CN113659940B - 一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，包括一路差分共发射极结构放大器(1)、一路差分共基极结构放大器(2)，差分共发射极放大器的接地输入端(3)、差分共基极放大器的接地输入端(4)直接接地、两路放大器的同相输入端(7)相连接、两路放大器的同相输出端(5)相连接、两路放大器的反相输出端(6)相连接；差分共基极放大器基级(b)接共模电阻Rb(11)、差分共射极放大器射级(e)接共模电阻Re(13)。本发明通过将差分输入端中的一个接地，并使用共模电阻抑制共模信号，避免了传统伪差分结构共模抑制特性差、且需要旁路和隔直电容导致带宽降低的问题，具有从直流到射频的超宽带输入匹配与放大特性。

Description

一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器
技术领域
本发明涉及一种新型单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器结构，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用晶体管进行射频信号放大的放大器结构，以实现从直流到射频的超宽带信号放大与输入匹配。
背景技术
超宽带射频放大器是射频测量仪器、超宽带通信系统的核心模块之一，其性能直接影响射频仪器设备的工作性能以及超宽带通信系统的通信速度。随着无线电技术的进一步发展，目前的射频技术覆盖的频段频段内越来越宽，已经从低频段，覆盖到毫米波频段，并正在向太赫兹频段演进，得对超宽带射频测量仪器的带宽要求越来越高，从而对超宽带放大器的需求越来越高。
但随着可用频谱不断增加，在复杂的射频测量仪器中，普通宽带放大器已经不能达到仪器带宽的需求，为了能够实现超宽带的测量范围，往往需要数个宽带放大器在不同频段进行放大，或使用不同设备在不同频段进行测量，这也将导致测量结果的不连续性。另一方面，由于针对不同频段所需要的放大器数量越来越多，也带来成本和功耗的大量增加。因此，高性能超宽带射频放大器的设计成为高性能超宽带测量仪器设备的一个难点。
传统超宽带放大器通常采用行波放大器结构或共基(栅)放大器结构。但对于行波放大器而言，由于需要使用大量晶体管进行单级放大，这将导致功耗的增大和效率的降低，同时通常也无法提供例如直流DC到200GHz范围或更大带宽的超宽带放大性能。而对于共基(栅)放大器结构放大器而言，尽管该结构可以在低频出提供较好的输入匹配，但由于晶体管物理特性和寄生参数的影响，仍然无法在超高的频段范围内，提供优异的输入匹配性能。同时，为了保证正常工作，传统的射频放大器往往也需要许多的旁路电容和隔直电容，这也导致传统射频放大器难以在低频处使用。
因此，需要发明一种能够实现从直流到射频超宽带放大的、不需要使用隔直电容和旁路电容的、同时能够大幅度减弱晶体管寄生参数影响、能补偿晶体管物理特性的晶体管放大器，以应用于各类超宽带射频测量仪器、宽带毫米波和太赫兹系统中。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器结构，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用晶体管进行射频信号放大的放大器结构，以实现从直流到射频的超宽带信号放大与输入匹配。
技术方案：本发明的一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器拓扑结构包括一路差分共发射极结构放大器、一路差分共基极结构放大器，差分共发射极结构放大器的接地输入端、差分共基极结构放大器的接地输入端直接接地，差分共发射极结构放大器的同相输入端和差分共基极结构放大器的同相输入端相连接，差分共发射极结构放大器的同相输出端和差分共基极结构放大器的同相输出端相连接；差分共发射极结构放大器的反相输出端和差分共基极结构放大器的反相输出端相连接；差分共基极结构放大器基极通过共模抑制电阻Rb接偏置电压Vbias,b，差分共发射极结构放大器发射极通过共模抑制电阻Re接偏置电压Vbias,e；
位于共发射极结构放大器集电极和共基极结构放大器发射极的三路电流通路以提供晶体管的偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3，位于共基极结构放大器基极和共发射极放大器发射极的两路电压通路以提供晶体管的偏置电压Vbias,b、偏置电压Vbias,e；共发射极结构放大器基极和共基极结构放大器发射极相接为输入端口Vin，共发射极结构放大器集电极和共基极结构放大器集电极分别为差分输出端口Vout+、差分输出端口Vout-。
