CN1219802A - 推挽式宽频带半导体放大器 - Google Patents

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深泽善亮
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Abstract

一种用于有线电阻等系统可抑制输出信号中合成二次失真(CSO)不利影响的推挽式宽频带半导体放大器。这种推挽式宽频带放大器包括分配器,第一和第二放大电路,以及一个将第一和第二放大电路放大了的两个信号合成一个信号并将合成信号输出的混合器。第一放大电路和第二放大电路的联结节点为虚拟地点,从交流信号角度其电位为OV。一个终端电路配置在这个虚拟地点与地点之间用于吸收虚拟地点产生的电平振荡。

Description

推挽式宽频带半导体放大器
本发明涉及一种半导体电路，特别是在有线电视(CATV)等系统中用于放大信号的一种推挽式宽频带放大器。
有线电视等这类系统要求采用能在宽频带内放大信号的宽频带放大器。有线电视系统中的宽频带放大器通常采用混合型集成电路(HICs)结构。
宽频带放大器电路结构的一种类型为推挽式。日本专利公开号No.52407/91(JP,03052407,A)中介绍的混合型推挽式宽频带放大器即为用于有线电视系统中的HIC宽频带放大器的一种示例。图1为表示JP03052407 A所述推挽式宽频带放大器的电路图。
这种宽频带放大器由140和150等两个放大电路单元组成，它们相互之间按推挽型式进行工作。这两个放大电路单元140和150均为级联放大电路，具有基本相同的内部电路结构，并相互联结在一起。第一个放大电路140由电阻R141-R145、电容器C141和C142、晶体管Tr141和Tr142等组成；第二个放大电路150由电阻器R151-R155、电容器C151和C152、晶体管Tr151和Tr152等组成。电容器C164为一射频(RF)偏压电容，电阻器R164和电容器C163为选择件。放大电路140和150之间的电阻器R161和电容器C163接收虚拟接地效应，用作控制晶体管Tr141和Tr151发射极交流阻抗的一种手段。
在上述电路结构中，输入信号由射频输入变压器T161输入到140和150放大电路，被放大电路140和150放大了的信号通过射频变压器T162进行输出。
直流电源(Vcc)通过电阻R162和R163及射频输出变压器T162对放大电路140和150进行供电。输出分路电容C165为选择件，其作用有助控制电路的输出阻抗和高频增益。
起放大作用的晶体管Tr141,Tr142,Tr151，及Tr152通常采用双极型晶体管，因为这类晶体管具有良好的高频特性。也可能采用其它类型的用于射频放大的元件、集成电路电路和零配件。
最后，晶体管Tr141和Tr151的基极同地点之间的选择件电容器(图中未画出)是用于改善输入阻抗的匹配。
具有推挽电路的有线电视HIC宽频带放大器通常会产生合成二次失真，但上述已有技术中的半导体电路并没有包含对这种合成二次失真(CSO)的补偿电路，仅仅是通过各推挽电路的电性能及元件间的平衡来抑制CSO引起的退化。
尽管可以采用调整变压器绕组或调整变压器端口间的平衡等方法来补偿图1所示的电路的CSO，但这类方法不能适应自动化的要求，需花费额外的时间，带来许多麻烦，导致成本提高。此外，电阻器R162和电容器C163及电阻器R163和电容器C164的电路常数仅由偏压条件所决定，而不能根据高频终端条件进行选择。因此，电阻器的电阻会随变压器的偏压常数而有较大范围的变化。例如，由于电容器C163和C164的原因，低至10Ω或更小的电阻值会导致高频短路状态，而高达100Ω或更大的电阻会导致高频高阻抗，而设定偏压的偶然性，可使有线电视HIC电路中的电阻值高达数百欧姆或更大，导致在高频区出现全反射。
