专利名称：多级放大器的级间耦合的制作方法
技术领域：
本发明涉及多级放大器，更具体的是涉及带有改进型级间耦合的高频多级放大器。
背景技术：
多级放大器可以用于各种应用，包括光通信系统、卫星通信系统和移动通信系统，在此仅列举一二。在多级放大器中，一个增益级会对其前级产生不良的影响。这将导致总放大器性能下降，从而造成输出参数(例如频率响应和传输特性)的干扰。
例如，一个多级放大器可以有一个包括一双极性晶体管的差分对的增益级。该差分对可能有输入阻抗的有效电容元件。因为该电容元件在高频处起主导作用，将影响差分对之前的缓冲器的性能。缓冲器通常对负载输入阻抗的电容元件尤为敏感。该电容元件能在增益级的频率响应曲线图上产生不期望的尖峰。该不期望的尖峰会导致传输特性中峰-峰脉冲幅度多达10％的过度向上过冲和向下过冲。
因此本领域就需要有一种带改进型级间耦合的多级放大器来克服上述多级放大器中一个增益级对其前增益级的产生不良影响的缺陷。
发明内容
本发明的一种多级放大器包括一个有一个第一输入端和一个第一输出端的第一增益级；和一个有一个第一输入端的第二增益级。一个第一级间电阻性元件，该第一级间电阻性元件与第一增益级的第一输出端和第二增益级的第一输入端相串连。
本发明的另一方面提供了一种多级放大器的增益级，该增益级包括一个有一个第一晶体管和一个第二晶体管的差分对。一个连接于第一晶体管的第一端和控制端之间的第一反馈路径。该第一反馈路径提供一个第一反馈信号给第一晶体管的控制端，该第一反馈信号表示第一晶体管的第一端的第一信号电平。一个连接于第二晶体管的第一端和控制端之间的第二反馈路径。该第二反馈路径提供一个第二反馈信号给第二晶体管的控制端，该第二反馈信号表示第二晶体管的第一端的第二信号电平。
本发明的再一方面还提供了一种多级放大器的增益级，该增益级包括一差分对；和一个与该差分对的每个晶体管的第一端和控制端相连的反馈路径。该反馈路径提供一个表示第一端信号的反馈信号给控制端。
本发明的再一方面还提供了一种减小多级放大器的差分级输入阻抗的虚部对其前增益级影响的方法。本发明的方法包括步骤监控差分对的每个晶体管的第一端的信号；提供一个反馈信号给差分对的每个晶体管的控制端；和根据反馈信号调节每个晶体管的第一端的信号。
图1所示为本发明的有一个第一增益级和一个第二增益级、并在级间有一个级间电阻性元件的多级放大器的示范性实施例的框图；图2所示为可以作为图1中的第一增益级的一个单独增益级的示范性电路图；图3所示为图2中的增益级的输入阻抗的实部和虚部的示范性曲线图；图4所示为图2中电路的频率-增益的示范性曲线图，其中在高频处有一个增益的平滑下降；和图5所示为图2中电路的传输特性的示范性曲线图。
具体实施例方式
图1所示为有多个增益级102a、102b的多级放大器100的框图。尽管图中只示出两个增益级102a、102b，可以知道本发明的多级放大器可以有任何数目的增益级。通常，多级放大器100接收来自一对输入端130、132的一个输入信号，并在第二增益级102b的一对输出端110、112输出一个放大的输出信号。第一增益级还可以包括一个或多个输入引脚190、192和一个或多个输出引脚194、196。多级放大器100可以采用包括双极互补型金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺在内的各种半导体生产工艺制造在一块集成电路上。
第一增益级102a通常包括一差分对114a、一个第一反馈路径116a、一个第二反馈路径118a、一个第一缓冲器120a和一个第二缓冲器122a。一个第一级间电阻性元件(例如电阻R3A)和一个第二级间电阻性元件(例如，电阻R5A)可以连接于第一增益级102a的输入引脚190、192。通常，来自输入信号源或前增益级的输入信号通过第一和第二级间电阻性元件R3A和R5A传送至第一增益级102a的输入引脚190、192。第一增益级102a放大该输入信号并在第一和第二缓冲器120a、122a的输出处(例如，第一增益级102a的输入引脚194、196)产生一个第一增益级输出信号。