所述的差分共发射极结构放大器由第三晶体管、第四晶体管共发射极构成，第三晶体管的基极接输入端口Vin，第四晶体管的基极接地，第三晶体管的集电极接差分输出端口Vout+，第四晶体管的集电极接差分输出端口Vout-。
所述的差分共基极结构放大器由第一晶体管、第二晶体管共基极构成，第一晶体管的发射极接地，第二晶体管的发射极接输入端口Vin，第一晶体管的集电极接差分输出端口Vout+，第二晶体管的集电极接差分输出端口Vout-。
所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管为双极结型晶体管BJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。
所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或者高电子迁移率晶体管HEMT时，针对各晶体管的电极不同命名，所述的发射极、基极、集电极对应为源极、栅极、漏极。
所述位于差分共发射极结构放大器集电极和差分共基极结构放大器发射极的三路电流通路的晶体管的偏置电流I1、偏置电流I2、偏置电流I3，通过电阻、晶体管提供电压或电流偏置的元件实现；所述位于差分共基极结构放大器基极和差分共发射极结构放大器发射极的两路电压通路的偏置电压Vbias,b、偏置电压Vbias,e，通过电阻、电感、传输线、变压器、巴伦或提供电压或电流偏置的元件实现。
所述位于差分共基极结构放大器基极的电阻Rb和差分共发射极结构放大器发射极的电阻Re变更为传输线或能提供共模抑制功能的元件。
有益效果：
1)全频带伪差分结构，单端输入，后级为差分电路，可以提供全频段差分地，同时由于将两个晶体管输入端直接接地，不需要旁路电容、隔直电容等结构，大幅改善放大器低频特性，解决了传统差分输入放大器需要巴伦从而带宽受限的问题，解决了传统单端输入放大器需要隔直电容导致低频无法放大的问题。
2)全频带共模抑制和输入匹配，通过使用共基放大器与共射放大器并联结构，实现了超宽带输入阻抗匹配，可以在全频段实现50欧姆的输入阻抗；通过使用共模电阻抑制共模信号，实现了直流到射频的全频带共模抑制，极大提升电路的稳定性。
3)对晶体管没有特殊的要求，可以选用双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等各种类型晶体管。
4)适合于超宽带射频仪器、射频接收机、雷达、射电望远、射频仪器等各种宽带放大器应用场合，尤其是需要直流到射频超宽带放大的应用场景。
附图说明
图1是本发明中的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器拓扑结构原理图(使用双极结型晶体管)；
图2是将本发明应用在一个超宽带放大器中的电路原理图；
图3是将本发明应用在一个超宽带放大器中的指标与相同偏置下的传统共射放大器、传统共基放大器的性能指标对比结果。其中(a)为输入匹配S11参数、(b)为反向隔离S12参数、(c)为正向增益S21参数、(d)为输出匹配S22参数、(e)为稳定性因子K参数、(f)为共模输出最大增益MaxGainCM参数、(g)为最大增益MaxGain参数、(h)为输入匹配S11与输出匹配S22在Smith圆图中的结果。各指标均远优于或相近于传统放大器结构。
图中有：差分共发射极结构放大器1、差分共基极结构放大器2、差分共发射极结构放大器的接地输入端3、差分共基极结构放大器的接地输入端4、差分共发射极结构放大器的同相输出端5、差分共发射极结构放大器的反相输出端6、差分共发射极结构放大器的同相输入端7、偏置电流I18、偏置电流I29、偏置电流I310、偏置电阻Rb11、偏置电压Vbias,b12、偏置电阻Re13、偏置电压Vbias,e14、输入端口Vin15、差分输出端口Vout+16、差分输出端口Vout-17；第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4；第一晶体管的集电极c1、第二晶体管的集电极c2、第三晶体管的集电极c3、第四晶体管M4的集电极c4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明
如图1所示，本发明的一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器拓扑结构是单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器结构。