如果由于元器件的差异等原因而使推挽电路失去平衡，则虚拟地点(图中的A点)会偏离其接地态，在虚地点将产生细微的高频电平振荡。这种振荡将成为一种振荡源，将产生高频电流的流动，而由于同虚拟地点相联的电路起着偏压电路的作用，所产生的振荡完全反射，从而生成行波和反射波。由这一行波和反射波会产生驻波，驻波的形成会引起相联栅极电平的更大振荡。这种电平的涨落得到放大，从而引起推挽电路的进一步失衡。
本发明是针对上述技术问题进行的，其目的是提供一种可对推挽电路中合成二次失真进行补偿的半导体电路。
本发明的目的通过一种半导体电路得以实现，其特征是这种半导体电路包括：一个将输入端输入的信号分解成两个不同相位信号的分配器；分别对分配器的信号进行放大的第一放大电路和第二放大电路；一个将第一和第二放大电路放大的两个信号进行合成并将结果进行输出的混合器；第一放大电路和第二放大电路的节点作为虚拟地点，从交流信号的角度其电平为0V；以及一个配置于地点和虚拟地点之间的用于吸收虚拟地点电平振荡的终端电路。
本发明中，在联接第一放大电路和第二放大电路的联接节点存在一个虚拟地点，从交流信号的角度此处的电平为0V；在这一虚拟地点和真实地点之间配置了一个终端电路，用于吸收在虚拟地点产生的电平振荡。因此，当在虚拟点产生振荡时，电平振荡将被这一终端电路所吸收。从而，即使在虚拟地点出现电平振荡的情况下，电平振荡也不会被反射，不会形成驻波。第一放大电路和第二放大电路之间的平衡可以保持，可以防止出现CSO失真问题。
联系表明本发明最佳实施例的附图所进行的下述说明将使本发明的优点、特征以及上述目的和其它目的更为清晰。
图1为一个电路图，表示用于有线电视系统的采用推挽电路现有技术的HIC宽频带放大器结构的一例；
图2为按本发明第一实施例的宽频带放大器电路图；以及
图3为依照本发明第二实施例的宽频带放大器的电路图。
图2所示为依照本发明第一实施例的推挽式宽频带放大器电路，它由两个按推挽方式工作的放大电路单元140和150构成。放大电路单元140及150均为级联放大电路，两个电路联结在一起，其内部电路结构基本相同。
第一个放大电路单元140包括作为发射极接地电路工作的晶体管Tr141和作为栅极接地电路工作的晶体管Tr142。晶体管Tr141的集电极同晶体管Tr142的发射极相连。电阻器R141配置于晶体管Tr141的基极与地点之间，电阻器R142配置在晶体管Tr141的射极与地点之间。电阻器R143的一端与晶体管Tr141的基极相连。此外，在晶体管Tr142的集电极和晶体管Tr141的基极之间配置了串联的电阻器R144和电容器C141，电容器C142同电阻器R144并联。电阻器R145的一端与晶体管Tr142的基极相连。
与第一个放大电路单元140类似，第二放大电路单元150由电阻器R151至R155、电容器C151和C152、及晶体管Tr151和Tr152构成。
射频输入变压器T161用于在两个放大电路单元140与150之间对输入信号进行分解。在输入信号端与地点之间配置了电容器C161。射频输入变压器T161两个输出端分别同晶体管Tr141和Tr151的基极相联。并联的电阻器R161和电容器C162配置在晶体管Tr141的发射极和晶体管Tr151的发射极之间。电阻器R161和电容器C162响应虚拟地点的作用，作为独立控制晶体管Tr141和Tr151交流发射极阻抗的手段。
电阻器R143的另一端与电阻器R153的另一端在第一节点相互连接，电阻器R145的另一端同电阻器R155的另一端在第二节点(A点)相互联结在一起。第一节点及第二节点通过电阻R162相连。第二节点，即A点，为虚拟地点。串联的电阻器R164和电容器C163配置在A点与地点之间。
为获取由放大电路部分140及150通过RF输出变压器T162放大的信号，射频输出变压器T162的输入绕组的接线端分别同晶体管Tr142和Tr152的集电极相联。输出分路电容C165配置在射频输出变压器T162输出绕组的一端和地点之间。
