一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路的制作方法

1.本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路。


背景技术：

2.光通信、测试仪表、软件无线电、宽带无线通信、高速率数据传输和电子对抗等应用中需要用到大量宽带高性能放大器。分布式放大器利用晶体管的寄生电容结合分布电感构建人工传输线，可以实现很宽的带宽，常被用来设计满足以上带宽需求的宽带放大器。常见的分布式放大器根据增益单元电路的不同分为共源分布式放大器和共源-共栅分布式放大器结构等。相较于共源极放大单元，由于共源-共栅放大单元电路减小了密勒电容的影响，同时增加了电压摆幅，共源-共栅分布式放大器较共源极分布式放大器具有更高的增益带宽和输出功率能力。为了进一步提升分布式放大器的性能，也有的分布式放大器电路中通过采用包括达林顿结构等在内的寄生参数更小的增益单元和在传统的增益单元引入峰化电感等技术改善分布式放大器的增益和带宽。但是，总的来说，分布式放大器普遍存在增益低和功耗大的不足。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路。采用电流复用结构，可有效减小直流功耗的同时，显著提升分布式放大器的增益；而采用单向化技术，拓展了分布式放大器的高频增益带宽。本实用新型作为一种分布式放大器的备选方案，可有效解决现有分布式放大器电路存在的增益低、增益带宽小和直流功耗大的问题。
4.本实用新型通过下述技术方案实现：
5.一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路，包括一端为信号输入端、另一端为第一接地端(定义为栅极传输线的终端)的栅极传输线以及一端为信号输出端、另一端为第二接地端(定义为漏极传输线的终端)的漏极传输线，位于第一接地端的栅极传输线和位于第二接地端的漏极传输线分别串接有阻抗为zo的负载，所述栅极传输线和所述漏极传输线之间设置有n个采用电流复用结构结合单向化技术的增益单元，n为大于等于2的正整数，所述栅极传输线即信号输入传输线，所述栅极传输线与第i个所述增益单元之间通过第一晶体管m
1i
相连接，i＝1,2
…
n，所述第一晶体管m
1i
的栅极连接在所述栅极传输线上，且在所述栅极传输线上，每个所述第一晶体管m
1i
的栅极与所述栅极传输线连接的连接点的前后分别串联有电感值为lg/2的第一子分布电感，位于两个增益单元之间的两个第一子分布电感组成第一分布电感lg；所述栅极传输线的信号输入端和与该栅极传输线的信号输入端相邻的所述第一分布电感之间以及设置在所述栅极传输线终端的负载zo和与该栅极传输线终端的负载zo相邻的所述第一子分布电感之间分别串联设有隔直流电容c；所述漏极传输线与第i个增益单元之间通过第二晶体管m
2i
的漏极串接第二峰化电感l
d2
连接，i＝1,2
…
n，且在所述漏极传输线上，每个所述第二峰化电感l
d2
与所述漏极传输线连接
的连接点的前后分别串联有电感值为ld/2的第二子分布电感，位于两个增益单元之间的两个第二子分布电感组成第二分布电感ld；所述漏极传输线的信号输出端和与该漏极传输线的信号输出端相邻的第二子分布电感之间以及设置在所述漏极传输线终端的负载和与该漏极传输线终端的负载相邻的所述第二子分布电感之间分别串联有隔直流电容c。
6.作为优化，每个所述增益单元均包括第一晶体管m
1i
和第二晶体管m
2i
，所述第一晶体管 m
1i
的漏极与第二晶体管m
2i
的源极之间依次串联有第一峰化电感l
d1
和扼流电感l1。
7.作为优化，所述第二晶体管m
2i
的栅极与第一峰化电感l
d1
和扼流电感l1的连接点之间通过串联第一电容c1相连接。
8.作为优化，所述第二晶体管m
2i
的漏极通过串联第二峰化电感l
d2
与漏极传输线连接。
