CN115347871A - 一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，包括依次连接的驱动级网络、级间匹配网络以及平衡结构网络；其中，驱动级网络为共源共栅负反馈结构，级间匹配网络带增益调节功能，平衡结构网络采用了Lange电桥及达林顿共源共栅堆叠结构。本发明电路能够在毫米波频段内实现超宽带、低噪声、高增益和较高输出功率，且具有较好的增益平坦度和良好的驻波；采用了带增益可调功能的级间匹配网络，该网络能够在满足级间匹配的同时，实现增益连续可变，且能保证噪声和输出功率较小的波动；本发明前级驱动级和末级输出级采用了有源偏置技术，使整个电路在温度变化和工艺波动导致性能变化时具有自适应调节功能，使得芯片电路的一致性较好。

Description

一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种增益连续可调的毫米波宽带驱动放大器。

背景技术

由于增益带宽积的限制以及晶体管功率能力随频率升高逐渐降低的特点，在宽带电路中要想实现低噪声、高增益和中功率输出很有难度，特别是对于毫米波超宽带电路更是极具挑战。目前为了拓展带宽和提高增益平坦度，常用的有达林顿结构、共源共栅结构、负反馈结构、行波结构以及平衡结构等。但是在毫米波频段，特别是针对较高增益的电路，有时候单一的结构效果也并不理想。

为了扩大放大器的动态范围，往往要求放大器增益连续可调，目前常用的是采用放大器栅压可控的方法，即通过改变放大管的偏置电压来改变增益大小。此种方法简单直接，但缺点是在调节增益的同时，由于偏置电压的改变也会很大程度上影响放大器的电流、噪声、输出功率等特性，有时甚至为了满足增益较大范围的衰减，放大管的偏置电压会接近截止电压。特别是针对兼具低噪声和较高功率要求的驱动放大电路中，更难以满足要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的增益连续可调的毫米波宽带驱动放大器解决了上述背景技术的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，包括依次连接的驱动级网络、级间匹配网络以及平衡结构网络；

其中，所述驱动级网络为共源共栅负反馈结构，所述级间匹配网络带增益调节功能，所述平衡结构网络采用了Lange电桥及达林顿共源共栅堆叠结构。

本发明的有益效果为：

1、本发明电路能够在毫米波频段内实现超宽带、低噪声、高增益和较高输出功率，且具有较好的增益平坦度和良好的驻波。本发明采用了两级电路，前级采用了共源共栅负反馈结构，用以满足宽带内的噪声匹配和增益平坦度，并可提高整个电路的增益；后级采用了平衡结构用以满足较高的功率输出和优良的驻波，同时平衡结构中的链路采用达林顿共源共栅技术，该技术相比普通的共源共栅结构具有更高的增益和更好的宽带功率输出能力，并且相比普通的达林顿结构具有更好的隔离度和工作带宽。

2、本发明采用了带增益可调功能的级间匹配网络，该网络能够在满足级间匹配的同时，实现增益连续可变，且能保证噪声和输出功率较小的波动。本发明在两级电路中间加入了一个有源耗尽型晶体管并联到地，通过控制电压调节此有源管的栅压，从而调节其逐步变化的阻抗和工作状态，进而可实现链路增益的连续可调。相比直接调节链路放大管的栅压来调节增益相比，不仅对其他电性能比如噪声、输出功率指标的影响大大减小，对电路的静态电流也没有任何影响。

3、本发明前级驱动级和末级输出级采用了有源偏置技术，使整个电路在温度变化和工艺波动导致性能变化时具有自适应调节功能，使得芯片电路的一致性较好。

进一步地，所述驱动级网络包括电容C1；

所述电容C1的一端作为所述驱动级网络的输入端，所述电容C1的另一端与电感Lq1的一端连接，所述电感Lq1的另一端分别与电阻R1的一端、电阻R8的一端以及场效应管M2的栅极连接，所述场效应管M2的源级接地，所述电阻R8的另一端通过电容C3与电感Lq2的一端连接；