差分对114a包括一对由直流电流源140a偏置的晶体管Q1A、Q2A和电阻R1A、R2A。晶体管对Q1A、Q2A可以是本领域熟知的各种类型。在一个示范性的实施例中，晶体管对Q1A、Q2A为共发射极的双极性NPN型晶体管。NPN型晶体管Q1A的控制端，即基极可以与第一增益级102a的输入引脚190相连。输入引脚190还可以与第一级间电阻性元件(例如电阻R3A)相连，该第一级间电阻性元件与多级放大器100的输入引脚130相连。
同样，NPN型晶体管Q2A的控制端，即基极可以与第一增益级102a的另一个输入引脚192相连。输入引脚192还可以与第二级间电阻性元件(例如电阻R5A)相连，该第二级间电阻性元件与多级放大器100的输入引脚132相连。第一和第二级间电阻性元件可以是多个本领域熟知的电阻性元件或电阻的组合，来达到一个与单个电阻R3A和R5A相等效串连电阻。电阻R3A和R5A的阻值决定第一增益级102a的输入信号的电流值。
晶体管Q1A的集电极与第一缓冲器120a相连。同样，晶体管Q2A的集电极与第二缓冲器122a相连。第一增益级102a的第一增益输出信号可以分别在第一缓冲器120a或第二缓冲器122a的输出引脚194、196产生。
有利的是，第一增益级102a有一个在此所述的第一反馈路径116a和一个第二反馈路径118a分别来提供反馈信号给每个晶体管Q1A、Q2A，该反馈信号分别表示每个晶体管Q1A、Q2A的集电极信号。第一反馈路径116a提供一个从晶体管Q1A的集电极到晶体管Q1A的基极的路径。该第一反馈路径116a可以包括一个与第一电阻性元件(例如电阻R4A)相串连的第一检测元件143a。该第一检测元件143a可以为一个有源检测元件，例如晶体管Q3A。所示的晶体管Q3A可以是一个NPN型双极性晶体管，其控制端，即基极与晶体管Q1A的集电极相连，发射极通过电阻R4A与晶体管Q1A的基极相连，且集电极与电压Vcc相连。电阻R4A的阻值可以部分的基于晶体管Q1A和Q3A来选择，从而得到晶体管Q1A基极的反馈信号的期望电流电平。
同样，第一增益级102a的第二反馈路径118a提供一个反馈信号给差分对114a的另一个晶体管Q2A的控制端。该第二反馈路径116a可以包括一个与第二电阻性元件(例如电阻R6A)相串连的第二检测元件145a。所示的晶体管Q4A可以是一个NPN型双极性晶体管，其控制端，即基极与晶体管Q2A的集电极相连，发射极通过电阻R6A与晶体管Q2A的基极相连，且集电极与电压Vcc相连。电阻R6A的阻值可以部分的根据晶体管Q2A和Q4A来选择，从而得到晶体管Q2A基极的反馈信号的期望电流电平。
第二增益级102b可以与第一增益级102a有相似的结构。即，第二增益级102b可以有一个第一反馈路径116b和一个第二反馈路径118b分别给差分对114b的每个晶体管Q1B、Q2B提供本地反馈。第二增益级102b还可以包括一个第一级间电阻性元件(例如电阻R3B)和一个第二级间电阻性元件(例如电阻R5B)。电阻R3B和R5B可以串连于第一增益级102a的缓冲器120a、122a的输出和第二增益级102b的晶体管Q1B和Q2B的控制端之间，从而控制级间耦合电流。
工作中，第一增益级102a接收到输入引脚190、192的输入信号。输入信号的电流电平取决于第一和第二级间电阻性元件(例如R3A、R5A)的阻值。该信号接着被发送至差分对114a的晶体管对Q1A、Q2A的控制端。反馈路径116a、118a提供一个表示晶体管Q1A、Q2A的集电极信号的反馈信号给晶体管Q1A、Q2A的基极。
