CN107528555A - 一种分布式放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式放大器，包括：信号输入单元、输入传输线负载单元、信号输出单元、输出传输线负载单元、工作电压提供单元及至少两个级联的信号放大单元。在每一个信号放大单元中：其信号输入端用于接收经信号输入单元传入的待放大的信号以及接收经输入传输线负载单元传入的第一电压；其信号输出端用于向信号输出单元输出被放大的信号以及接收经输出传输线负载单元传入的第二电压；其控制端用于接收经工作电压提供单元传入的第三电压；第一电压、第二电压和第三电压设置成使信号放大单元工作在放大模式；其中，在每两级信号放大单元的输出端之间的输出传输线上并联有第一电阻，以增强分布式放大器的稳定性。

Description

一种分布式放大器
技术领域
本发明涉及宽带放大器技术领域，尤其涉及一种分布式放大器。
背景技术
随着全球科技的迅猛发展，宽带系统在通信方面具有高隐蔽性、覆盖频率范围广、高传输率，强穿透能力以及便于一体化等优点，因此其被广泛的应用。宽带放大器是微波收发组件的重要器件，可用作接收支路的低噪声放大器和发射支路的驱动放大器，其性能直接影响了整个射频前端的质量。
宽带放大器主要包括平衡放大器、反馈放大器以及分布式放大器。其中，分布式放大器以其能够实现更宽带宽的优点而被广泛的使用。图1为现有的分布式放大器电路结构示意图。如图1所示，该分布式放大器包括一输入传输线101、一输出传输线102、一组并联的共源晶体管103、第一电容104、第二电容105、第三电容106及第四电容107。该分布式放大器的基本工作原理是：把共源晶体管103的寄生栅源电容和寄生漏源电容分别作为集总器件置于输入传输线101和输出传输线102中，与输入传输线101和输出传输线102上的电感(包括寄生电感)构成两条人工传输线。当电路的源阻抗和输入传输线101的特性阻抗匹配以及负载阻抗和输出传输线102的特性阻抗匹配时，输入信号就等效于在一个无频率上限的理想均匀传输线上以行波的方式传播。因此，分布式放大器可实现很宽的带宽。当设计合理时，输入信号经过各个晶体管逐次放大后，并在输出传输线102上叠加，从而使得输入信号进行放大后在漏极输出。
图1的分布式放大器的增益和带宽已不能满足现在宽带系统对它的要求。图2为现有的级联式拓扑结构分布式放大器的电路结构示意图。如图2所示，现有技术通过级联式拓扑结构代替图1中的分布式结构来实现高增益和宽频带特性。该级联式拓扑结构分布式放大器包括一输入传输线201、一输出传输线202、一组并联的共源共栅放大器203、第一电容204、第二电容205、第三电容206及第四电容207。级联式拓扑结构通过共源共栅放大器203增加了整体电路的增益和带宽，同时提高了电路的反向隔离，获得更低的噪声系数，并且能够减小第一级器件的弥勒效益。
图2的级联式拓扑结构分布式放大器在提高增益和带宽的同时，存在一个明显的缺陷,即，由于共栅结构第二级晶体管的漏极与栅极之间的电容形成了一个负反馈回路，整体电路的带内稳定性会因此而下降，容易使电路产生自激现象。而放大器的稳定性是收发组件关键的特性，当放大器出现振荡或者是有振荡的可能性，整个收发组件都会存在不稳定性，从而产生各种问题。
现有技术中提高整体电路的带内稳定性的方案主要有两种。第一种方案是在图2的共栅晶体管的栅极增加电阻以抵消存在的负阻效益，以提高稳定性，但是会牺牲整个放大器的增益。第二种方案是在两级晶体管的连接线之间加入旁路电阻电容，但是该方案仍然以降低增益来获得稳定性。
综上，现有技术的不足在于：以牺牲整个放大器的增益来提高其带内稳定性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新的分布式放大器，包括：