所述电阻R1的另一端分别与场效应管M1的漏极、场效应管M1的栅极以及电阻R3的一端连接，所述场效应管M1的源极与接地电阻R2连接，所述电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端、接地电容C4以及电感Lq3的一端连接，并与电源电压VD1连接，所述电阻R4的另一端分别与接地电阻R5和电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端和场效应管M3的栅极连接，所述电阻R7的另一端与接地电容C2连接，所述场效应管M3的源极与场效应管M2的漏极连接，所述场效应管M3的漏极分别与微带线L1的一端和电感Lq2的另一端连接，所述微带线L1的另一端分别与电容C5的一端和电感Lq3的另一端连接，并作为所述驱动级网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果为：本发明中的驱动级网络为共源共栅负反馈结构，其中，M2为共源管，M3为共栅管，该结构位于芯片电路的前级，用于满足宽带内噪声匹配和驱动后一级电路，同时可以提高整个电路的增益。共源共栅结构由于其减小了米勒效应，故该结构不仅可以很好的拓展带宽，增加了反向隔离，同时在功耗不变的前提下提高了增益。由于其位于电路前级，所以在阻抗匹配时尽可能满足最佳噪声匹配。为了提高宽带内的增益平坦度，本发明在共源共栅结构上同时加入了负反馈结构，对R8、C3和Lq2合理取值，使其在所需频带内实现较小的增益波动。

进一步地，所述级间匹配网络包括电容C6；

所述电容C6的一端作为所述级间匹配网络的输入端，并分别与微带线L2的一端和接地电感Lq4连接，所述微带线L2的另一端与场效应管M4的漏极连接，所述场效应管M4的源极接地，所述场效应管M4的栅极与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与控制电压Vcon连接，所述电容C6的另一端作为所述级间匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果为：本发明中的增益调节网络位于驱动级网络和平衡结构网络之间，由一个LC网络（Lq4到地和C6）和一个并联有源管M4到地构成。随着控制电压调节变化时，导致并联有源管的阻抗和工作状态也随之变化，使其形成一个连续可调衰减，从而实现了芯片电路增益大动态范围的调整。由于此并联有源管位于级间，所以其在实现增益可调衰减的同时，对前级噪声和末级输出功率影响都在可接收范围，相比采用直接串联在链路中的衰减器或者直接调节链路放大管的栅压来调节增益相比，不仅对其他电性能指标的影响大大减小，对电路的静态电流也没有任何影响。同时此并联有源管与Lq4和C6一起，实现了驱动级和末级平衡网络之间的阻抗匹配。

进一步地，所述平衡结构网络包括微带线L3和电阻R18；

所述微带线L3的一端作为所述平衡结构网络的输入端，所述微带线L3的另一端分别与微带线L4的一端和微带线L6的一端连接，所述微带线L4的另一端分别与微带线L6的另一端、微带线L9的一端和微带线L11的一端连接，所述微带线L9的另一端和微带线L11的另一端相互连接，并分别与电阻R10的一端和场效应管M5的栅极连接，所述场效应管M5的源极分别与接地电阻R17和场效应管M6的栅极连接，所述场效应管M6的源极接地，所述场效应管M6的漏极分别与场效应管M7的源极和场效应管M5的漏极连接，所述场效应管M7的栅极与电阻R16的一端连接，所述电阻R16的另一端分别与接地电容C7和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端分别与场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极以及电阻R13的一端连接，所述场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，所述电阻R13的另一端分别与接地电容C8、电阻R15的一端、电感Lq5的一端和微带线L20的一端连接，所述微带线L20的另一端与电源电压VD2连接，所述电阻R15的另一端分别与接地电阻R14和电阻R10的另一端连接，所述电感Lq5的另一端分别与电容C9的一端和场效应管M7的漏极连接，所述电容C9的另一端分别与微带线L12的一端和微带线L14的一端连接，所述微带线L12的另一端与微带线L17的一端连接，所述微带线L14的另一端与微带线L19的一端连接，所述微带线L17的另一端和微带线L19的另一端均与接地吸收电阻Rp2连接；

所述电阻R18的一端分别与场效应管M9的栅极、微带线L7的一端和微带线L5的一端连接，所述微带线L7的另一端与微带线L10的一端连接，所述微带线L5的另一端与微带线L8的一端连接，所述微带线L8的另一端和微带线L10的另一端相互连接并与接地吸收电阻Rp1连接，所述电阻R18的另一端分别与接地电阻R22和电阻R23的一端连接；

所述场效应管M9的源极分别与接地电阻R25和场效应管M10的栅极连接，所述场效应管M10的源极接地，所述场效应管M10的漏极分别与场效应管M9的漏极和场效应管M11的源极连接，所述场效应管M11的栅极与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端分别与接地电容C10和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端分别与场效应管M12的栅极、场效应管M12的漏极和电阻R21的一端连接，所述场效应管M12的源极与接地电阻R19连接，所述电阻R21的另一端与微带线L20的一端连接；