通过串联的电阻器R163和R165，电源电压Vcc同时施加于射频输出变压器T162的输入绕组的中间抽头及A点之上。电容器C164接在电源电压输入端和地点之间。并联的电阻器R166和电容器C166接在地点与电阻器R163和电阻R164的中点之间。电阻器R163和电容器C164构成偏压电路，电阻器R164和电容器C163也构成一偏压电路。
与虚拟地点A相联的电阻器R165的阻值设定在10-100Ω的范围内。这一电阻器R165和电容器C166构成虚拟地点A的终端电路。
以下将说明上述结构半导体电路的工作情况。
外来输入信号首先由变压器T161分解成两个信号，被分解后两个信号之间的相位差为180度。这两个信号分别在放大电路单元140和150中得到放大，然后由变压器T162进行合成，并由输出端输出。
如果放大电路单元140和150之间保持平衡，上述工作过程中的信号可用下式进行表达。在此，给出的系数到二次为止；此外，晶体管Tr141的基极表示为点C，晶体管Tr151的基极为点D，晶体管Tr142的集电极为点E，晶体管Tr152的集电极为点F。
如果入射波为Xcosωt，则点C和点D处的信号如下：
点C：(X/2)cosωt，
点D：(X/2)cos(ωt-π)。
若放大电路单元140和150的放大率为Y，则放大电路单元140和150输出信号如下：
点E：(XY/2)cosωt+Zcos2ωt，
点F：(XY/2)cos(ωt-π)+Zcos2(ωt-π)。
这里，点E和点F信号表达式中的第二项代表二次失真，它是产生CSO的主要来源。
之后，点E处的信号及点F处的信号在变压器T162处进行合成，因为点F处的信号相位为反相180°，故合成时：
E+F=(XY/2)cosωt+Zcos2ωt-(XY/2)cos(ωt-π)-Zcos2(ωt-π)
=XYcosωt。
因此，如果放大电路单元140和150之间保持平衡，即组成推挽电路的这两个放大电路单元140和150在电性能方面相同。则流过这两个放大电路单元的高频信号的波形和幅度也是相同的，只是相位相差180°。这样，只有基波得以输出，引起CSO的二次失真相互抵消而不输出出去。此时，点A的电平从交流信号的角度来看成为0V，可被视为处于接地状态。也可以说点A为一虚拟地点。换句话说，如果可将点A看作是个接地点，则放大电路单元140和150处于理想工作状态，偶次失真(特别是二次失真)分量得到抵消。
但实际上由于元器件差异等因素，放大电路单元140和150之间会失去平衡。当放大电路单元140和150失衡时，则不能将点A看成为交流地点，在点A处会产生交流信号。这一交流信号引起各晶体管栅极电平的振荡，这种振荡会被进一步放大，从而导致更大的偶次失真并在输出信号中不能得到抵消。
在上述半导体电路中采用电阻器R165和电容器C166构成一终端电路，由点A处电平振荡而产生的交流信号被电阻器R165所吸收。因此，由反射这一交流信号而引起的驻波不再形成，由驻波引起的平衡破坏及CSO引起的性能降低不会出现。
此外，如果在点A不发生电平振荡，处于推挽电路中性点的A从交流角度可被看作为强行接地。放大电路单元140和150之间的平衡因而也得以很好地维持，电路内部存在的固有非平衡因素得到改正，从而进一步防止了偶次(主要为CSO)失真。这样，电路的性能得到改进。
在图3所示本发明第二实施例的半导体电路中，输入到输入端1的一个信号被分解成两个信号，它们分别在放大电路12和13中得到放大，经放大电路12和13放大了的信号再进行合成和输出。放大电路12和13构成一推挽放大电路。
通过电容器C34和C35接地的变压器T1作为分配器，用于将由输入端1的信号分解为同相位的两个信号。通过电容器C37接地的变压器T2作为混合器，用于将放大电路12和12放大了的两个信号合成为一个信号。
