CN109495079A - 一种补偿高频增益的达林顿电路 - Google Patents

一种补偿高频增益的达林顿电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种补偿高频增益的达林顿电路，包括晶体管Q1和Q2、偏置网络和偏置电路，所述晶体管Q1的基极连接基极偏置端DCbias，同时通过电容DCblock1连接交流输入端RFin；晶体管Q1的发射极连接晶体管Q2的基极，同时通过偏置网络接地；晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的集电极共结，并通过RFC连接集电极偏置端VCC，通过依次串联的电容DCblock2和负载阻抗ZL接地；在晶体管Q1集电极上串接具有相位补偿功能的时延网络，使得Q1的输出信号经过所述时延网络后与晶体管Q2的集电极输出信号相位相同。本发明在晶体管Q1集电极上连接具有时延功能的网络，使得其具有相位补偿功能，使得Q1的输出信号经过该时延网络后可以与Q2的输出信号相位相同，以得到最大的信号增益。

Description

一种补偿高频增益的达林顿电路
技术领域
本发明涉及三极管驱动电路，特别涉及一种补偿高频增益的达林顿电路。
背景技术
达林顿复合管结构具有高电流增益、高输入阻抗、大带宽等特点，常用于设计宽带放大器。以BJT/HBT晶体管为例，达林顿复合管结构如图1所示，由晶体管Q1和Q2组成，Q1采用射极跟随器连接方式，其发射极与Q2的基极相连。
在低频时，Q1的集电极电流ic1＝(1+β1)ib1；Q2的集电极电流ic2＝(1+β2)ib2，其中ib2＝β1ib1；达林顿电路的输出电流iout＝-ic1-ic2＝-(1+β1)ib1-(1+β2)β1ib1＝-(β1+β2+β1β2)ib1。
随着频率的升高，晶体管的寄生电容对电路的影响不能忽略。为方便分析，假设晶体管Q1和Q2的性能参数一样，并且基极到发射极的信号时延为θe，基极到集电极的信号时延为θc。则ic1＝(1+β1)ib1e-jθc，ic2＝(1+β2)ib2e-jθc，其中ib2＝β1ib1e-jθe。可以看出，ic1和ic2存在相位差异e-jθe，在输出端并不能实现最大的信号增益。
传统达林顿电路结构如图2所示，电路由晶体管Q1和发射极电阻R1、晶体管Q2和偏置电路组成，ZL为负载阻抗，电容DCblock1和DCblock2起到隔直流的作用，电感RFC起到隔交流的作用，RFin为交流输入端，基极偏置由DCbias提供，集电极偏置为VCC。其交流等效电路如图3所示，其中Cb'e为基极-发射极电容，rb'e为基极-发射极电阻，gm为跨导。
具体分析时，电路满足如下假设：
1、电路处于线性系统中，符合叠加原理；
2、Q1和Q2的偏置状态相同、本征参数相同,即gm1＝gm2＝gm，rb'e1＝rb'e2＝rb'e，Cb'e1＝Cb'e2＝Cb'e；
3、晶体管的本征交流等效模型仅考虑输入电容Cb'e，忽略基极体电阻rb'b和集电极-基极电容Cb'c。
可以得到
则，Q1和Q2的集电极输出电流io1和io2的输出电流相位差异为arctan(ωCb'e)-arctan(ωCb'e/gm)。
发明内容
本发明目的是：为了补偿高频增益，在晶体管Q1集电极上连接具有时延功能的网络，使得Q1的输出信号经过该时延网络后可以与Q2的输出信号相位相同，在高频时得到最大的信号增益。具有时延功能的网络可以包括电容、电感、传输线、有源器件以及它们的组合。
根据上述思路，本发明的技术方案：
一种补偿高频增益的达林顿电路，包括晶体管Q1和Q2、偏置网络和偏置电路，所述晶体管Q1的基极连接基极偏置端DCbias，同时通过电容DCblock1连接交流输入端RFin；晶体管Q1的发射极连接晶体管Q2的基极，同时通过偏置网络接地；晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的集电极共结，并通过扼流网络连接集电极偏置端VCC，通过依次串联的电容DCblock2和负载阻抗ZL接地；在晶体管Q1集电极上串接具有时延功能的时延网络，使得Q1的输出信号经过所述时延网络后与晶体管Q2的集电极输出信号相位相同。
