CN108875203A - 一种插入式的分布式放大器电路及其实现方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种插入式的分布式放大器电路及其实现方法与应用，该分布式放大器电路包括输入传输线和输出传输线，两者均由一种以上的片上互连线结构级连构成；还包括多组并联设置在输入传输线和输出传输线之间的增益单元，每组增益单元插接设置在两相邻片上互连线结构之间，增益单元的输入端与输入传输线相连，增益单元的输出端与输出传输线相连。本发明先进行无源的输入、输出传输路径的设计，后在传输路径上合适的位置插入有源的增益单元电路，从而完成整个分布式放大器电路的设计，避免了无源片上互连元件的重复设计与仿真验证，大幅减少了工作量，提高了设计效率，快速优化了设计效果，具有较好的可重复性和可扩展性。

Description

一种插入式的分布式放大器电路及其实现方法与应用
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种插入式的分布式放大器电路及其实现方法与应用。
背景技术
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信号传输线，从而克服寄生电容造成的增益滚降，能够突破传统放大器的增益带宽积的限制，在很宽频带内（可达多倍频乃至十倍频以上）得到较大的平坦增益，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 （Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路）领域里得到了广泛的应用，并且在射频与微波电路的宽带放大器研究领域中具有重要的学术价值。分布式放大器的应用领域包括高速链接、宽带无线收发器、高分辨率雷达和成像系统等等，军用和民用市场对其需求都很大，譬如Hittite microwave公司的HMC459、HMC464、HMC930和HMC1022等系列芯片就是采用分布式放大器实现的宽带功率放大器。其电路原理图如图1所示，其中VDD为电源电压，VG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，信号输入传输线和信号输出传输线均为低通滤波器结构。
随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统的工作频率不断提升、工作频带不断增大，对通信系统的数据传输率、带宽以及宽带功率放大器的带宽、输出功率均提出了较高的要求。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。此外，传统的分布式放大器设计方法是以有源电路设计为主，以无源电路设计为辅，即选择好电路架构之后先进行有源增益单元电路的设计，再设计合适的无源片上电感来配合有源增益单元电路，从而完成整个电路的设计。由于微波集成电路中片上电感的设计与建模要求很高（尤其在毫米波频段以上），传统设计方法中电感建模的工作量很大，且电路的设计优化非常困难，电路设计者必须不断地通过电磁仿真和电路仿真实验调试整个电路，以期获得更好的电路性能，且很难判断电路是否已经优化到最佳状态，上述缺陷制约了分布式放大器的发展及应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种插入式的分布式放大器电路及其实现方法与应用，该分布式放大器电路插入式的设计及实现方法，大幅减少了工作量，提高了设计效率，快速优化了设计效果，还具有较好的可重复性和可扩展性。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种插入式的分布式放大器电路，包括输入传输线和输出传输线，所述输入传输线和输出传输线均由片上互连线结构级连构成，所述片上互连线结构具有一种以上的结构；所述分布式放大器电路还包括多组并联设置在所述输入传输线和输出传输线之间的增益单元，每组所述增益单元插接设置在两相邻所述片上互连线结构之间，所述增益单元的输入端与所述输入传输线相连，所述增益单元的输出端与所述输出传输线相连。
进一步地，所述片上互连线结构包括矩形曲折线结构、二阶曲折线结构、矩形螺旋型结构、圆形曲折线结构或圆形矩形螺旋型结构。
进一步地，所述输入传输线和输出传输线的接地端均设置有终端负载。