放大电路12包括复式联接的场效应晶体管(FETs)Q11-Q13。在放大电路12中，相互并联的热变阻器Rt11和电阻器R13作为场效应晶体管Q11的栅极电阻，电感L13配置在场效应晶体管Q11的这一栅极电阻与栅极之间。电阻器R11、电容器C11及热变阻器Rt12相互串联，配置在场效应晶体管Q12的栅极与漏极之间，构成放大电路12的一级放大部分。场效应晶体管Q12的漏极通过串联的电阻器R12和电容器C12联接到一个规定的电位点，此外还通过电容器C13联接场效应晶体管Q11的栅极电阻(即热变阻器Rt11和电阻器R13)，还通过串联电感L11和电阻器17同场效应晶体管Q11的源极相连。电感L11同电阻器R17之间的连结点通过电容器C15同规定的电位点相联结。
在场效应晶体管Q12和Q13之间有串联的电阻器R14，电容器14及热变阻器Rt13。电阻器R16同场效应晶体管Q13的栅极相连。电阻器R15、电感L12和电容器C16相互并联，配置在场效应晶体管Q13的漏极与放大电路12输出端之间。场效应晶体管Q13的源极同场效应晶体管Q11的漏极相连。
放大电路13与放大电路12结构相同。包括复式联接的场效应晶体管Q12-Q23，电阻器R21-R27，热变阻器Rt21-Rt23，电容器C21-C26以及电感L21-L24，它们分别相应于放大电路12中的场效应晶体管Q11-Q13，电阻器R11-R17，热变阻器Rt11-Rt13，电容器C11-C16以及电感L11-L14。
放大电路12中场效应晶体管Q13的栅极通过电阻器R16和R26同放大电路13中场效应晶体管Q23的栅极相联接。
在变压器T1的输入侧，串联的电容器C33和电感L31配置在变压器T和输入端1之间，电容器C33和电感L31二者的联结点通过串联的电容器C31和电阻器R31同规定的电位点相连。电容器C33和电感L31二者的联结点通过电容器C32同规定的电位点相连。
在变压器T2的输出侧，电感L32和电容器C39串联在变压器T2和输出端之间，电感L32和电容器C39二者的联接点通过电容器C38同规定的电势点相连。
放大电路12的场效应晶体管Q11的源极通过电阻器R41同放大电路13的场效应晶体管Q21的源极相联。场效应晶体管Q11的栅极通过串接的电阻器R39和R40同Q21的栅极耦合。串联电阻R33和R34接在变压器T1和电阻器R39和R40的中点。电源电压Vdd施加在电阻器R33和R34之间的联接点。电阻器R33和变压器T1之间的联接点通过串联的电阻器R32和热变阻器Rt31同规定的电位点相联。电阻器R39和R40的中点通过电阻器R35同规定的电位点相联。
场效应晶体管Q12的源极通过电阻器R36同规定的电位点相联，场效应晶体管Q22的源极通过电阻器R38同规定的电位点相联，Q12和Q22的源极又通过电阻器R37相互联结。场效应晶体管Q13的栅极电阻R16同场效应晶体管Q23的栅极电阻26在A点相互联结，串联电阻R42和R43配置在点A和变压器T2之间。并联电阻R44和电容器C40设置在规定的电位点同电阻器R42和R43二者联结点之间。电源电压Vdd施加在电阻器R42和变压器T2之间的联结点上，电容器C36接在这一联结点和规定的电位点之间。
在此，热变阻器Rt11,Rt21和Rt31为随室温其阻值具有负温度系数变化的热敏电阻器件，热变阻器Rt12、Rt13、Rt22、Rt23和Rt32为随室温其值具有正温度系数变化的热敏电阻器件。
在这一半导体电路中，电阻器R43的电阻值为10-100Ω，配置在A点与电阻器R12之间，电容器C40接在规定的电位点与电阻器R42和R43二者之联接点之间，这些器件的电路常数均设定为终端条件。因此，从交流信号的角度点A的电平为0V，点A可被看作为接地的虚拟地点。因为点A位于由放大电路12和13组成的推挽电路的中性点，所以放大电路12和13可达到理想的工作状态，推挽电路输出中的偶次谐波失真(主要为二次失真)得到抵消。
在这种电路结构中，点A若出现电平振荡时，电阻器R43会吸收这种电平振荡，由这种振荡诱发的驻波便不会产生。因此，由驻波引起的偶次谐波失真(主要是二次失真)等欠缺因素得以防止。
