CN118249780B - 一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阻抗变换器领域，具体涉及一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，具有可调输入偏置并能在宽频带内放大信号。本发明提供一种基于差分结构的、可调输入偏置的宽带阻抗变换器，包含一个输入端口，两个输出端口，一对共源共栅晶体管差分对，一对对称的输入缓冲级，一个尾电流源，两个缓冲级电流源，一个外部栅极电压源，若干电阻和隔直电容，共源共栅晶体管差分对由两个对称的共源共栅晶体管构成。对于一侧的共源共栅晶体管：由两个晶体管堆叠而成，其中一个晶体管的源极与另一个晶体管的漏极相连，组成共源共栅结构。本发明适用于阻抗变换器结构。
Description
技术领域
本发明涉及阻抗变换器领域，具体涉及一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器。
背景技术
阻抗匹配是射频电路领域的基本设计方法。为了确保电路中源端的输入功率可以无损传输到输出端，电路的输入阻抗和输出阻抗需要分别与源端和负载端的阻抗相匹配。当电路阻抗失配时，信号会产生反射，降低功率传输的效率。有时系统前后级电路的阻抗并不相同，可能出现前级电路阻抗较大，后级电路阻抗较小的情况，阻抗变换器的目的就是让电路输入和输出电阻与系统前后级电路阻抗匹配，以保证整个系统的最大功率传输。
在通信系统中，差分放大电路通过同时采集和放大两个输入信号之间的差异，可以提高增益，抑制偶数阶谐波并拥有良好的抗共模干扰信号性能。随着通信技术的不断发展，射频系统趋于复杂化，差分放大结构不仅要实现良好的阻抗匹配，并且在某些特殊应用中，射频系统的输入信号会直接耦合带有一定变化的直流分量，这会影响差分对中晶体管的直流工作点，影响放大电路的性能。此外，在一些需要单端采集信号的情境下，如天线对信号的接收时，差分电路需要在宽频带内输入单端信号并输出处理后的差模信号，因此本发明以差分电路结构为基础，设计了一种具有可调输入偏置并能在宽频带内放大信号的阻抗变换器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，具有可调输入偏置并能在宽频带内放大信号。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，本发明提供一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，包括：
包括第一晶体管pHEMT1、第二晶体管pHEMT2、第三晶体管pHEMT3、第四晶体管pHEMT4、第五晶体管pHEMT5、第六晶体管pHEMT6、第一电流源I1、第二电流源I2以及第三电流源I3；
所述第二晶体管pHEMT2的源级与第三晶体管pHEMT3的漏极连接，第三晶体管pHEMT3的源级分别与第五晶体管pHEMT5的源级以及第二电流源I2连接，第二晶体管pHEMT2的漏极作为第一信号输出端，并与漏极电压源VDD连接，第五晶体管pHEMT5的漏极与第四晶体管pHEMT4的源级连接，第四晶体管pHEMT4的漏极作为第二信号输出端，并与漏极电压源VDD连接；
所述第二晶体管pHEMT2的栅极与第一晶体管pHEMT1的漏极连接，第一晶体管pHEMT1的漏极与栅极电压源Vg连接，第一晶体管pHEMT1的源级分别与第三晶体管pHEMT3的栅极以及第一电流源I1连接，第一晶体管pHEMT1的栅极接收输入信号；
所述第四晶体管pHEMT4的栅极与第六晶体管pHEMT6的漏极连接，第六晶体管pHEMT6的漏极与栅极电压源Vg连接，第六晶体管pHEMT6的源级分别与第五晶体管pHEMT5的栅极以及第三电流源I3连接，第六晶体管pHEMT6的栅极与栅极电压源Vg连接。
进一步的是，该阻抗变换器还包括第三电阻R3与第四电阻R4，第一晶体管pHEMT1的栅极通过第三电阻R3以及第四电阻R4与第一晶体管pHEMT1的漏极连接。
进一步的是，该阻抗变换器还包括第五电阻R5与第六电阻R6，第六晶体管pHEMT6的漏极通过第五电阻R5以及第六电阻R6与第六晶体管pHEMT6的栅极连接。
进一步的是，该阻抗变换器还包括第一电阻R1与第二电阻R2，第二晶体管pHEMT2的漏极通过第二电阻R2与漏极电压源VDD连接，第四晶体管pHEMT4的漏极通过第一电阻R1与漏极电压源VDD连接。
进一步的是，该阻抗变换器还包括第一电容C1与第二电容C2，第二晶体管pHEMT2的漏极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端作为第一信号输出端，第四晶体管pHEMT4的漏极与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端作为第二信号输出端。
本发明的有益效果为：
本发明削弱了带变化直流耦合的输入信号对晶体管工作点的影响，实现了对于有变化直流偏置输入信号的放大。