9.作为优化，所述第一晶体管m
1i
源极接地。
10.作为优化，所述第二晶体管m
2i
的源极通过串接第二电容c2接地。
11.信号从第一晶体管的漏极输出，经过第一峰化电感l
d1
后，由于有扼流电感l1的存在，信号不会进入第二晶体管m
2i
的源极，而是通过第一电容c1耦合到第二晶体管的栅极，第一电容c1是为了确保第二晶体管偏置在特定的状态下引入的，第一电容c1实质为一个隔直流电容，第二晶体管m
2i
的源极设置第二电容c2，第二电容c2给射频信号提供了一个射频地，所以，信号从第二晶体管m
2i
的栅极进入以后，信号相当于为共源极放大，在相同条件下，共源极放大器的增益比共栅极放大器的增益大，所以本实用新型提出的增益单元相较于现有的共源共栅增益单元可以达到更高的增益。
12.作为优化，在非靠近栅极传输线终端的所述增益单元中，所述第一峰化电感l
d1
和所述栅极传输线与该增益单元的第一晶体管m
1i
的栅极连接的连接点的下游的第一分布电感lg耦合，在靠近栅极传输线终端的所述增益单元中，所述第一峰化电感l
d1
和所述栅极传输线与该增益单元的第一晶体管m
1i
的栅极连接的连接点的下游的第一子分布电感lg耦合。
13.由于第一晶体管m
1i
的栅极跟漏极之间有寄生电容，即密勒电容，信号经过第一晶体管 m
1i
放大到达第一晶体管漏极后会通过密勒电容负反馈回到信号输入端，而在信号输入端的信号也会不经过第一晶体管放大而通过密勒电容直接前馈到信号输出端(第一晶体管m
1i
漏极)。因为密勒电容比较小，对高频信号影响比较大，负反馈和前馈都会影响放大器的高频增益，而本实用新型通过单向化技术(第一晶体管漏极的第一峰化电感l
d1
与该第一晶体管的栅极与栅极传输线连接的连接点下游的第一分布电感lg进行耦合)可以有效解决密勒电容带来的影响，具体表现在：引入的第一峰化电感l
d1
可以减少从输入端直接前馈到输出端的信号，这样可以减弱由于前馈导致放大器增益的降低；同时，第一峰化电感l
d1
可以把经过第一晶体管放大而通过密勒电容负反馈到信号输入端的信号耦合到与增益单元与栅极传输线连接点下游的第一分布电感lg，这样就避免了负反馈导致的高频增益的下降；而耦合到第一分布电感lg的这部分信号又可以经过后续的增益单元进一步放大，最终达到高频增益提升。
14.作为优化，所述第二晶体管m
2i
的栅极通过串联偏置电阻r
g2
与偏置电压v
g2
连接。
15.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
16.本实用新型采用两级共源电流复用结构的放大器单元电路，结合峰化电感，实现了高增益和低功耗(第一晶体管和第二晶体管电流复用)的目的；同时采用单向化技术，拓
展了分布式放大器的高频增益带宽，本实用新型可有效解决现有分布式放大器电路存在的增益低、增益带宽小的问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
18.图1为本实用新型所述的一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路的原理图；
19.图2-1为图1中增益单元的电路原理图(附有信号流的箭头)；
20.图2-2为现有的带有峰化电感的共源共栅增益单元的电路原理图(附有信号流的箭头)；
21.图3为现有的共源分布式放大器电路的原理图；
22.图4为现有的共源-共栅分布式放大器电路的原理图；
23.图5为现有的带有峰化电感的共源-共栅分布式放大器电路的原理图；
24.图6为4级(n＝4)带有峰化电感的共源-共栅分布式放大器电路的原理图；
25.图7为4级(n＝4)带有峰化电感的共源-共栅分布式放大器的增益响应曲线图；
26.图8为4级(n＝4)电流复用结构分布式放大器电路的原理图；
27.图9为4级(n＝4)电流复用结构分布式放大器电路的增益响应曲线；