信号输入单元，其连接在输入传输线的第一端，用于传入待放大的信号；
输入传输线负载单元，其连接在所述输入传输线的第二端，用于传入第一电压；
信号输出单元，其连接在输出传输线的第一端，用于输出被放大的信号；
输出传输线负载单元，其连接在所述输出传输线的第二端，用于传入第二电压；
工作电压提供单元，其用于传入第三电压；
至少两个级联的信号放大单元，用于对所述待放大的信号进行逐级放大，得到被放大的信号；其中，在每一个所述信号放大单元中：
其信号输入端连接在所述信号输入单元与输入传输线负载单元之间的输入传输线上，用于接收经所述信号输入单元传入的待放大的信号以及接收经所述输入传输线负载单元传入的第一电压；
其信号输出端连接在所述输出传输线负载单元与信号输出单元之间的输出传输线上，用于向所述信号输出单元输出被放大的信号以及接收经所述输出传输线负载单元传入的第二电压；
其控制端连接工作电压提供单元，用于接收经所述工作电压提供单元传入的第三电压；
所述第一电压、第二电压和第三电压设置成使所述信号放大单元工作在放大模式；
其中，在每两级所述信号放大单元的输出端之间的输出传输线上并联有第一电阻，用以增强分布式放大器的稳定性。
在一个实施例中，所述输入传输线负载单元还用于吸收所述输入传输线上剩余的未放大的信号。
在一个实施例中，所述输出传输线负载单元还用于吸收所述输出传输线上反向传输的被放大的信号。
在一个实施例中，所述输入传输线负载单元包括：
第一电容，其一端连接在所述输入传输线的第二端，其另一端接地；
第二电阻，其一端连接在所述输入传输线的第二端；
第二电容，其一端连接所述第二电阻的另一端，其另一端接地。
在一个实施例中，所述输出传输线负载单元包括：
第三电阻，其一端连接在所述输出传输线的第二端；
第三电容，其一端连接所述第三电阻的另一端，其另一端接地；
第一电感，其一端连接在所述输出传输线的第二端；
第二电感，其一端连接所述第一电感的另一端，其另一端传入所述第二电压；
第四电容，其一端连接所述第二电感的一端，其另一端接地。
在一个实施例中，所述第一电感的电感值小于第二电感的电感值。
在一个实施例中，所述第一电感的电感值为0.1nF至1nF，所述第二电感的电感值为3nF至4nF。
在一个实施例中，所述第一电阻的阻值为100Ω至200Ω。
在一个实施例中，每个所述第一电阻的阻值相同。
在一个实施例中，所述信号放大单元包括：
第一晶体管，其栅极为所述信号放大单元的信号输入端，其源极接地；
第二晶体管，其栅极为所述信号放大单元的控制端，其漏极为所述信号放大单元的信号输出端，其源极连接所述第一晶体管的漏极。
在一个实施例中，所述工作电压提供单元用于向各级信号放大单元中的第二晶体管的栅极提供相同的第三电压。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
1，本发明提供的分布式放大器，其采用级联式拓扑结构，并且在每两级信号放大单元的输出端之间的输出传输线上并联电阻，能够增强分布式放大器的稳定性。
2，本发明提供的分布式放大器，其在输入传输线末端的输入传输线负载单元设置了并联的电阻电容作为负载，能够吸收输入传输线上剩余的未放大的信号。
3，本发明提供的分布式放大器，其在输出传输线的反向末端的输出传输线负载单元设置了级联的电感和并联的电容作为负载，能够吸收输出传输线上反向传输的已放大的信号。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了现有的分布式放大器的电路结构示意图；
图2示出了现有的级联式拓扑结构分布式放大器的电路结构示意图；
图3示出了本发明第一实施例的分布式放大器的电路结构示意图；
图4示出了本发明第二实施例的分布式放大器的电路结构示意图；
图5示出了本发明第三实施例的分布式放大器的电路结构示意图；
