CN109150122B - 一种可重构的分布式放大器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可重构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；所述分布式放大器电路还耦接有重置结构。本发明能够在不改变电路主体结构的基础上，实现电路结构的小型化和多功能集成化，实现放大器工作频带、增益、线性度以及噪声等的性能重构，具有低功耗和低成本的优势。

Description

一种可重构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，特别涉及一种可重构的分布式放大器电路。
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LGi和增益单元的输入阻抗构成了输入人工传输线，片上电感LDi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，现已研究出很多不同结构的分布式放大器电路，比如级联结构、矩阵结构和合并人工传输线结构等，与以往相比，分布式放大器电路的增益、频带、噪声以及输出功率等性能都已大幅提升，但通信标准的多元化趋势对通信系统的硬件提出了更高的要求，传统的频带固定、功能单一的微波集成电路已不能满足5G、WiGig以及E-band等下一代无线通信的发展需求。目前，具有可重构特性的分布式放大器电路还较少少。因此，如何在现有微波集成电路的基础上进行重构改进，在不改变电路主体结构的基础上，能够实现放大器工作频带、增益、线性度以及噪声等性能的可重构，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题；如何使得分布式放大器兼具小型化和多功能集成化的特性，成为本领域人员研究和开发的重点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可重构的分布式放大器电路，能够在不改变电路主体结构的基础上，实现电路结构的小型化和多功能集成化。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：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；所述分布式放大器电路还耦接有重置结构。
进一步地，所述重置结构包括开关阵列、可调偏置模块或可重构的匹配网络电路中的至少一种。
进一步地，所述开关阵列包括分别耦接在各所述增益单元输入端、输出端的第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关均为包括至少两个触点的多控开关。
进一步地，所述可调偏置模块设置在所述增益单元上、并与所述增益单元耦合连接。
进一步地，所述输入传输线和所述输出传输线两端的片上互连线结构前均连接有耦合电容。
进一步地，所述可重构的匹配网络电路耦接在所述输入传输线的信号输入端、并与所述耦合电容串联。
进一步地，所述片上互连线结构具有一种以上的结构，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。
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。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明能够在不改变电路主体结构的基础上，实现电路结构的小型化和多功能集成化，可实现放大器工作频带、增益、线性度以及噪声等的性能重构，具有低功耗和低成本的优势。
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为本发明可重构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为本发明采用图2a结构的增益单元的跨导特性和输入偏置电压之间的关系图；
图6为本发明采用图2b或图2c结构的增益单元的跨导特性和输入偏置电压之间的关系图；
图7为本发明采用开关技术改变匹配网络的结构示意图；
图8为本发明采用二极管结构改变匹配网络中器件电特性的结构示意图。
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，一种可重构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级连构成，所述片上互连线结构具有一种以上的结构，即构成输入传输线和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。
如图3所示，本发明提供的可重构的分布式放大器电路还耦接有重置结构，所述重置结构包括开关阵列、可调偏置模块或可重构的匹配网络电路中的至少一种。上述三种重置结构中，开关阵列和可调偏置模块会同时影响放大器的多种性能，因此在实际设计中需要根据电路可重构功能的设计要求，选择所采用的重置结构，可以只采用一种重置结构，也可以采用两种或者三种重置结构的组合。其中：
开关阵列包括第一开关和第二开关，第一开关A1、A2…An耦接在各增益单元的输入端，第二开关B1、B2…Bn耦接在各增益单元的输出端。所述第一开关和第二开关均为包括至少两个触点的多控开关，通过不同开关触点的连接形成开关阵列组合，从而改变增益单元电路与级联的片上互连线结构之间的连接位置，实现放大器工作频带、增益以及线性度的可重构，满足不同电路的功能设计需求。