优选的，所述时延网络采用电容、电感、传输线、有源器件中的一种或组合。
优选的，所述时延网络为一段传输线TL，特征阻抗为Z0，电长度为θ＝βl。
优选的，所述扼流网络采用电感、传输线中的一种或组合；
优选的，所示偏置网络采用电阻、电容、电感、有源器件的一种或组合，为晶体管Q2提供合理偏置，同时进行阻抗匹配以及频率补偿。
优选的，所述的晶体管Q1和Q2，采用单极型晶体管或双极型晶体管。
优选的，达林顿电路满足三个假设：
(1)电路处于线性系统中，符合叠加原理；
(2)晶体管Q1和Q2的偏置状态相同、本征参数相同,即gm1＝gm2＝gm，rb'e1＝rb'e2＝rb'e，Cb'e1＝Cb'e2＝Cb'e；其中Cb'e为基极-发射极电容，rb'e为基极-发射极电阻，gm为跨导；
(3)晶体管的本征交流等效模型仅考虑输入电容Cb'e，忽略基极体电阻rb'b和集电极-基极电容Cb'c；
根据传输线理论及戴维宁电路定理得到：
vo＝A1(1+Γ0)
v′o1＝A1ejβl(1+Γ0e-j2βl)
v2＝(ii1+gm1ii1Z1-ii2)R1＝ii2Z2
io2＝-gm2v2
其中，
得到：
令βl＝θ，并且考虑到gmrb'e远大于1，rb'e远大于R1，其中R1为偏置网络的等效电阻；可以得到：
Q1和Q2的集电极输出电流io1和io2的输出电流相位差异为：
设计合理的传输线特征阻抗Z0及电长度θ，使其满足：
ωCb′eR1Z0gm-2ω2Cb′e 2R1ZLtanθ-2ZLgmtanθ-ωCb′eZ0＝0
使io1和io2相位相同，得到最大的信号增益。
本发明的优点是：
本发明的达林顿电路为了补偿高频信号增益，在晶体管Q1集电极上连接具有时延功能的网络，使得其具有相位补偿功能，使得Q1的输出信号经过该时延网络后可以与Q2的输出信号相位相同，以得到最大的高频信号增益。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为达林顿复合管结构原理图；
图2传统达林顿电路结构原理图；
图3传统达林顿电路结构交流等效电路；
图4本发明具有相位补偿功能的达林顿电路结构原理图；
图5本发明具有相位补偿功能的达林顿电路交流等效电路。
具体实施方式
如图4所示，本实施例的一种补偿高频增益的达林顿电路，包括晶体管Q1和Q2、发射极电阻R1和偏置电路，所述晶体管Q1的基极连接基极偏置端DCbias，同时通过电容DCblock1连接交流输入端RFin；晶体管Q1的发射极连接晶体管Q2的基极，同时通过发射极电阻R1接地；晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的集电极共结，并通过电感RFC连接集电极偏置端VCC，通过依次串联的大电容DCblock2和负载阻抗ZL接地；在晶体管Q1集电极上串接具有时延功能的时延网络，使得Q1的输出信号经过所述时延信号后与晶体管Q2的集电极输出信号相位相同。所述时延网络为一段传输线TL，特征阻抗为Z0，电长度为θ＝βl。所述的晶体管Q1和Q2，采用单极型晶体管或双极型晶体管，交流等效电路如图5所示。
具体分析时，该电路同样满足背景技术3条假设：
1、电路处于线性系统中，符合叠加原理；
2、Q1和Q2的偏置状态相同、本征参数相同,即gm1＝gm2＝gm，rb'e1＝rb'e2＝rb'e，Cb'e1＝Cb'e2＝Cb'e；
3、晶体管的本征交流等效模型仅考虑输入电容Cb'e，忽略基极体电阻rb'b和集电极-基极电容Cb'c。
可以得到
则，Q1和Q2的集电极输出电流io1和io2的输出电流相位差异为arctan(ωCb'e)-arctan(ωCb'e/gm)。
根据传输线理论及戴维宁电路定理得到：
vo＝A1(1+Γ0)