本发明输出缓冲级的设计使得该差分放大电路可以在宽频带内实现信号的放大。
本发明通过控制输入缓冲级的反馈电阻和共源共栅差分对的漏极电阻阻值可以使电路的输入输出阻抗由高阻向低阻转变，在一定频率内实现阻抗变换。
本发明通过差分对结构使电路可以实现信号的单端输入和差分输出。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器电路结构图；
图3是本发明实施例提供的差分端口输出的相位和幅度对比示意图；
图4是本发明实施例提供的在特定工作频带内的输入输出阻抗示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明设计了一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，如图1所示，主要由一个共源共栅晶体管差分对，两个对称的源极跟随器，和三个恒定电流源组成。共源共栅晶体管差分对由两个对称的共源共栅晶体管构成，对于一侧的共源共栅晶体管：由两个晶体管堆叠而成，其中一个晶体管的源极与另一个晶体管的漏极相连，组成共源共栅结构。
其中输入信号中耦合了直流分量，输入信号单端输入至其中一个源极跟随器。源极跟随器的漏极与共源共栅晶体管共栅管的栅极连接，源极与共源管的栅极连接。另一侧的源极跟随器由一个可调的栅极电压源提供与输入信号相同的直流偏置，这使得两边共源共栅差分对可以工作在同一直流工作点下并具有相同的变化幅度。使用源极跟随器的作用之一是拓展带宽，源极跟随器的带宽比共源极大，若输入信号直接连接至共源晶体管，共源晶体管中由于存在电容的密勒效应会降低带宽。此外，使用源极跟随器还可以更好的匹配和调节电路的输入阻抗，源极跟随器作为输入缓冲级将输入与后级电路隔离开，这样整个电路的输入阻抗就基本由源极跟随器的反馈电阻决定。在调节输入阻抗和输出阻抗时，改变源极跟随器反馈电阻的阻值就可改变电路的输入阻抗值。对于共源共栅晶体管差分对，本发明为共源共栅管设定不同的尺寸以抵御变化的直流偏置带来的影响。当外部直流偏置变化时，共源管的栅、漏电压应该随着偏置变化以稳定其自身的工作点。因此本发明选取合适的共栅管尺寸，使共栅管工作在电流随栅源、漏源电压变化较小的区域，这样共栅管就可以承受较大的漏源分压变化而维持共源管的工作状态。本发明的输出阻抗主要由差分对漏极电阻的阻值决定，选取好共栅管的尺寸和漏极电阻的阻值后，可以根据电流选取合适的漏极供电电压。
本发明设计一个0-20GHz的基于差分结构的输入直流耦合，具有可调输入偏置的宽带阻抗变换器。假设输入信号带有-1V~1V的直流偏置。如图2所示，该实例结构主要由6个pHEMT晶体管，3个恒定电流源，一个外部栅极电压源，两个漏极电压源和若干电阻组成。其中pHEMT2~pHEMT5构成两侧对称的共源共栅pHEMT差分对，差分对各由一个输入缓冲级pHEMT1，pHEMT6连接。左侧缓冲级接入输入信号源Vin，输入信号源带有-1~1V变化的偏置。右侧缓冲级接入外部栅极电压源Vg，Vg同时给两侧的输入缓冲级pHEMT1和pHEMT6漏极供电，也连接共源共栅晶体管的共栅管的栅极。外部栅极电压源Vg提供与输入信号源相同的直流偏置。为了提高本实例电路的稳定性，以左侧为例，在输入缓冲级pHEMT1的栅极加入了串联电阻R3和负反馈电阻R4。漏极电压源VDD为差分对提供相同的漏极电压。两侧输入缓冲级晶体管分别连接电流源I1和电流源I3，共源共栅差分对连接尾电流源I2。共源共栅支路中共栅管的尺寸大于共源管的尺寸，两侧差分对对应位置上的晶体管尺寸相同。在本实例中，输入缓冲级晶体管尺寸大于共源管的尺寸，小于共栅管的尺寸。两个输出端口Vout1、Vout2分别通过隔直电容C1与C2连接差分对的漏极。
本实例中通过外部栅极电压源和晶体管尺寸的设计以解决带有变化的偏置的输入信号对电路特性带来的影响。具体实施方式如下：令外部栅极电压源Vg跟随输入信号偏置变化，因此当输入信号偏置变化时，共栅管的栅极电压会随着与其连接的Vg而改变，共源管的栅极电压会随着用作源极跟随器的输入缓冲级的栅极变化。因此，共源管和共栅管的栅极电压变化幅度相同。此外，由于输入缓冲级晶体管的漏极也与Vg连接，因此共源管和共栅管的栅极间的压差基本与输入缓冲级晶体管的栅源电压相同。因此在通过电流源I1和I3选取晶体管pHEMT1和pHEMT6的工作点时，尽量选取栅源电压较大的区域以确保共栅管可以处于开启状态。在选取共源管和共栅管的尺寸时，先确定共源管的尺寸及其工作点。共源管的工作点应在考虑增益的同时尽量使栅源电压增大，漏源电压减小，以减小共栅管源极处的电压使共栅管处于开启状态。在确定了共源管的工作点后，尾电流源的值即可确定。当外部输入信号偏置变化时，为了保证共源管的工作点的稳定，共源管的漏极也应该跟随偏置变化的幅度而变化。共源管的漏极电压是由共栅管的工作状态决定的。因此要令共栅管的源极电压也可以随着输入偏置而变化。由于通过共栅管的电流是确定的，共栅管漏极处的电压基本不变，外部栅极电压源Vg可以控制共栅管的栅极电压随着输入偏置变化，因此在确定共栅管尺寸和工作点时，需要选取电流随漏源，栅源电压变化较小的点令共栅管可以承受较大的漏源分压变化。在确定共栅管的工作点后，通过尾电流和漏极电阻R1和电阻R2的值可以得到一个合适的漏极电压值VDD为共栅管提供合适的漏极电压。在采用上述设计方法后，当输入信号从-1~1V变化时，共源管的栅，漏电压会随着输入偏置变化而变化，工作点保持稳定，共栅管由于选取了电流随电压变化较小的工作点的原因，可以承担变化较大的漏源分压但仍有基本不变的电流。本发明实例中差分电路结构在不同输入偏置的情况下（-1V~1V）具有基本重合的端口特性曲线，这说明整个电路基本上可以不受输入偏置的影响，晶体管可以维持稳定的工作状态。