如此，由于引脚190、192的输入信号与分别来自晶体管Q1A和Q2A的反馈路径116a、118a的反馈信号叠加，从而产生并联反馈。该类型的反馈减小了多级放大器100的输入阻抗，在反馈输入信号增大时就变小为直至零。因此，反馈路径116a、118a使增益级102a的输入阻抗的虚部在一个很广的频率范围内(例如，从0到10G赫兹)保持在零左右。这进一步保证多级放大器100的增益级不会对其前增益级的性能产生不良影响。例如，第二增益级102b和第一增益级102a工作相似，从而第二增益级102b不会对有缓冲器120a、122a的第一增益级的性能产生不良影响。第二增益级102b和第一增益级102a之间的级间电阻性元件(例如电阻R3B和R5B)决定了输入阻抗的实部。无源电阻R3B和R5B的阻抗都有一个很小的虚部。
图2所示为采用图1中的第一增益级102a的示范性电路图。为清楚起见，图2中相似的部件与图1中第一增益级102a标号相同。本领域的技术人员知道图2所示的示范性电路图可以应用于任何增益级。
增益级102a的差分对114a包括由直流偏置部分140a提供偏置的晶体管对Q1A、Q2A，和电阻R1A、R2A。直流偏置部分140a包括共基极的晶体管Q5、Q6。Q5的发射极与电阻R7相连，Q6的发射极与电阻R8相连。晶体管Q6的集电极与每个晶体管Q1A、Q2A的发射极相连，从而给差分对114a提供直流偏置。
第一反馈路径116a包括晶体管Q3A和电阻R4A，从而提供表示晶体管Q1A的集电极信号的反馈信号给晶体管Q1A的基极。同样，第二反馈路径118a包括晶体管Q4A和电阻R6A，从而提供表示晶体管Q2A的集电极信号的反馈信号给晶体管Q2A的基极。
差分对114a的第一晶体管Q1A的集电极可以与第一缓冲器120a相连。第一缓冲器120a包括晶体管Q7，其发射极与电阻R9相连，从而构成一个射极跟随器电路。该射极跟随器电路的输出进一步与晶体管Q8和电阻R10构成的射极跟随器电路相连。输出引脚Out 1与晶体管Q8和电阻R10构成的射极跟随器电路的输出相连。
同样，差分对114a的另一个晶体管Q2A的集电极可以与第二缓冲器122a相连。第二缓冲器122a包括晶体管Q9，其发射极与电阻R11相连，从而构成一个射极跟随器电路。射极跟随器电路的输出进一步与晶体管Q10和电阻R12构成的射极跟随器电路相连。输出引脚Out 2与晶体管Q10和电阻R12构成的射极跟随器电路的输出相连。
图3所示为图2中的单个增益级102a的输入阻抗的实部302和虚部304的示范曲线图。实部302在0至2G赫兹的频率范围内约为570欧姆。实部在10G赫兹处上升为674欧姆，在20G赫兹处下降为600欧姆。有利的是，虚部304的曲线图在0至10G赫兹的很大频率范围内都约为零欧姆。如此，虚部304可被看成为零欧姆左右。这样在增益级102之前的任何缓冲器都不会受到差分对114a的输入阻抗的虚部的不良影响。另外，实部302也被看成另外一个不同的常数值，例如在该例中约为570欧姆。
图4所示为两个不同的仿真状况下频率响应的示范性曲线图402、404。第一示范曲线图402表示一个示范性的单个增益级(例如图2的增益级102a)的频率响应。在此情况下，曲线图402在大于等于8G赫兹的频率范围处有一个平滑的下降。
第二示范曲线图404表示两个增益级放大器100的示范性增益级102a的频率响应。该放大器100包括两个相同的增益级102a、102b；第一和第二本地反馈路径116b、118b，而不会对前增益级102a产生不良影响。在该例中，示范曲线图404在大于等于8G赫兹的频率范围处也有一个平滑的下降。
图4所示的曲线图404在大于等于8G赫兹频率范围处平滑的下降得到图5所示的示范性传输特性。有利的是，图5所示的示范曲线图500有一个仅为1％峰-峰脉冲幅度的包括向上过冲502和向下过冲504部分的脉冲波形。
在此所述的实施例只是采用本发明的其中几个，但并不受限于本发明。显而易见，还存在其它本领域的技术人员了解的并不脱离权利要求所定义的本发明的精神和范围的实施例。
权利要求