包括一路差分共发射极结构放大器1、一路差分共基极结构放大器2，差分共发射极结构放大器的接地输入端3、差分共基极结构放大器的接地输入端4直接接地，差分共发射极结构放大器1的同相输入端7和差分共基极结构放大器2的同相输入端相连接，差分共发射极结构放大器1的同相输出端5和差分共基极结构放大器2的同相输出端相连接；差分共发射极结构放大器1的反相输出端6和差分共基极结构放大器2的反相输出端相连接；差分共基极结构放大器基极b通过共模抑制电阻Rb11接偏置电压Vbias,b12，差分共发射极结构放大器发射极e通过共模抑制电阻Re13接偏置电压Vbias,e14；
位于共发射极结构放大器1集电极和共基极结构放大器2发射极的三路电流通路以提供晶体管的偏置电流I18、偏置电流I29、偏置电流I310，位于共基极结构放大器2基极和共发射极放大器1发射极的两路电压通路以提供晶体管的偏置电压Vbias,b12、偏置电压Vbias,e14；共发射极结构放大器1基极和共基极结构放大器2发射极相接为输入端口Vin15，共发射极结构放大器1集电极和共基极结构放大器2集电极分别为差分输出端口Vout+16、差分输出端口Vout-17。
图中上方第一晶体管M1、第二晶体管M2构成差分共基极结构放大器，下方第三晶体管M3、第四晶体管M4构成差分共发射极结构放大器1。所述的差分共发射极结构放大器1由第三晶体管M3、第四晶体管M4共发射极构成，第三晶体管M3的基极接输入端口Vin15，第四晶体管M4的基极接地3，第三晶体管的集电极c3接差分输出端口Vout+15，第四晶体管M4的集电极c4接差分输出端口Vout-16。
所述的差分共基极结构放大器2由第一晶体管M1、第二晶体管M2共基极构成，第一晶体管M1的发射极接地4，第二晶体管M2的发射极接输入端口Vin15，第一晶体管的集电极c1接差分输出端口Vout+15，第二晶体管的集电极c2接差分输出端口Vout-16。
位于共发射极结构放大器集电极和共基极结构放大器发射极的三路电流通路以提供晶体管的偏置电流I18、偏置电流I29、偏置电流I310，位于共基极结构放大器基极和共发射极放大器发射极的电阻Rb11、电阻Re13、以及对应的两路电压通路以提供晶体管的偏置电压Vbias,b12、偏置电压Vbias,e14，位于共发射极结构放大器基极或共基极结构放大器发射极的输入端口Vin15，位于共发射极结构放大器集电极或共基极结构放大器集电极的差分输出端口Vout+16、差分输出端口Vout-17
图2是将本发明应用在一个单端输入超宽带放大器中的电路原理图；
图3是将本发明应用在一个单端输入超宽带放大器中的指标与相同偏置下的传统单端输入共射放大器、传统单端输入共基放大器的性能指标对比结果，其中传统单端输入共射放大器、传统单端输入共基放大器使用了理想隔直电容进行隔直，以进一步证明该结构的优越性。从图3(a)中可以看出，放大器的稳定性因子K在全频带均大于1，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(b)中，放大器的共模输出最大增益MaxGainCM在全频带均远小于1，即具有优异的共模抑制性能，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(c)中可以看出，使用本发明后，放大器的输入匹配S11在全频带低于-27dB，远优于传统单端输入共射结构与单端输入传统共基结构；图3(d)中，放大器的反向隔离S12在全频带均最低，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(e)中，放大器的正向增益S21在大部分频带最高，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(f)中，放大器的输出匹配S22在全频带均最低，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(g)中，放大器的最大增益MaxGain在全频带与传统共射结构与传统共基结构相当；图3(h)中，放大器的输入匹配S11在全频带均位于Smith圆图中心，带宽达到全频带。
所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4为双极结型晶体管BJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。