图6示出了本发明实施例的第一晶体管Rds与工作频率freq的关系示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
第一实施例
图3为本发明第一实施例的分布式放大器电路结构示意图。该分布式放大器工作在K和Ka频段，带宽约为20GHz。如图3所示，该分布式放大器包括信号输入单元301、输入传输线负载单元302、信号输出单元303、输出传输线负载单元304、工作电压提供单元305以及至少两个级联的信号放大单元306。
该分布式放大器的各个单元的连接关系和工作原理如下所示：
信号输入单元301连接在输入传输线10的第一端，用于传入待放大的信号。在本实施例中，信号输入单元301包括第五电容C5，第五电容C5的一端接收待放大的信号，另一端连接输入传输线10的第一端。第五电容C5对通过输入传输线10的第一端传入的待放大的信号进行滤波，然后将它传给信号放大单元306。
输入传输线负载单元302连接在输入传输线10的第二端，用于传入第一电压。在本实施例中，输入传输线负载单元302包括第一电容C1，第一电容C1的一端连接输入传输线10的第二端，另一端接地。第一电容C1对对通过输入传输线10的第二端传入的第一电压进行滤波，然后将它传给信号放大单元306。
信号输出单元303连接在输出传输线20的第一端，用于通过输出传输线20的第一端输出被放大的信号。在本实施例中，信号输出单元303包括第六电容C6，第一电容C6的一端连接输出传输线20的第一端，另一端输出滤波后的被放大的信号。第一电容C6对被放大的信号进行滤波，然后将它通过输出传输线20的第一端输出。
输出传输线负载单元304连接在输出传输线20的第二端，用于传入第二电压。在本实施例中，输出传输线负载单元304包括第二电感Ld2和第四电容C4，第二电感Ld2的一端接收第一电压，另一端连接输出传输线20的第二端，第四电容C4的一端连接输出传输线20的第二端，另一端接地。通过第二电感Ld2来抑制射频，然后第四电容C4对第二电压进行滤波，然后将它传给信号放大单元306。
工作电压提供单元305向信号放大单元306传入第三电压。工作电压提供单元305包括第七电容C7，第七电容C7的一端接收第三电压，另一端接地。第七电容C7对第三电压进行滤波，然后将它传给信号放大单元306。
至少两个级联的信号放大单元306，用于对待放大的信号进行逐级放大，得到被放大的信号；其中，在每一个信号放大单元306中：
信号放大单元306的信号输入端30连接在信号输入单元301与输入传输线负载单元302之间的输入传输线10上，通过输入传输线10接收经信号输入单元301传入的待放大的信号以及接收经输入传输线负载单元302传入的第一电压；
信号放大单元306的信号输出端40连接在输出传输线负载单元304与信号输出单元303之间的输出传输线20上，通过输出传输线20向信号输出单元303输出被放大的信号以及接收经输出传输线负载单元304传入的第二电压；
信号放大单元306的控制端50连接工作电压提供单元305，接收经工作电压提供单元305传入的第三电压。
优选地，信号放大单元306包括第一晶体管T1和第二晶体管T2。第一晶体管T1的栅极为信号放大单元306的信号输入端30，第一晶体管T1的源极接地，第一晶体管T1的漏极连接第二晶体管T2的源极，第二晶体管T2的栅极为信号放大单元306的控制端50，第二晶体管T2的漏极为信号放大单元306的信号输出端40。优选地，工作电压提供单元305向每一级信号放大单元306中的第二晶体管T2的栅极提供相同的第三电压。由于采用了共栅极的第二晶体管T2和共源极的第一晶体管T1，提高了分布式放大器的增益。