v′o1＝A1ejβl(1+Γ0e-j2βl)
v2＝(ii1+gm1ii1Z1-ii2)R1＝ii2Z2
io2＝-gm2v2
其中，
得到：
令βl＝θ，并且考虑到gmrb'e远大于1，rb'e远大于R1，其中R1为偏置网络的等效电阻，偏置网络可以为一个电阻R1；可以得到：
Q1和Q2的集电极输出电流io1和io2的输出电流相位差异为：
可以发现，当电路工作频段、器件的特性参数以及负载阻抗都确定的前提下，设计合理的传输线特征阻抗Z0及电长度θ，使其满足：
ωCb′eR1Z0gm-2ω2Cb′e 2R1ZLtanθ-2ZLgmtanθ-ωCb′eZ0＝0
使io1和io2相位相同，得到最大的信号增益。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种补偿高频增益的达林顿电路，包括晶体管Q1和Q2、偏置网络和偏置电路，所述晶体管Q1的基极连接基极偏置端DCbias，同时通过电容DCblock1连接交流输入端RFin；晶体管Q1的发射极连接晶体管Q2的基极，同时通过偏置网络接地；晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的集电极共结，并通过扼流网络连接集电极偏置端VCC，通过依次串联的电容DCblock2和负载阻抗ZL接地；其特征在于：
在晶体管Q1集电极上串接具有时延功能的时延网络，使得Q1的输出信号经过所述时延网络后与晶体管Q2的集电极输出信号相位相同。
2.根据权利要求1所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：所述时延网络采用电容、电感、传输线、有源器件中的一种或组合。
3.根据权利要求1所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：所述时延网络为一段传输线TL，特征阻抗为Z0，电长度为θ＝βl。
4.根据权利要求1所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：所述扼流网络采用电感、传输线中的一种或组合。
5.根据权利要求3所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：所示偏置网络采用电阻、电容、电感、有源器件的一种或组合，为晶体管Q2提供合理偏置，同时进行阻抗匹配以及频率补偿。
6.根据权利要求1所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：所述的晶体管Q1和Q2，采用单极型晶体管或双极型晶体管。
7.根据权利要求5所述的补偿高频增益的达林顿电路，其特征在于：达林顿电路满足三个假设：
(1)电路处于线性系统中，符合叠加原理；
(2)晶体管Q1和Q2的偏置状态相同、本征参数相同,即gm1＝gm2＝gm，rb'e1＝rb'e2＝rb'e，Cb'e1＝Cb'e2＝Cb'e；其中Cb'e为基极-发射极电容，rb'e为基极-发射极电阻，gm为跨导；
(3)晶体管的本征交流等效模型仅考虑输入电容Cb'e，忽略基极体电阻rb'b和集电极-基极电容Cb'c；
根据传输线理论及戴维宁电路定理得到：
vo＝A1(1+Γ0)
v′o1＝A1ejβl(1+Γ0e-j2βl)
v2＝(ii1+gm1ii1Z1-ii2)R1＝ii2Z2
io2＝-gm2v2
其中，
得到：
令βl＝θ，并且考虑到gmrb'e远大于1，rb'e远大于R1，其中R1为偏置网络的等效电阻；可以得到：
Q1和Q2的集电极输出电流io1和io2的输出电流相位差异为：
设计合理的传输线特征阻抗Z0及电长度θ，使其满足：
ωCb′eR1Z0gm-2ω2Cb′e 2R1ZLtanθ-2ZLgmtanθ-ωCb′eZ0＝0
使io1和io2相位相同，得到最大的信号增益。
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