所述场效应管M11的漏极分别与电容C12的一端和电感Lq6的一端连接，所述电感Lq6的另一端分别与接地电容C11、电阻R23的另一端和微带线L20的一端连接；

所述电容C12的另一端分别与微带线L16的一端和微带线L18的一端连接，所述微带线L16的另一端分别与微带线L18的另一端、微带线L13的另一端和微带线L15的一端连接，所述微带线L13的另一端和微带线L15的另一端相互连接，并与微带线L21的一端连接，所述微带线L21的另一端作为所述平衡结构网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果为：本发明中的平衡结构网络位于芯片电路末级，此处采用Lange电桥用于3dB功率合成，用以满足较高的输出功率。平衡结构不仅可以提高电路输出功率，且在宽带内可以有很好的驻波。为了实现毫米波宽带内高增益和高功率输出要求，本发明对于平衡结构中的放大电路做了创新处理。通常为了获得高增益，可采用多级放大级联，但这样势必会增加功耗。而采用单一的达林顿结构或者共源共栅结构，虽然可以提高增益，但是由于毫米波频段增益随频率陡降，提高的增益也有限。本发明此处采用了达林顿共源共栅堆叠结构，该结构在毫米波段可以实现足够高的增益要求。以单边电路为例，晶体管M5和M6组成达林顿结构，其放大倍数两个晶体管放大倍数的乘积，且可以很好地拓展带宽；在此达林顿结构基础上加入一个堆叠共栅管M7，根据共源共栅堆叠结构特点可知，加入此共栅管增大了输出阻抗，减小了米勒效应，所以在功耗不变的情况下可以进一步提高增益，同时进一步拓展了放大器的工作带宽。

附图说明

图1为本发明提供的增益连续可调的毫米波宽带驱动放大器结构框图。

图2为本发明提供的增益连续可调的毫米波宽带驱动放大器电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例提供了一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，如图1所示，包括依次连接的驱动级网络、级间匹配网络以及平衡结构网络；

其中，驱动级网络为共源共栅负反馈结构，级间匹配网络带增益调节功能，平衡结构网络采用了Lange电桥及达林顿共源共栅堆叠结构。

如图2所示，本发明实施例中的驱动级网络包括电容C1；

电容C1的一端作为驱动级网络的输入端，电容C1的另一端与电感Lq1的一端连接，电感Lq1的另一端分别与电阻R1的一端、电阻R8的一端以及场效应管M2的栅极连接，场效应管M2的源级接地，电阻R8的另一端通过电容C3与电感Lq2的一端连接；

电阻R1的另一端分别与场效应管M1的漏极、场效应管M1的栅极以及电阻R3的一端连接，场效应管M1的源极与接地电阻R2连接，电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端、接地电容C4以及电感Lq3的一端连接，并与电源电压VD1连接，电阻R4的另一端分别与接地电阻R5和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端和场效应管M3的栅极连接，电阻R7的另一端与接地电容C2连接，场效应管M3的源极与场效应管M2的漏极连接，场效应管M3的漏极分别与微带线L1的一端和电感Lq2的另一端连接，微带线L1的另一端分别与电容C5的一端和电感Lq3的另一端连接，并作为驱动级网络的输出端。

如图2所示，本发明实施例中的级间匹配网络包括电容C6；

电容C6的一端作为级间匹配网络的输入端，并分别与微带线L2的一端和接地电感Lq4连接，微带线L2的另一端与场效应管M4的漏极连接，场效应管M4的源极接地，场效应管M4的栅极与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与控制电压Vcon连接，电容C6的另一端作为级间匹配网络的输出端。

如图2所示，本发明实施例中的平衡结构网络包括微带线L3和电阻R18；

微带线L3的一端作为平衡结构网络的输入端，微带线L3的另一端分别与微带线L4的一端和微带线L6的一端连接，微带线L4的另一端分别与微带线L6的另一端、微带线L9的一端和微带线L11的一端连接，微带线L9的另一端和微带线L11的另一端相互连接，并分别与电阻R10的一端和场效应管M5的栅极连接，场效应管M5的源极分别与接地电阻R17和场效应管M6的栅极连接，场效应管M6的源极接地，场效应管M6的漏极分别与场效应管M7的源极和场效应管M5的漏极连接，场效应管M7的栅极与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端分别与接地电容C7和电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极以及电阻R13的一端连接，场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，电阻R13的另一端分别与接地电容C8、电阻R15的一端、电感Lq5的一端和微带线L20的一端连接，微带线L20的另一端与电源电压VD2连接，电阻R15的另一端分别与接地电阻R14和电阻R10的另一端连接，电感Lq5的另一端分别与电容C9的一端和场效应管M7的漏极连接，电容C9的另一端分别与微带线L12的一端和微带线L14的一端连接，微带线L12的另一端与微带线L17的一端连接，微带线L14的另一端与微带线L19的一端连接，微带线L17的另一端和微带线L19的另一端均与接地吸收电阻Rp2连接；