1.一种多级放大器包括一个包括一个第一输入端和一个第一输出端的第一增益级；一个包括一个第一输入端的第二增益级；一个第一级间电阻性元件，所述第一级间电阻性元件与所述第一增益级的所述第一输出端和所述第二增益级的所述第一输入端相串连。
2.根据权利要求1所述的多级放大器，其中所述第一级间电阻性元件包括一个电阻。
3.根据权利要求1所述的多级放大器，其中所述第一增益级还包括一个第二输入端和一个第二输出端，所述第二增益级包括一个第二输入端，且所述多级放大器还包括一个第二电阻性元件，所述第二电阻性元件与所述第一增益级的所述第二输出端和所述第二增益级的所述第二输入端相连。
4.根据权利要求1所述的多级放大器，其中所述第二增益级包括一个包括一个第一晶体管和一个第二晶体管的差分对；一个连接于所述第一晶体管的第一端和控制端之间的第一反馈路径；所述第一反馈路径提供一个第一反馈信号给所述第一晶体管的所述控制端，所述第一反馈信号表示所述第一晶体管的所述第一端的第一信号电平；和一个连接于所述第二晶体管的第一端和控制端之间的第二反馈路径；所述第二反馈路径提供一个第二反馈信号给所述第二晶体管的所述控制端，所述第二反馈信号表示所述第二晶体管的所述第一端的第二信号电平。
5.根据权利要求4所述的多级放大器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管为双极性晶体管。
6.根据权利要求5所述的多级放大器，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管为NPN型双极性晶体管，且所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端为集电极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端为基极。
7.根据权利要求4所述的多级放大器，其中所述第一反馈路径还包括一个与所述第一晶体管的所述第一端相连的第一检测元件，所述第一检测元件检测所述第一晶体管的所述第一端的所述第一信号电平，且所述第二反馈路径还包括一个与所述第二晶体管的所述第一端相连的第二检测元件，所述第二检测元件检测所述第二晶体管的所述第一端的所述第二信号电平。
8.根据权利要求7所述的多级放大器，其中所述第一反馈路径包括一个与所述第一晶体管的所述控制端相串连的一个第一反馈电阻性元件，所述第二反馈路径包括一个与所述第二晶体管的所述控制端相串连的一个第二反馈电阻性元件。
9.根据权利要求8所述的多级放大器，其中所述第一检测元件包括一个第一检测晶体管，所述第一检测晶体管有一个与所述第一晶体管的所述第一端相连的控制端和一个与所述第一反馈电阻性元件相连的第一端；所述第二检测元件包括一个第二检测晶体管，所述第二检测晶体管有一个与所述第二晶体管的所述第一端相连的控制端和一个与所述第二反馈电阻性元件相连的第一端。
10.根据权利要求9所述的多级放大器，其中所述第一检测晶体管为一个NPN型双极性晶体管，所述第一检测晶体管的所述控制端为基极，所述第一检测晶体管的所述第一端为发射极，其中所述第二检测晶体管为一个NPN型双极性晶体管，所述第二检测晶体管的所述控制端为基极，所述第二检测晶体管的所述第一端为发射极。
11.一种多级放大器的增益级，包括一个包括一个第一晶体管和一个第二晶体管的差分对；一个连接于所述第一晶体管的第一端和控制端之间的第一反馈路径；所述第一反馈路径提供一个第一反馈信号给所述第一晶体管的所述控制端，所述第一反馈信号表示所述第一晶体管的所述第一端的第一信号电平；和一个连接于所述第二晶体管的第一端和控制端之间的第二反馈路径；所述第二反馈路径提供一个第二反馈信号给所述第二晶体管的所述控制端，所述第二反馈信号表示所述第二晶体管的所述第一端的第二信号电平。
12.根据权利要求11所述的增益级，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管为双极性晶体管。