进一步地，所述增益单元的电路结构包括共源级结构、共源共栅结构、峰化共源共栅结构或单转双结构。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的插入式的分布式放大器电路的实现方法，包括如下步骤：S1）片上互连线结构的设计与建模；S2）片上互连线传输路径的设计与建模；S3）增益单元电路的设计与建模；S4）确定插入增益单元的位置；S5）整体电路版图的设计；S6）整体电路的电磁电路仿真验证；S7）流片加工。
进一步地，步骤S1-S3中所述建模均包括数学模型和/或等效电路模型的建立。
进一步地，步骤S5、步骤S6中分别采用集成电路版图设计软件进行设计、仿真验证。
第三方面，本发明提供如第一方面所述的分布式放大器电路的用途，即将该分布式放大器电路应用于一维分布式放大器、二维分布式放大器或矩阵分布式放大器中对信号进行放大和传输。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过先进行片上无源互连线结构的建模与设计，再进行有源增益单元电路设计的方式，避免了无源片上互连元件的重复设计与仿真验证，大幅减少了工作量，提高了设计效率；
由于增益单元电路的插入位置是有限的，因此电路的优化范围是明确的，提高了设计效率，快速优化了设计效果；
由于电路中的信号传输路径是由结构固定的片上互连线结构级联而成，因此电路具有更好的可重复性和可扩展性。
附图说明
图1为传统的分布式放大器电路结构图；
图2中a- d为四种增益单元的电路结构图；
图3为本发明分布式放大器的电路结构示意图；
图4中a-e为五种片上互连线结构图；
图5为本发明分布式放大器电路的实现方法流程图；
图6为本发明实施例1的电路结构示意图；
图7为本发明实施例2的电路结构示意图；
图8为本发明实施例3的电路结构示意图；
图9为本发明实施例4的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
如图3所示，一种插入式的分布式放大器电路，包括输入传输线和输出传输线，所述输入传输线和输出传输线均由若干个有限的片上互连线结构连接构成，所述片上互连线结构具有一种以上的结构其中，即构成输入传输线和构成输出传输线的片上互连线结构可以相同也可以不同，构成同一输入传输线或输出传输线的多个片上互连线结构可以相同也可以不同。片上互连线结构可以采用图4中的任意一种结构，包括但不限于矩形曲折线结构、二阶曲折线结构、矩形螺旋型结构、圆形曲折线结构或圆形矩形螺旋型结构。
图3中示出，该分布式放大器电路还包括多组并联设置在输入传输线和输出传输线之间的增益单元，且每组增益单元插接设置在两相邻片上互连线结构之间，所述增益单元的输入端与所述输入传输线相连，所述增益单元的输出端与所述输出传输线相连。所述输入传输线和输出传输线的接地端均设置有终端负载。
增益单元的电路结构见图2，其中，a为共源级结构，b为共源共栅（cascode）结构，c为峰化共源共栅结构，d为单转双结构。增益单元的电路结构可以采用图2中的任意一种，但又不限于图2中的这四种结构，可以根据设计或使用要求选用增益单元电路的其它结构，需要说明的是，同一分布式放大器电路一般采用同一种增益单元电路结构。
本发明的分布式放大器电路可看作是在无源的输入、输出两条传输路径上的合适位置处插入有源的增益单元电路而构成，即将分布式放大器看作一个对信号进行放大和传输的分布式网络，片上互连线结构构成了信号传输的路径，而增益单元电路则是该网络中对信号进行放大的节点。
基于此，本发明还提供了一种插入式的分布式放大器电路的实现方法，其基本原理是以无源电路设计为主、以有源电路设计为辅，即先进行无源的传输路径（包括输入和输出）的设计，而后在传输路径上合适的位置插入有源的增益单元电路，从而完成整个分布式放大器电路的设计，包括如下步骤：S1）片上互连线结构的设计与建模；S2）片上互连线传输路径的设计与建模；S3）增益单元电路的设计与建模；S4）确定插入增益单元的位置；S5）整体电路版图的设计；S6）整体电路的电磁电路仿真验证；S7）流片加工。如图5所示，步骤说明如下：
步骤①为片上互连线结构的设计与建模，包括对片上互连线形状的设计，以及数学模型或等效电路模型的建立；其中形状的设计需要考虑集成电路工艺的可制造性，可采用图4中的片上互连线结构，图4中，a为矩形曲折线结构、b为二阶曲折线结构、c为矩形螺旋型结构、d为圆形曲折线结构、e为圆形矩形螺旋型结构，需要说明的是，片上互连线结构可以仅采用上述一种结构，也可以采用上述结构的组合；此外，片上互连线结构又不局限于图4中的这五种结构，可以根据设计或使用要求选用其它类型的结构。
步骤②片上互连线传输路径的设计与建模，包括对片上互连线传输路径结构的设计，以及数学模型或等效电路模型的建立；其中模型可采用步骤①中的片上互连线结构的模型进行建立。