电阻R18的一端分别与场效应管M9的栅极、微带线L7的一端和微带线L5的一端连接，微带线L7的另一端与微带线L10的一端连接，微带线L5的另一端与微带线L8的一端连接，微带线L8的另一端和微带线L10的另一端相互连接并与接地吸收电阻Rp1连接，电阻R18的另一端分别与接地电阻R22和电阻R23的一端连接；

场效应管M9的源极分别与接地电阻R25和场效应管M10的栅极连接，场效应管M10的源极接地，场效应管M10的漏极分别与场效应管M9的漏极和场效应管M11的源极连接，场效应管M11的栅极与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端分别与接地电容C10和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端分别与场效应管M12的栅极、场效应管M12的漏极和电阻R21的一端连接，场效应管M12的源极与接地电阻R19连接，电阻R21的另一端与微带线L20的一端连接；

场效应管M11的漏极分别与电容C12的一端和电感Lq6的一端连接，电感Lq6的另一端分别与接地电容C11、电阻R23的另一端和微带线L20的一端连接；

电容C12的另一端分别与微带线L16的一端和微带线L18的一端连接，微带线L16的另一端分别与微带线L18的另一端、微带线L13的另一端和微带线L15的一端连接，微带线L13的另一端和微带线L15的另一端相互连接，并与微带线L21的一端连接，微带线L21的另一端作为平衡结构网络的输出端。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

在驱动级网络中，M3的漏极电压由电源电压VD1经电感Lq3提供，C4为旁路电容，M3的栅极电压由电源电压VD1经R4和R5分压获得，C2到地电容为M3管的栅极射频到地通路，R7用于提高稳定性，M2的栅极电压由电源电压VD1经R3和有源偏置电路分压提供，M1为有源偏置管，由于M1的调节，M2的栅压可以随温度自适应调节补偿，从而实现电性能稳定，同时由于有源偏置的存在，对工艺波动导致的性能变化也有自适应调节作用，提高了芯片的一致性。

在级间匹配网络中，M4为耗尽型晶体管。控制电压Vcon为负压，用于控制晶体管M4的栅压，M4的漏端通过电感Lq4接地为0电位，M4的源极接地。随着控制电压调节变化时，导致并联有源管的阻抗和工作状态也随之变化，使其形成一个连续可调衰减，从而实现了芯片电路增益大动态范围的调整。

信号经驱动级放大后通过级间匹配网络经第一个Lange电桥进入两路达林顿堆叠放大电路放大，两路放大电路馈电均由电源电压VD2提供。以其中一路为例，电源电压VD2经电感Lq5给共栅管M7提供漏压，C8为旁路电容。共栅管M7的栅压由电源电压经R14和有源偏置电路分压提供，M8为有源偏置管，同样，此有源偏置可以减小末级放大电路的电性能波动。晶体管M5和M6组成的达林顿管漏压由共栅管M7的源极电位提供，M5的栅压由电源电压VD2经电阻R15和R16分压获得，M6的栅压由M5的源级电位提供，M6源级接地。两路经达林顿堆叠放大后的信号经第二个Lange电桥功率合成后输出。

Claims (4)

1.一种连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，其特征在于，包括依次连接的驱动级网络、级间匹配网络以及平衡结构网络；

其中，所述驱动级网络为共源共栅负反馈结构，所述级间匹配网络带增益调节功能，所述平衡结构网络采用了Lange电桥及达林顿共源共栅堆叠结构。

2.根据权利要求1所述的连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，其特征在于，所述驱动级网络包括电容C1；

所述电容C1的一端作为所述驱动级网络的输入端，所述电容C1的另一端与电感Lq1的一端连接，所述电感Lq1的另一端分别与电阻R1的一端、电阻R8的一端以及场效应管M2的栅极连接，所述场效应管M2的源级接地，所述电阻R8的另一端通过电容C3与电感Lq2的一端连接；

