CN107896094A - 一种分布式放大器电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分布式放大器电路，由多个相同的晶体管级联而成，输入信号沿着晶体管栅极传播，每个晶体管将信号放大并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波，在栅极传输线与栅极之间设置一个串联电容C，所述串联电容C和晶体管内部的栅源电容C_gs合并成一个新的电容C_GS，构成了新的晶体管模型。本发明根据输入端的栅极衰减系数与晶体管栅源电容成正比的关系，通过在晶体管的栅极串联一个电容，变相的降低了栅源电容，进而减小了输入端的栅极衰减系数，从而使得放大器的增益和效率得到了提高。

Description

一种分布式放大器电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种分布式放大器电路，还涉及一种分布式放大器实现方法。

背景技术

分布式放大器的主要优势在于应用在MMIC(单片微波集成电路) 设计技术领域，在简单的拓扑电路基础上，能获得极宽的工作带宽，而且其性能优异，是需求非常广的一种电路，在微波测量仪器、数字光纤通信和电子战争中有着广泛的应用。

分布式放大器的电路形式如图1所示，它是由多个相同的晶体管级联而成，输入信号沿着栅极传播，每个晶体管放大信号并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波。选择适当的传播常数以及栅极和漏极传输线的长度使得各个晶体管的输出信号同相叠加。在栅极和漏极传输线的终端各放置一个负载，用于吸收反向行波。

在分布式放大器结构中，晶体管的栅源电容和漏源电容都可以看作是栅极和漏极传输线的组成部分，如果设计合理，使输入传输线和输出传输线传播相位一致，就能使信号传播过程中由晶体管逐次放大，从而构成理论上没有频率限制的微波放大器，因而可以实现很宽的工作带宽。

在理想无耗的情况下，分布式放大器的增益为：

其中N为晶体管的级数，g_m为管子的跨导，Z_g与Z_d分别代表栅极传输线与漏极传输线的特征阻抗。可见，在理想情况下，增益随着晶体管级数N的增加而增加。但是在实际情况中，由于受到栅极和漏极传输线等损耗的限制，分布式放大器的增益在N→∞时接近于零。对于传统的分布式放大器，其增益一般限制为7～14dB。

上述提到，理论上，分布式放大器的增益随着晶体管数N的增加而增加，但实际情况中，增益在N→∞时却接近于零，也就是说，在晶体管增加到一定的数目后，增益就不再增加而是降低了，即晶体管增加到一定数目后，衰减变成了起主要作用的因素。因此，分布式放大器的增益因为受到衰减的因素达到了极限，不能再提高了，放大器的增益受限导致了输出功率的受限，最终反映的结果就是效率不高。

发明内容

为解决传统的分布式放大器效率低下的问题，本发明提出了一种分布式放大器电路及其实现方法，提高了分布式放大器的性能，扩大了分布式放大器的应用前景。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种分布式放大器电路，由多个相同的晶体管级联而成，输入信号沿着晶体管栅极传播，每个晶体管将信号放大并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波，在栅极传输线与栅极之间设置一个串联电容C，所述串联电容C和晶体管内部的栅源电容C_gs合并成一个新的电容C_GS，构成了新的晶体管模型，新的晶体管栅源电容C_GS如下：

C_GS＝CC_gs/(C+C_gs)。

可选地，与所述串联电容C并联一个电阻R用于偏置加电。

本发明还提出了一种分布式放大器实现方法，将多个相同的晶体管级联，输入信号沿着晶体管栅极传播，每个晶体管将信号放大并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波，在栅极传输线与栅极之间增加一个串联电容C，串联电容C和晶体管内部的栅源电容 C_gs合并成一个新的电容C_GS，构成了新的晶体管模型，新的晶体管栅源电容C_GS如下：

C_GS＝CC_gs/(C+C_gs)。

可选地，所述串联电容C还并联有一个电阻R用于偏置加电。

本发明的有益效果是：

通过在晶体管的栅极串联一个电容，变相的降低了栅源电容，进而减小了输入端的栅极衰减系数，从而使得放大器的增益和效率得到了提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的分布式放大器的原理图；