第一电压、第二电压和第三电压需要设置成使信号放大单元306工作在放大模式。在具体实施时，可根据晶体管的工艺设置第一电压、第二电压和第三电压的电压值。一般地，第一电压的电压值小于0V，第二电压的电压值为+5V左右，第三电压的电压值为-0.5V至0.5V。在本实施例中，第一电压的电压值为-0.6V，第二电压的电压值为+5V，第三电压的电压值为+0.5V。
综上可知，待放大的信号经信号输入单元301传入级联的信号放大单元306，经级联的信号放大单元306逐级放大后，通过信号输出单元303输出。输入传输线负载单元302、输出传输线负载单元304和工作电压提供单元305分别向信号放大单元306传入第一电压、第二电压和第三电压，以使其工作在放大模式。
第二实施例
本实施例是在实施例一的基础上对其中的输入传输线负载单元302做了进一步优化。在本实施例中，输入传输线负载单元不仅用于传入第一电压，还用于吸收所述输入传输线上剩余的未放大的信号。
图4为本发明第二实施例的分布式放大器电路结构示意图。如图4所示，
优选地，此输入传输线负载单元302包括第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2。第一电容C1的一端连接在输入传输线10的第二端，第一电容C1的另一端接地。第二电阻R2的一端连接在输入传输线10的第二端。第二电容C2的一端连接第二电阻R2的另一端，第二电容C2的另一端接地。
在本实施例的分布式放大器中，输入传输线负载单元302在其第一电容C1的两端并联了第二电阻R2和第二电容C2，作为负载，能够吸收输入传输线10上剩余的未放大的信号。
第三实施例
本实施例是在实施例一的基础上对输出传输线负载单元304做了进一步优化。在本实施例中，输出传输线负载单元305不仅用于传入第二电压，还用于吸收输出传输线20上反向传输的被放大的信号。
图5为本发明第三实施例的分布式放大器电路结构示意图。如图5所示，优选地，此输出传输线负载单元305包括第三电阻R3、第三电容C3、第四电容C4、第一电感Ld1和第二电感Ld2。第三电阻R3的一端连接在输出传输线20的第二端。第三电容C3的一端连接第三电阻R3的另一端，其另一端接地。第一电感Ld1的一端连接在输出传输线20的第二端。第二电感Ld2的一端连接第一电感Ld1的另一端，其另一端传入第二电压。第四电容C4的一端连接第二电感Ld2的一端，其另一端接地。其中，第一电感Ld1的电感值小于第二电感Ld2的电感值。
优选地，第一电感Ld1的电感值为0.1nF至1nF，第二电感Ld2的电感值为3nF至4nF。
在本实施例提供的分布式放大器中，输出传输线负载单元305采用两个级联的第一电感Ld1和第二电感Ld2对射频进行遏止，并设置第四电容C4与串联的第三电容C3和第三电阻R3并联，能够更好吸收在输出传输线20反向端泄漏的输出信号。
在上述实施例中，增强分布式放大器稳定性的原理如下所示：
输入传输线10(微带线)的寄生电感Lg与第一晶体管T1的寄生电容Cgs决定了输入传输线10的截止频率fcg，输出传输线20(微带线)的寄生电感Ld与第二晶体管T2的寄生电容Cds决定了输出传输线20的截止频率fcd，其关系如以下表达式(1)和(2)所示。同时由于第二晶体管T2中存在寄生电阻Ri、Rds，故输入传输线10和输出传输线20存在阻容滤波器截止频率fRCg和fRCd，其表达式如以下表达式(3)和(4)所示。fcg、fcd、fRCg、fRCd这4个截止频率决定了放大器电路的最高工作频率。
图6为上述实施例的第二晶体管寄生电阻Rds与工作频率freq的关系示意图。如图6所示，当分布式放大器的频率工作带宽处于高频带时，第二晶体管T2的寄生电阻Rds随着频率的增加而增加，其关系如图6所示。根据上述表达式(4)可知，当工作在高频段时，由于Rds的增加会出现不稳定的现象。