所述电阻R1的另一端分别与场效应管M1的漏极、场效应管M1的栅极以及电阻R3的一端连接，所述场效应管M1的源极与接地电阻R2连接，所述电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端、接地电容C4以及电感Lq3的一端连接，并与电源电压VD1连接，所述电阻R4的另一端分别与接地电阻R5和电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端和场效应管M3的栅极连接，所述电阻R7的另一端与接地电容C2连接，所述场效应管M3的源极与场效应管M2的漏极连接，所述场效应管M3的漏极分别与微带线L1的一端和电感Lq2的另一端连接，所述微带线L1的另一端分别与电容C5的一端和电感Lq3的另一端连接，并作为所述驱动级网络的输出端。

3.根据权利要求1所述的连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，其特征在于，所述级间匹配网络包括电容C6；

所述电容C6的一端作为所述级间匹配网络的输入端，并分别与微带线L2的一端和接地电感Lq4连接，所述微带线L2的另一端与场效应管M4的漏极连接，所述场效应管M4的源极接地，所述场效应管M4的栅极与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与控制电压Vcon连接，所述电容C6的另一端作为所述级间匹配网络的输出端。

4.根据权利要求1所述的连续增益可调的毫米波宽带驱动放大器，其特征在于，所述平衡结构网络包括微带线L3和电阻R18；

所述微带线L3的一端作为所述平衡结构网络的输入端，所述微带线L3的另一端分别与微带线L4的一端和微带线L6的一端连接，所述微带线L4的另一端分别与微带线L6的另一端、微带线L9的一端和微带线L11的一端连接，所述微带线L9的另一端和微带线L11的另一端相互连接，并分别与电阻R10的一端和场效应管M5的栅极连接，所述场效应管M5的源极分别与接地电阻R17和场效应管M6的栅极连接，所述场效应管M6的源极接地，所述场效应管M6的漏极分别与场效应管M7的源极和场效应管M5的漏极连接，所述场效应管M7的栅极与电阻R16的一端连接，所述电阻R16的另一端分别与接地电容C7和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端分别与场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极以及电阻R13的一端连接，所述场效应管M8的源极与接地电阻R11连接，所述电阻R13的另一端分别与接地电容C8、电阻R15的一端、电感Lq5的一端和微带线L20的一端连接，所述微带线L20的另一端与电源电压VD2连接，所述电阻R15的另一端分别与接地电阻R14和电阻R10的另一端连接，所述电感Lq5的另一端分别与电容C9的一端和场效应管M7的漏极连接，所述电容C9的另一端分别与微带线L12的一端和微带线L14的一端连接，所述微带线L12的另一端与微带线L17的一端连接，所述微带线L14的另一端与微带线L19的一端连接，所述微带线L17的另一端和微带线L19的另一端均与接地吸收电阻Rp2连接；

所述电阻R18的一端分别与场效应管M9的栅极、微带线L7的一端和微带线L5的一端连接，所述微带线L7的另一端与微带线L10的一端连接，所述微带线L5的另一端与微带线L8的一端连接，所述微带线L8的另一端和微带线L10的另一端相互连接并与接地吸收电阻Rp1连接，所述电阻R18的另一端分别与接地电阻R22和电阻R23的一端连接；

所述场效应管M9的源极分别与接地电阻R25和场效应管M10的栅极连接，所述场效应管M10的源极接地，所述场效应管M10的漏极分别与场效应管M9的漏极和场效应管M11的源极连接，所述场效应管M11的栅极与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端分别与接地电容C10和电阻R20的一端连接，所述电阻R20的另一端分别与场效应管M12的栅极、场效应管M12的漏极和电阻R21的一端连接，所述场效应管M12的源极与接地电阻R19连接，所述电阻R21的另一端与微带线L20的一端连接；

所述场效应管M11的漏极分别与电容C12的一端和电感Lq6的一端连接，所述电感Lq6的另一端分别与接地电容C11、电阻R23的另一端和微带线L20的一端连接；

所述电容C12的另一端分别与微带线L16的一端和微带线L18的一端连接，所述微带线L16的另一端分别与微带线L18的另一端、微带线L13的另一端和微带线L15的一端连接，所述微带线L13的另一端和微带线L15的另一端相互连接，并与微带线L21的一端连接，所述微带线L21的另一端作为所述平衡结构网络的输出端。

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