图3中示出，与输入传输线两端部连接的第一开关分别为A1和An，在本实施例中，两者均设置有三个触点，分别为A1a、A1b、A1c和Ana、Anb、Anc，与输入传输线中部连接的第一开关A2设置有A2a、A2b、A2c、A2d四个触点；与输出传输线两端部连接的第二开关分别为B1和Bn，两者均设置有三个触点，分别B1a、B1b、B1c和Bna、Bnb、Bnc，与输出传输线中部连接的第二开关B2设置有B2a、B2b、B2c、B2d四个触点。
通过上述开关与其上不同触点的接触，直接影响引入电路中的片上互连线结构的数量、类型及增益单元电路的连接位置等，可以满足不同电路的多种功能设计需求。例如，当第一开关A1接通A1a触点且第二开关B1接通B1a触点时，信号主要经过输入传输线输入端的1个片上互连线结构并流经1组增益单元，后经输出传输线上N-1个片上互连线结构输出该电路(假设输出传输线上共设有N个片上互连线结构)；当第一开关A1接通A1b触点且第二开关B1接通B1a触点时，信号主要经过输入传输线输入端的2个片上互连线结构并流经1组增益单元，后经输出传输线上N-1个片上互连线结构输出该电路；当第一开关A1接通A1b触点且第二开关B1接通B1b触点时，信号主要经过输入传输线输入端的2个片上互连线结构并流经1组增益单元，后经输出传输线上N-2个片上互连线结构输出该电路，以此类推，形成开关阵列组合，构成多种具备不同功能的分布式放大器电路，从而实现放大器工作频带、增益以及线性度的可重构，成本较低，满足不同电路的功能设计需求。
此外，将可调偏置模块设置在所述增益单元上、并与所述增益单元耦合连接，通过增加可调偏置模块以改变增益单元电路的偏置电压或电流，进而改变增益单元电路的信号放大能力、噪声和线性度。增益单元的输出电流io和输入偏置电压vin之间存在如下的关系式：
Figure BDA0001749598430000051
其中：gm为增益单元的跨导增益，g′m为io关于vin的二阶导数，g″m为io关于vin的三阶导数。根据射频电路理论，gm越大则放大器增益越大，而在gm一定的情况下，g″m越小则放大器的线性度越好。图5为本发明采用图2a结构的增益单元的跨导特性和输入偏置电压之间的关系图，其中，a表示输出电流io与输入偏置电压vin的关系，b表示跨导增益gm与输入偏置电压vin的关系，c表示g′m与输入偏置电压vin的关系，d表示g″m与输入偏置电压vin的关系。图6为本发明采用图2b或图2c结构的增益单元的跨导特性和输入偏置电压之间的关系图，图中a、b、c、d所表示的对应关系与图5相同。由图5和图6可看出，当采用的图2中的各种增益单元处于不同输入偏置电压时，gm和g″m都会发生变化，从而改变了放大器的增益和线性度。
图3中示出，输入传输线和输出传输线的接地端均设置有终端负载，输入传输线和输出传输线两端的片上互连线结构前均连接有耦合电容，将可重构的匹配网络电路耦接在输入传输线的信号输入端、并与耦合电容串联连接。在信号的输入端增加一级可重构的匹配网络电路，通过改变其阻抗变换特性调整分布式放大器的频带特性，实现频率的可重构。
可重构的匹配网络可以通过改变匹配网络的结构，或者改变匹配网络中器件的电特性来实现。改变匹配网络的结构可以通过开关来实现，例如采用图7所示的开关技术，通过切换开关S1、S2可以实现匹配网络的重构，进而实现放大器性能的重构；改变匹配网络中器件的电特性可以通过变容二极管等有源器件来实现，例如采用图8所示的二极管结构，通过改变偏置电压Vb可以改变变容管CV的等效电容值，进而实现放大器性能的重构。
本发明提供的可重构分布式放大器电路，能够在不改变电路主体结构的基础上，实现电路结构的小型化和多功能集成化，可实现放大器工作频带、增益、线性度以及噪声等的性能重构，具有低功耗和低成本的优势。
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)

1.一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：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；所述分布式放大器电路还耦接有重置结构，所述重置结构包括开关阵列、可调偏置模块或可重构的匹配网络电路中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：所述开关阵列包括分别耦接在所述增益单元输入端、输出端的第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关均为包括至少两个触点的多控开关。
3.根据权利要求1所述的一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：所述可调偏置模块设置在所述增益单元上、并与所述增益单元耦合连接。
4.根据权利要求1所述的一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：所述输入传输线和所述输出传输线两端的片上互连线结构前均连接有耦合电容。
5.据权利要求4所述的一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：所述可重构的匹配网络电路耦接在所述输入传输线的信号输入端、并与所述耦合电容串联。
6.根据权利要求1所述的一种可重构的分布式放大器电路，其特征在于：所述片上互连线结构具有一种以上的结构，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。
7.根据权利要求1所述的一种可重构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。
8.根据权利要求1所述的一种可重构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。
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