步骤③增益单元电路的设计与建模，包括对增益单元电路结构的选择和元器件尺寸的设计，以及数学模型或等效电路模型的建立；其中增益单元电路结构可采用图2中的增益单元电路结构或其它结构，建模是通过电路仿真结合模拟电路理论来实现的。
步骤④确定插入增益单元的位置，基于电路的性能指标要求，根据电路设计者的设计经验，或是建立电路性能的优化模型并通过优化算法以确定增益单元的插入位置。
步骤⑤整体电路版图的设计，通过集成电路版图设计软件进行整体电路版图的设计。
步骤⑥整体电路的电磁电路仿真验证，通过集成电路版图设计软件进行电路版图参数的后提取，并结合片上互连线传输路径的电磁仿真结果进行整体电路的电磁电路仿真验证。
步骤⑦流片加工，完成电路设计后，将电路版图交由代工厂进行加工制造。
通过上述插入式的分布式放大器电路的实现方法，可以设计出各种不同结构的分布式放大器电路，其中，片上互连线结构可以采用图4中的任意一种结构，或者其组合结构。
实施例1：均匀结构
均匀结构的分布式放大器电路是最基本、也是最常用的一种分布式放大器电路结构，其实现方式如图6所示，其中的增益单元选自同一种增益单元电路结构。
实施例2：非均匀结构
非均匀结构的分布式放大器一般是用于宽带功率放大器的设计中，其实现方式如图7所示，其中增益单元可采用尺寸不同的晶体管来实现，甚至可采用不同的放大器结构来实现。
实施例3：级联结构
多级级联结构的分布式放大器一般用于需要大增益和输出功率的工况下，其实现方式如图8所示。第一级分布式放大器主要实现信号预放大的功能，因此可以采用相同的增益单元，并且晶体管尺寸应适当减小以实现宽带的阻抗匹配，而第二级分布式放大器主要实现大功率输出，因此可采用变化的增益单元结构。第一、二级分布式放大器之间连接有级间缓冲器。
实施例4：单转双结构
单转双结构使得分布式放大器具有将单端输入信号转换为双路输出信号的功能，其实现方式如图9所示。
本发明还提供一种插入式的分布式放大器电路的用途，将该分布式放大器电路应用于一维分布式放大器、二维分布式放大器或矩阵分布式放大器中，对信号进行放大和传输。
本发明通过先进行片上无源互连线结构的建模与设计，再进行有源增益单元电路设计的方式，避免了无源片上互连元件的重复设计与仿真验证，大幅减少了工作量，提高了设计效率；由于增益单元电路的插入位置是有限的，因此电路的优化范围是明确的，提高了设计效率，快速优化了设计效果；由于电路中的信号传输路径是由结构固定的片上互连线结构级联而成，因此本发明的电路具有更好的可重复性和可扩展性。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (8)

1.一种插入式的分布式放大器电路，包括输入传输线和输出传输线，所述输入传输线和输出传输线均由片上互连线结构级连构成，所述片上互连线结构具有一种以上的结构，其特征在于：所述分布式放大器电路还包括多组并联设置在所述输入传输线和输出传输线之间的增益单元，每组所述增益单元插接设置在两相邻所述片上互连线结构之间，所述增益单元的输入端与所述输入传输线相连，所述增益单元的输出端与所述输出传输线相连。
2.根据权利要求1所述的一种插入式的分布式放大器电路，其特征在于：所述片上互连线结构包括矩形曲折线结构、二阶曲折线结构、矩形螺旋型结构、圆形曲折线结构或圆形矩形螺旋型结构。
3.根据权利要求1所述的一种插入式的分布式放大器电路，其特征在于：所述输入传输线和输出传输线的接地端均设置有终端负载。
4.根据权利要求1所述的一种插入式的分布式放大器电路，其特征在于：所述增益单元的电路结构包括共源级结构、共源共栅结构结构、峰化共源共栅结构或单转双结构。
5.权利要求1所述的一种插入式的分布式放大器电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：S1）片上互连线结构的设计与建模；S2）片上互连线传输路径的设计与建模；S3）增益单元电路的设计与建模；S4）确定插入增益单元的位置；S5）整体电路版图的设计；S6）整体电路的电磁电路仿真验证；S7）流片加工。
6.根据权利要求5所述的一种插入式的分布式放大器电路的实现方法，其特征在于：步骤S1-S3中所述建模均包括数学模型和/或等效电路模型的建立。
7.根据权利要求5所述的一种插入式的分布式放大器电路的实现方法，其特征在于：步骤S5、步骤S6中分别采用集成电路版图设计软件进行设计、仿真验证。
8.权利要求1所述的一种插入式的分布式放大器电路的用途，其特征在于：将该分布式放大器电路应用于一维分布式放大器、二维分布式放大器或矩阵分布式放大器中对信号进行放大和传输。
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