所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或者高电子迁移率晶体管HEMT时，针对各晶体管的电极不同命名，所述的发射极、基极、集电极对应为源极、栅极、漏极。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器拓扑结构，其特征在于，包括一路差分共发射极结构放大器(1)、一路差分共基极结构放大器(2)，差分共发射极结构放大器的接地输入端(3)、差分共基极结构放大器的接地输入端(4)直接接地，差分共发射极结构放大器(1)的同相输入端(7)和差分共基极结构放大器(2)的同相输入端相连接，差分共发射极结构放大器(1)的同相输出端(5)和差分共基极结构放大器(2)的同相输出端相连接；差分共发射极结构放大器(1)的反相输出端(6)和差分共基极结构放大器(2)的反相输出端相连接；差分共基极结构放大器基极(b)通过共模抑制电阻Rb(11)接偏置电压Vbias,b(12)，差分共发射极结构放大器发射极(e)通过共模抑制电阻Re(13)接偏置电压Vbias,e(14)；
位于共发射极结构放大器(1)集电极和共基极结构放大器(2)发射极的三路电流通路以提供晶体管的偏置电流I1(8)、偏置电流I2(9)、偏置电流I3(10)，位于共基极结构放大器(2)基极和共发射极放大器(1)发射极的两路电压通路以提供晶体管的偏置电压Vbias,b(12)、偏置电压Vbias,e(14)；共发射极结构放大器(1)基极和共基极结构放大器(2)发射极相接为输入端口Vin(15)，共发射极结构放大器(1)集电极和共基极结构放大器(2)集电极分别为差分输出端口Vout+(16)、差分输出端口Vout-(17)。
2.根据权利要求1所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述的差分共发射极结构放大器(1)由第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)共发射极构成，第三晶体管(M3)的基极接输入端口Vin(15)，第四晶体管(M4)的基极接地(3)，第三晶体管的集电极(c3)接差分输出端口Vout+(15)，第四晶体管(M4)的集电极(c4)接差分输出端口Vout-(16)。
3.根据权利要求1所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述的差分共基极结构放大器(2)由第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)共基极构成，第一晶体管(M1)的发射极接地(4)，第二晶体管(M2)的发射极接输入端口Vin(15)，第一晶体管的集电极(c1)接差分输出端口Vout+(15)，第二晶体管的集电极(c2)接差分输出端口Vout-(16)。
4.根据权利要求2或3所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述的第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)为双极结型晶体管BJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。
5.根据权利要求4所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述的第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或者高电子迁移率晶体管HEMT时，针对各晶体管的电极不同命名，所述的发射极、基极、集电极对应为源极、栅极、漏极。
6.根据权利要求1所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述位于差分共发射极结构放大器(1)集电极和差分共基极结构放大器(2)发射极的三路电流通路的晶体管的偏置电流I1(8)、偏置电流I2(9)、偏置电流I3(10)，通过电阻、晶体管提供电压或电流偏置的元件实现；所述位于差分共基极结构放大器(2)基极和差分共发射极结构放大器(1)发射极的两路电压通路的偏置电压Vbias,b(12)、偏置电压Vbias,e(14)，通过电阻、电感、传输线、变压器、巴伦或提供电压或电流偏置的元件实现。
7.根据权利要求1所述的单端输入的伪差分超宽带晶体管放大器，其特征在于，所述位于差分共基极结构放大器(2)基极的电阻Rb(11)和差分共发射极结构放大器(1)发射极的电阻Re(13)变更为传输线或能提供共模抑制功能的元件。
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