从交流信号的角度看，A点不出现电平振荡相当于将A点强行接地。其结果是强力维持放大电路12和13之间的平衡，抵消电路内在的不平衡因素，进一步防止出现偶次谐波失真(主要为CSO)等缺陷。
在上述半导体电路结构中，具有负温度系数的热敏电阻R31和具有正温度系数的热敏电阻R32结合在一起构成为控制电阻，控制场效应晶体管Q11和Q12的栅极电位，因而可使电路中流过的电流在预定的参照温度下最小化，当温度高于或低于这一参照温度时，电路中流动的电流即为场效应晶体管Q11和Q12的漏极电流。
这样，当温度升高高于参照温度或温度降低低于参照温度时，失真均会减小，从而补偿室温变化时的失真。
此外，在这种半导体电路中，具有负温度系数的热变阻器Rt11和Rt12分别作为场效应晶体管Q11和Q21的栅极电阻。结果，放大电路12中由电感L12和电容C16谐振电路而产生的增益斜率中的增益随室温的涨落关系，被由电容器C13、热敏电阻Rt11和电感L13所组成电路中的品质因数随室温的涨落而抵消。因此，即使在室温变化的情况下，放大电路12的输出增益斜率的斜率曲线是均匀的。同样，不管室温如何变化，放大电路13输出增益斜率的斜率曲线也是均匀的。
在这种电路中，构成产生增益斜率的谐振电路的电路L12、电容器C16以及电感L23和电容器C26均配置在反馈回路之外。因此，阻抗的变化仅在输出侧，易于对阻抗进行修正。
上面已对本发明的最佳实施例进行了描述，这种描述仅仅是为了进行说明而已。应当了解，在不背离下述权利要求的精神和范围的情况下，可进行某些修改和存在某些变型。

Claims (10)

1、一种半导体电路，其特征在于电路包括：
一个将输入端输入的信号分解成具有不同相位的两个信号的分配器；
对所述分配器分解的信号分别进行放大的第一和第二放大电路；
一个将所述第一和第二放大电路放大了的两个信号进行合成并将合成信号进行输出的混合器；
一个从交流信号角度电位为0V的、作为所述第一放大电路和所述第二放大电路结点的虚拟地点；以及
一个配置在所述虚拟地点和地点之间的、用于吸收在所述虚拟地点产生的电平振荡的终端电路。
2、根据权利要求1所述半导体电路，其特征在于：所述半导体电路为推挽放大电路，所述分配器将所述输入端输入的信号分解成相位差为180°的两个信号并将这个信号分别分配给所述第一放大电路和所述第二放大电路。
3、根据权利要求1所述半导体电路，其特征在于：其中所述终端电路由一个电阻器和一个电容器串联组成。
4、根据权利要求3所述半导体电路，其特征在于：其中所述电阻器的电阻值大于或等于10Ω、小于或等于100Ω。
5、根据权利要求2所述半导体电路，其特征在于：其中所述终端电路由一个电阻器和一个电容器串联组成。
6、根据权利要求5所述半导体电路，其特征在于：其中所述电阻器的电阻值大于或等于10Ω、小于或等于100Ω。
7、根据权利要求2所述半导体电路，其特征在于：其中每个所述放大电路包括：
一个作为射极接地电路工作的第一晶体管；以及
一个作为基极接地电路工作的、将所述第一晶体管的输出进行放大的第二晶体管，所述第二晶体管的基极通过基极电阻同所述虚拟地点相联接。
8、根据权利要求2所述半导体电路，其特征在于：每个所述放大电路包括：
一个作为源极接地电路工作的第一场效应晶体管；以及
一个作为栅极接地电路工作的、将所述第一场效应晶体管的输出进行放大的第二场效应晶体管，所述第二场效应晶体管的栅极通过栅极电阻同所述虚拟地点相联接。
9、根据权利要求2所述半导体电路，其特征在于：每个所述放大电路都配备有一个反馈回路及相当数量的电阻元件和复式联接的场效应晶体管。
10、根据权利要求9所述半导体电路，其特征在于：至少一个所述复式联接的场效应晶体管的栅极通过栅极电阻同所述虚拟地点相连接。
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