本发明实例使用源极跟随器作为输入缓冲级以消除高频下共源晶体管寄生电容密勒效应的影响，扩展差分结构的带宽。该差分电路结构在0-20GHz中具有平稳的增益曲线，显示了该设计具有极宽的工作频带。
本实例中利用对称连接的差分对结构使电路可以实现单端输入，差分输出。图3显示了两侧差分对输出端口的特性对比。可以看到在0~30GHz内，两侧输出端口的相位差小于3°，幅度差小于0.25，说明该实例的差分对在宽频带内可以保持良好的工作特性，不会导致信号的失真。
如图2，本发明的输入阻抗和输出阻抗分别主要由输入缓冲级的反馈电阻R4，R5，和差分对漏极电阻R1，R2决定。调整上述电阻的阻值可以使输入，输出阻抗由高阻往低阻转换。本发明实施例的输入输出阻抗与工作频率的关系如图4所示，可以看到在0~1GHz内，输入输出阻抗的阻值可以由高阻往低阻转换并保持基本稳定，通过该方式可以实现当前级电路阻抗较大，后级电路阻抗较小时的阻抗匹配。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，其特征在于，包括第一晶体管(pHEMT1)、第二晶体管(pHEMT2)、第三晶体管(pHEMT3)、第四晶体管(pHEMT4)、第五晶体管(pHEMT5)、第六晶体管(pHEMT6)、第一电流源(I1)、第二电流源(I2)以及第三电流源(I3)；
所述第二晶体管(pHEMT2)的源级与第三晶体管(pHEMT3)的漏极连接，第三晶体管(pHEMT3)的源级分别与第五晶体管(pHEMT5)的源级以及第二电流源(I2)连接，第二晶体管(pHEMT2)的漏极作为第一信号输出端，并与漏极电压源(VDD)连接，第五晶体管(pHEMT5)的漏极与第四晶体管(pHEMT4)的源级连接，第四晶体管(pHEMT4)的漏极作为第二信号输出端，并与漏极电压源(VDD)连接；
所述第二晶体管(pHEMT2)的栅极与第一晶体管(pHEMT1)的漏极连接，第一晶体管(pHEMT1)的漏极与栅极电压源(Vg)连接，第一晶体管(pHEMT1)的源级分别与第三晶体管(pHEMT3)的栅极以及第一电流源(I1)连接，第一晶体管(pHEMT1)的栅极接收输入信号；
所述第四晶体管(pHEMT4)的栅极与第六晶体管(pHEMT6)的漏极连接，第六晶体管(pHEMT6)的漏极与栅极电压源(Vg)连接，第六晶体管(pHEMT6)的源级分别与第五晶体管(pHEMT5)的栅极以及第三电流源(I3)连接，第六晶体管(pHEMT6)的栅极与栅极电压源(Vg)连接。
2.根据权利要求1所述的输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，其特征在于，该阻抗变换器还包括第三电阻(R3)与第四电阻(R4)，第一晶体管(pHEMT1)的栅极通过第三电阻(R3)以及第四电阻(R4)与第一晶体管(pHEMT1)的漏极连接。
3.根据权利要求1所述的输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，其特征在于，该阻抗变换器还包括第五电阻(R5)与第六电阻(R6)，第六晶体管(pHEMT6)的漏极通过第五电阻(R5)以及第六电阻(R6)与第六晶体管(pHEMT6)的栅极连接。
4.根据权利要求1所述的输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，其特征在于，该阻抗变换器还包括第一电阻(R1)与第二电阻(R2)，第二晶体管(pHEMT2)的漏极通过第二电阻(R2)与漏极电压源(VDD)连接，第四晶体管(pHEMT4)的漏极通过第一电阻(R1)与漏极电压源(VDD)连接。
5.根据权利要求1所述的输入直流耦合且输入偏置可调的宽带阻抗变换器，其特征在于，该阻抗变换器还包括第一电容(C1)与第二电容(C2)，第二晶体管(pHEMT2)的漏极与第一电容(C1)的一端连接，第一电容(C1)的另一端作为第一信号输出端，第四晶体管(pHEMT4)的漏极与第二电容(C2)的一端连接，第二电容(C2)的另一端作为第二信号输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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