CN107634729A - 一种多倍频程超宽带放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多倍频程超宽带放大器电路，包括三个晶体管堆叠的共源‑共栅结构、有源‑无源混合型偏置电路及电源VDD，其中，共源‑共栅结构中的三个晶体管分别为晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3，晶体管M1栅极、晶体管M2栅极、晶体管M3栅极及有源‑无源混合型偏置电路均与电源VDD连接，晶体管M1源极接地，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M3栅极通过电容C3接地。晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，其漏极与晶体管M3源极连接，晶体管M3漏极与有源‑无源混合型偏置电路连接。本发明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

一种多倍频程超宽带放大器电路

技术领域

本发明涉及无线射频通信技术领域，具体是一种多倍频程超宽带放大器电路。

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，宽带收发机应用越来越广泛。传统的宽带收发机采用多个分别覆盖不同频段的接收机并联起来共同实现宽带覆盖，由于使用不同频段的接收机，同一类型的通用模块(如低噪声放大器、功率放大器等)会存在多块，这导致设备的体积、成本和功耗都大幅提升，可靠性显著降低，限制了宽带收发机的推广应用。此外，当前各种系统的功能集成度越来越高，某一系统往往集成了多个功能系统。在民用方面，以手机为例，它同时集成了3G、4G、蓝牙、导航等功能。而在军事领域，一般各作战平台上都集合了雷达、电子战、导航、识别、制导等不同功能系统。多功能集成致使设备和仪器对其中的某些通用模块需求量巨大的同时，由于系统中同一通用模块会存在多块(对应不同频段功能系统)，在造成仪器设备的体积和成本大幅提高的同时，可靠性和机动性明显降低。

采用单一接收机覆盖所有需要的频带，可以使宽带收发机有效避免上述问题。放大器(包括功率放大器和低噪声放大器)作为宽带收发机的核心模块，是研究、设计和实现宽带接收机的关键所在。因此，开展宽带放大器研究，无论是在军事领域还是在民用领域都有迫切需求。

当前报道的宽带放大器除了分布式结构外，绝大多数宽带放大器的低频端都是从几吉赫兹(GHz)开始，倍频程都小于50(倍频程为放大器带宽的高频端与低频端之比)。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，提供一种多倍频程超宽带放大器电路，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：一种多倍频程超宽带放大器电路，包括三个晶体管堆叠的共源-共栅结构、有源-无源混合型偏置电路及电源VDD，所述共源-共栅结构中的三个晶体管分别为晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3，所述晶体管M1栅极、晶体管M2栅极、晶体管M3栅极及有源-无源混合型偏置电路均与电源VDD连接，晶体管M1源极接地，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M3栅极通过电容C3接地；所述晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，其漏极与晶体管M3源极连接，所述晶体管M3漏极与有源-无源混合型偏置电路连接；所述晶体管M1的栅极连接有输入端口，晶体管M3漏极与有源-无源混合型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，具体表现为栅极到源极的电容导致输入匹配网络在低频时具有较大值，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。本发明采用晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3堆叠构成共源-共栅结构，使得本发明应用时能减小米勒电容对高频增益的影响，从而实现高频带宽的拓展，同时提高输出电压摆幅。

本发明应用时，信号由输入端口输入，经过三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，一种多倍频程超宽带放大器电路，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R6，所述反馈电路两端分别与晶体管M1栅极和晶体管M2漏极连接。其中，电容C1的作用是阻隔直流信号，本发明通过反馈电路能降低输入匹配网络的品质因数(即减小栅极到源极寄生电容的影响)，实现宽带放大器电路带宽向低频端的拓展。

进一步的，一种多倍频程超宽带放大器电路，还包括峰化电感，所述峰化电感包括电感L3和电感L4，所述电感L3连接于晶体管M2漏极与晶体管M3源极之间的线路上，所述电感L4连接于晶体管M3漏极与输出端口之间的线路上。峰化电感的作用是补偿由于漏极到源极电容的存在导致的电路的输出阻抗随频率降低(即漏极到源极的寄生电容导致的快速高频增益滚降)，从而实现放大器电路工作高频带宽的拓展。

进一步的，一种多倍频程超宽带放大器电路，还包括输入匹配电路，所述输入匹配电路包括电感L1和电感L2，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，所述电感L2串接于晶体管M1源极与地之间的线路上。输入匹配电路的作用是保证本发明具有良好的输入回波损耗，其中，电感L2的作用是提高高频的稳定性，同时使电路的高频端实现更好的匹配。

