最后一个输入片上电感之后以及在第一个输入片上电感之前和最后一个输入片上电感之后分别串联有一个耦合电容。