图2为晶体管的小信号模型示意图；

图3为本发明所提出的新的晶体管小信号模型示意图；

图4为本发明的分布式放大器电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

从现有设计电路存在的问题看，导致分布式放大器效率低的原因是随着晶体管数目的增加，衰减占据了主要因素，因此，本发明定位于如何将衰减尽量减小，从而提高放大器的效率。

为了尽量将衰减减小，首先需要分析影响衰减的因素，衰减主要是受到栅极和漏极传输线等损耗的影响，而其中栅极传输线的损耗影响尤其大，由于栅极的损耗很大，导致输入功率对晶体管的驱动能力变小，从而降低了放大器的增益和输出功率，最终使得放大器的输出功率变小，效率降低。因此，需要将栅极的损耗尽量减小，从而提高放大器的效率。

栅极损耗主要由传输线损耗和被视作栅极传输线的晶体管栅源电容组成，传输线的损耗基本无法减小，那么解决栅极损耗问题的关键就在于晶体管的栅源电容，而栅源电容与衰减系数有一定的比例关系。

简化的晶体管小信号模型如图2所示，栅极的衰减系数α_g如下，

其中，Z_g是栅极传输线的特征阻抗，R_g是栅极的输入电阻，C_gs是栅源电容，要降低栅极的衰减量，需要从衰减系数的公式出发，减小三个变量的数值即可减小衰减系数，但是栅极传输线的特征阻抗基本是一个固定值，栅极的输入电阻和栅源电容是晶体管内部的参数，无法改动。

针对这个问题，本发明提出一种新的分布式放大器电路，将一个串联电容C加到晶体管的栅极，这样，串联电容C和晶体管内部的栅源电容C_gs就合并成了一个新的电容C_GS，从而构成了新的晶体管模型，如图3所示，新晶体管的栅源电容C_GS如下：

C_GS＝CC_gs/(C+C_gs) (2)

从公式2可知，新的C_GS要小于原先的C_gs，这样栅极的衰减系数就相应的减小了，栅极的衰减量也就随之减小，放大器的增益和输出功率就会增加，那么放大器的效率就相应的得到了提高。

比如，当C与C_gs同等大小，那么C_GS＝0.5*C_gs，相应的，衰减系数就变为：

可以看出，与公式(1)中栅极的衰减系数相比，本发明所提出的分布式放大器电路的衰减系数大大减小。

在栅极增加一个电容后的分布式放大器电路形式如图4，在栅极传输线与栅极之间增加一个电容C，与电容C并联的电阻R是为了偏置加电而附加的。

根据栅极的衰减系数与栅源电容成正比的关系，通过减小栅极的栅源电容，从而减小衰减系数，达到降低栅极衰减的目的。

本发明通过在栅极串联一个电容的方式，构建一个新的晶体管，新晶体管的栅源电容相比原先的值大大的减小了，因而减小了衰减系数。

本发明提出了一种新型的设计分布式放大器的电路及方法，根据输入端的栅极衰减系数与晶体管栅源电容成正比的关系，通过在晶体管的栅极串联一个电容，变相的降低了栅源电容，进而减小了输入端的栅极衰减系数，从而使得放大器的增益和效率得到了提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式放大器电路，其特征在于，由多个相同的晶体管级联而成，输入信号沿着晶体管栅极传播，每个晶体管将信号放大并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波，在栅极传输线与栅极之间设置一个串联电容C，所述串联电容C和晶体管内部的栅源电容C_gs合并成一个新的电容C_GS，构成了新的晶体管模型，新的晶体管栅源电容C_GS如下：

C_GS＝CC_gs/(C+C_gs)。

2.如权利要求1所述的一种分布式放大器电路，其特征在于，与所述串联电容C并联一个电阻R用于偏置加电。

3.一种分布式放大器实现方法，其特征在于，将多个相同的晶体管级联，输入信号沿着晶体管栅极传播，每个晶体管将信号放大并将输出信号馈入漏极，从而在漏极传输线上构成行波，在栅极传输线与栅极之间增加一个串联电容C，串联电容C和晶体管内部的栅源电容C_gs合并成一个新的电容C_GS，构成了新的晶体管模型，新的晶体管栅源电容C_GS如下：

C_GS＝CC_gs/(C+C_gs)。

4.如权利要求1所述的一种分布式放大器实现方法，其特征在于，所述串联电容C还并联有一个电阻R用于偏置加电。