进一步的，所述有源-无源混合型偏置电路包括晶体管M4、电感L5及电阻R8，所述晶体管M4漏极与电源VDD连接，电感L5两端分别与晶体管M4源极和输出端口连接，电阻R8两端分别与晶体管M4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。混合型偏置电路的引入即为了克服传统偏置电路的不足，该电路从低频接近直流到高频超过几十GHz范围内具有良好的扼流特性。同时，当该电路结构作为负载使用时，可以通过调节晶体管的栅极和漏极之间的电阻调节其阻抗值。

进一步的，一种多倍频程超宽带放大器电路，还包括电阻分压网络，所述电阻分压网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述的电阻R1一端接地，其另一端与晶体管M1的栅极连接；所述电阻R2、电阻R3及电阻R4依次串联，电阻R2相对连接电阻R3端的另一端与电阻R1和晶体管M1栅极形成的节点连接，电阻R4相对连接电阻R3端的另一端与电源VDD连接；所述晶体管M2的栅极串接一个电阻后连接于电阻R2与电阻R3之间的线路上，所述晶体管M3的栅极串接一个电阻后连接于电阻R3与电阻R4之间的线路上；所述晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3均通过连接在电阻分压网络上与电源VDD连接。其中，晶体管M2和晶体管M3的栅压分别通过一个电阻R7后施加，是由于晶体管的栅极电流很小，几乎可以忽略。本发明引入电阻分压网络的目的是减小电路使用中需要的直流电源数量，进而减小复杂度。

进一步的，一种多倍频程超宽带放大器电路，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：由于引入和结合了多种带宽拓展技术，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，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却远优于分布式结构。此外，提出的电路拓扑同时将偏置电路集成在片上，便于在实际中运用。

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，一种多倍频程超宽带放大器电路，包括输入匹配电路、三个晶体管堆叠的共源-共栅结构、反馈电路、峰化电感、有源-无源混合型偏置电路、电阻分压网络及电源VDD，其中，本实施例中共源-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-共栅结构中的三个晶体管分别为晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3，晶体管M1栅极、晶体管M2栅极、晶体管M3栅极及有源-无源混合型偏置电路均与电源VDD连接，晶体管M1源极接地，作为共源-共栅结构的要求，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M3栅极通过电容C3接地。本实施例的晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，其漏极与晶体管M3源极连接，晶体管M3漏极与有源-无源混合型偏置电路连接。本实施例的晶体管M1的栅极连接有输入端口，晶体管M3漏极与有源-无源混合型偏置电路之间的线路上设有输出端口。本实施例通过引入了三个晶体管堆叠的共源-共栅结构，减小了晶体管M1栅极到漏极的寄生电容(即米勒电容)对高频增益的影响，从而实现高频带宽的拓展。此外，该结构使电路具有较大的输出电阻，同时提高输出电压摆幅。

本实施例的反馈电路包括电容C1及与电容C1串连的电阻R6，反馈电路两端分别与晶体管M1栅极和晶体管M2漏极连接。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。

本实施例的峰化电感包括电感L3和电感L4，其中，电感L3连接于晶体管M2漏极与晶体管M3源极之间的线路上，电感L4连接于晶体管M3漏极与输出端口之间的线路上。本实施例通过引入了两个峰化电感，在本实施例应用时，电感L3与晶体管M2的漏极到源极的寄生电容发生谐振，并通过电感L4与晶体管M3的漏极到源极的寄生电容发生谐振，达到减小晶体管M2和晶体管M3的漏极到源极之间的寄生电容对放大器高频带宽拓展的限制。

本实施列的输入匹配电路包括电感L1和电感L2，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，电感L2串接于晶体管M1源极与地之间的线路上。电感L2的作用是提高电路高频段的稳定性，同时使电路的高频端实现更好的匹配。具体的，由于电感L2与晶体管M1的栅极到源极的寄生电容串联，可以部分抵消晶体管M1的栅极到源极的寄生电容的影响。此外，电感L2可以增加晶体管输入阻抗的实部，减小输入阻抗的品质因数(高品质因数是限制放大器电路工作带宽向低频拓展的主要因素)。

本实施例的有源-无源混合型偏置电路包括晶体管M4、电感L5及电阻R8，所述晶体管M4漏极与电源VDD连接，电感L5两端分别与晶体管M4源极和输出端口连接，电阻R8两端分别与晶体管M4的栅极和漏极连接。其中，电感L4的作用是增加偏置电路对高频信号的扼流效果。同时，当该有源-无源混合型偏置电路结构作为负载使用时，可以通过调节晶体管的栅极和漏极之间的电阻调节其阻抗值，有源-无源混合型偏置电路的引入是为了小型化的将偏置电路集成到芯片上。