13.根据权利要求12所述的增益级，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管为NPN型双极性晶体管，且所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端为集电极，所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端为基极。
14.根据权利要求11所述的增益级，其中所述第一反馈路径还包括一个与所述第一晶体管的所述第一端相连的第一检测元件，所述第一检测元件检测所述第一晶体管的所述第一端的所述第一信号电平，且所述第二反馈路径还包括一个与所述第二晶体管的所述第一端相连的第二检测元件，所述第二检测元件检测所述第二晶体管的所述第一端的所述第二信号电平。
15.根据权利要求14所述的增益级，其中所述第一反馈路径包括一个与所述第一晶体管的所述控制端相串连的一个第一反馈电阻性元件，所述第二反馈路径包括一个与所述第二晶体管的所述控制端相串连的一个第二反馈电阻性元件。
16.根据权利要求15所述的增益级，其中所述第一检测元件包括一个第一检测晶体管，所述第一检测晶体管有一个与所述第一晶体管的所述第一端相连的控制端和一个与所述第一反馈电阻性元件相连的第一端；所述第二检测元件包括一个第二检测晶体管，所述第二检测晶体管有一个与所述第二晶体管的所述第一端相连的控制端和一个与所述第二反馈电阻性元件相连的第一端。
17.根据权利要求16所述的增益级，其中所述第一检测晶体管为一个NPN型双极性晶体管，所述第一检测晶体管的所述控制端为基极，所述第一检测晶体管的所述第一端为发射极，其中所述第二检测晶体管为一个NPN型双极性晶体管，所述第二检测晶体管的所述控制端为基极，所述第二检测晶体管的所述第一端为发射极。
18.一种多级放大器的增益级，包括一个差分对；和一个与所述差分对的每个晶体管的第一端和控制端相连的反馈路径，所述反馈路径提供一个表示所述第一端信号的反馈信号给所述控制端。
19.根据权利要求18所述的增益级，还包括一个与所述晶体管对中的至少一个的控制端相串连的第一级间电阻性元件。
20.根据权利要求19所述的增益级，其中所述第一级间电阻性元件包括一个电阻。
21.一种减小多级放大器的差分级输入阻抗的虚部对其前增益级影响的方法，所述方法包括步骤监控所述差分对的每个晶体管的第一端的信号；提供一个反馈信号给所述差分对的每个所述晶体管的控制端；和根据所述反馈信号调节每个所述晶体管的所述第一端的所述信号。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括步骤把一个级间电阻性元件与所述差分对的所述每个晶体管的所述控制端相串连。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述级间电阻性元件包括一个电阻。
全文摘要
一种多级放大器包括有一个第一输入端和一个第一输出端的第一增益级；和一个有一个第一输入端的第二增益级。一个第一级间电阻性元件与第一增益级的第一输出端和第二增益级的第一输入端相串连，从而减小一个增益级对前增益级产生的不良影响。该多级放大器还包括一个差分对，其带有差分对的每个晶体管的本地反馈路径。该本地反馈路径使得差分放大器的输入阻抗的虚部稳定。该稳定能帮助减小一个增益级对其前增益级产生的不良影响。
文档编号H03F3/68GK1523752SQ20041000556
公开日2004年8月25日 申请日期2004年2月18日 优先权日2003年2月18日
发明者弗拉基米尔·普里阿尼许尼柯夫, 亚历山大·克尔道诺夫, 奥莱格·克比尔德基诺夫, 克比尔德基诺夫, 大 克尔道诺夫, 弗拉基米尔 普里阿尼许尼柯夫 申请人:美国凹凸微系有限公司