因此，可以通过降低高频段Rds的值来提高电路的稳定性。具体地，在每两级信号放大单元306的信号输出端40之间的输出传输线20上并联第一电阻R1，用以增强分布式放大器的稳定性。也即，在每两级信号放大单元306的第二晶体管T2的漏极之间的微带传输线上并联有第一电阻R1，使得第二晶体管T2的输出电阻变为第二晶体管T2的寄生电阻Rds与第一电阻R1的并联电阻，从而钳制第二晶体管T2的输出电阻的阻值低于第一电阻R1的阻值，从而使得在高频段第二晶体管T2的输出电阻不会增加，进而增强分布式放大器的稳定性。优选地，第一电阻R1的阻值为100Ω至200Ω，每个第一电阻R1的阻值相同。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种分布式放大器，其特征在于，包括：
信号输入单元，其连接在输入传输线的第一端，用于传入待放大的信号；
输入传输线负载单元，其连接在所述输入传输线的第二端，用于传入第一电压；
信号输出单元，其连接在输出传输线的第一端，用于输出被放大的信号；
输出传输线负载单元，其连接在所述输出传输线的第二端，用于传入第二电压；
工作电压提供单元，其用于传入第三电压；
至少两个级联的信号放大单元，用于对所述待放大的信号进行逐级放大，得到被放大的信号；其中，在每一个所述信号放大单元中：
其信号输入端连接在所述信号输入单元与输入传输线负载单元之间的输入传输线上，用于接收经所述信号输入单元传入的待放大的信号以及接收经所述输入传输线负载单元传入的第一电压；
其信号输出端连接在所述输出传输线负载单元与信号输出单元之间的输出传输线上，用于向所述信号输出单元输出被放大的信号以及接收经所述输出传输线负载单元传入的第二电压；
其控制端连接工作电压提供单元，用于接收经所述工作电压提供单元传入的第三电压；
所述第一电压、第二电压和第三电压设置成使所述信号放大单元工作在放大模式；
其中，在每两级所述信号放大单元的输出端之间的输出传输线上并联有第一电阻，用以增强分布式放大器的稳定性。
2.根据权利要求1所述的分布式放大器，其特征在于，所述输入传输线负载单元还用于吸收所述输入传输线上剩余的未放大的信号。
3.根据权利要求1所述的分布式放大器，其特征在于，所述输出传输线负载单元还用于吸收所述输出传输线上反向传输的被放大的信号。
4.根据权利要求2所述的分布式放大器，其特征在于，所述输入传输线负载单元包括：
第一电容，其一端连接在所述输入传输线的第二端，其另一端接地；
第二电阻，其一端连接在所述输入传输线的第二端；
第二电容，其一端连接所述第二电阻的另一端，其另一端接地。
5.根据权利要求3所述的分布式放大器，其特征在于，所述输出传输线负载单元包括：
第三电阻，其一端连接在所述输出传输线的第二端；
第三电容，其一端连接所述第三电阻的另一端，其另一端接地；
第一电感，其一端连接在所述输出传输线的第二端；
第二电感，其一端连接所述第一电感的另一端，其另一端传入所述第二电压；
第四电容，其一端连接所述第二电感的一端，其另一端接地。
6.根据权利要求5所述的分布式放大器，其特征在于，所述第一电感的电感值小于第二电感的电感值。
7.根据权利要求5或6所述的分布式放大器，其特征在于，所述第一电感的电感值为0.1nF至1nF，所述第二电感的电感值为3nF至4nF。
8.根据权利要求1至6任一项所述的分布式放大器，其特征在于，每个所述第一电阻的阻值相同。
9.根据权利要求1至6任一项所述的分布式放大器，其特征在于，所述信号放大单元包括：
第一晶体管，其栅极为所述信号放大单元的信号输入端，其源极接地；
第二晶体管，其栅极为所述信号放大单元的控制端，其漏极为所述信号放大单元的信号输出端，其源极连接所述第一晶体管的漏极。
10.根据权利要求9所述的分布式放大器，其特征在于，所述工作电压提供单元用于向各级信号放大单元中的第二晶体管的栅极提供相同的第三电压。
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