本实施例的电阻分压网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，其中，电阻R1一端接地，其另一端与晶体管M1的栅极连接。电阻R2、电阻R3及电阻R4依次串联，电阻R2相对连接电阻R3端的另一端与电阻R1和晶体管M1栅极形成的节点连接，电阻R4相对连接电阻R3端的另一端与电源VDD连接。晶体管M2的栅极串接电阻R5后连接于电阻R2与电阻R3之间的线路上，晶体管M3的栅极串接电阻R7后连接于电阻R3与电阻R4之间的线路上。晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3均通过连接在电阻分压网络上与电源VDD连接。

本实施例在实际使用中，如果能够提供多个直流电源，也可以将电阻分压网络去掉，直接通过电阻R1、电阻R5和电阻R7分别给晶体管M1、晶体管M2和晶体管M3的栅极加偏压。

本实施例的基本思想是在提出的电路中同时使用多种消除寄生电容对带宽限制的方法，实现多倍频程的超宽带放大器。

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，包含了第一级多倍频程超宽带放大器电路单元、第二级多倍频程超宽带放大器电路单元和第三级多倍频程超宽带放大器单元，图3是图2所示框图对应的电路原理图。如图3所示，第一级多倍频程超宽带放大器电路单元、第二级多倍频程超宽带放大器电路单元和第三级多倍频程超宽带放大器单元各包含了一个图1所示的放大器电路。第一级多倍频程超宽带放大器电路单元和第二级多倍频程超宽带放大器电路单元之间、第二级多倍频程超宽带放大器电路单元和第三级多倍频程超宽带放大器电路单元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，采用本实施公开的多倍频程超宽带放大器单元电路实现的三级级联放大器实现了0.5MHz到大于60GHz的带宽，即放大器的带宽超过了工艺中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，证明了提出的电路结构的有效性。

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 (7)

1.一种多倍频程超宽带放大器电路，其特征在于，包括三个晶体管堆叠的共源-共栅结构、有源-无源混合型偏置电路及电源VDD，所述共源-共栅结构中的三个晶体管分别为晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3，所述晶体管M1栅极、晶体管M2栅极、晶体管M3栅极及有源-无源混合型偏置电路均与电源VDD连接，晶体管M1源极接地，晶体管M2栅极通过电容C2接地，晶体管M3栅极通过电容C3接地；所述晶体管M2源极与晶体管M1漏极连接，其漏极与晶体管M3源极连接，所述晶体管M3漏极与有源-无源混合型偏置电路连接；所述晶体管M1的栅极连接有输入端口，晶体管M3漏极与有源-无源混合型偏置电路之间的线路上设有输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，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R6，所述反馈电路两端分别与晶体管M1栅极和晶体管M2漏极连接。

3.根据权利要求1所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，其特征在于，还包括峰化电感，所述峰化电感包括电感L3和电感L4，所述电感L3连接于晶体管M2漏极与晶体管M3源极之间的线路上，所述电感L4连接于晶体管M3漏极与输出端口之间的线路上。

4.根据权利要求1所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，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和电感L2，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，所述电感L2串接于晶体管M1源极与地之间的线路上。

5.根据权利要求1所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，其特征在于，所述有源-无源混合型偏置电路包括晶体管M4、电感L5及电阻R8，所述晶体管M4漏极与电源VDD连接，电感L5两端分别与晶体管M4源极和输出端口连接，电阻R8两端分别与晶体管M4的栅极和漏极连接。

6.根据权利要求1所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，其特征在于，还包括电阻分压网络，所述电阻分压网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述的电阻R1一端接地，其另一端与晶体管M1的栅极连接；所述电阻R2、电阻R3及电阻R4依次串联，电阻R2相对连接电阻R3端的另一端与电阻R1和晶体管M1栅极形成的节点连接，电阻R4相对连接电阻R3端的另一端与电源VDD连接；所述晶体管M2的栅极串接一个电阻后连接于电阻R2与电阻R3之间的线路上，所述晶体管M3的栅极串接一个电阻后连接于电阻R3与电阻R4之间的线路上；所述晶体管M1、晶体管M2及晶体管M3均通过连接在电阻分压网络上与电源VDD连接。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种多倍频程超宽带放大器电路，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。