28.图10为案例一和案例二增益响应曲线对比图；
29.图11为4级(n＝4)采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路原理图；
30.图12为4级(n＝4)采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电的增益响应曲线；
31.图13为案例一、案例二和案例三增益响应曲线对比图。
具体实施方式
32.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
33.在进行具体实施例描述之前，首先说一下，本实用新型中的上、下游方向是根据图1中的箭头方向来表示的，箭头朝向的方向即为下游方向，即图1中的左为上游方向，右为下游方向。
34.接下来，对本实用新型的具体技术进行介绍。
35.如图1所示，一种采用电流复用结构和单向化技术的分布式放大器电路，包括一端为信号输入端、另一端为第一接地端的栅极传输线以及一端为信号输出端、另一端为第二接地端的漏极传输线，位于第一接地端的栅极传输线和位于第二接地端的漏极传输线分别串接有阻抗为zo的负载，所述栅极传输线和所述漏极传输线之间设置有n个采用电流复用结构结合单向化技术的增益单元，n为大于等于2的正整数，所述栅极传输线即信号输入传
输线，所述栅极传输线与第i个所述增益单元之间通过第一晶体管m
1i
相连接，i＝1,2
…
n，所述第一晶体管m
1i
的栅极连接在所述栅极传输线上，且在所述栅极传输线上，每个所述第一晶体管m
1i
的栅极与所述栅极传输线连接的连接点的前后分别串联有电感值为lg/2的第一子分布电感，位于两个增益单元之间的两个第一子分布电感组成第一分布电感lg；所述栅极传输线的信号输入端和与其(栅极传输线的信号输入端)临近的所述第一子分布电感之间以及设置在所述栅极传输线终端的负载zo和与其(栅极传输线终端的负载zo)临近的所述第一子分布电感之间分别串联设有隔直流电容c；所述漏极传输线与第i个增益单元之间通过第二晶体管m
2i
的漏极串接第二峰化电感l
d2
连接，i＝1,2
…
n，且在所述漏极传输线上，每个所述第二峰化电感l
d2
与所述漏极传输线连接的连接点的前后分别串联有电感值为ld/2的第二子分布电感，位于两个增益单元之间的两个第二子分布电感组成第二分布电感ld；所述漏极传输线的信号输出端和与其(漏极传输线的信号输出端)临近第二分布电感之间以及设置在所述漏极传输线终端的负载和与其(漏极传输线终端的负载)临近的所述第二子分布电感之间分别串联有隔直流电容c。
36.具体的，每个所述增益单元均包括第一晶体管m
1i
和第二晶体管m
2i
，所述第一晶体管 m
1i
的漏极与第二晶体管m
2i
的源极之间依次串联有第一峰化电感l
d1
和扼流电感l1。所述第一晶体管m
1i
的栅极与栅极传输线连接，所述第一晶体管m
1i
的漏极至第二晶体管m
2i
的源极之间依次串联设有第一峰化电感l
d1
和扼流电感l1，在非靠近栅极传输线终端的所述增益单元中，所述第一峰化电感l
d1
和所述栅极传输线与该增益单元的第一晶体管m
1i
的栅极连接的连接点的下游的第一分布电感lg耦合，在靠近栅极传输线终端的所述增益单元中，所述第一峰化电感l
d1
和所述栅极传输线与该增益单元的第一晶体管m
1i
的栅极连接的连接点的下游的第一子分布电感lg耦合，连接点的前后即为上游和下游，这里的上游、下游是以信号传输方向来进行描述的，上游即为信号输入端，下游即为信号输出端，所述第一峰化电感l
d1
远离所述第一晶体管m
1i
的一端与第一电容c1的其中一端连接，所述第一电容c1的另一端与所述第二晶体管m
2i
的栅极连接，所述第一晶体管m
1i
的源极接地，所述第二晶体管m
2i
的漏极通过串联第二峰化电感l
d2
与漏极传输线连接，所述第二晶体管m
2i
的栅极通过串联偏置电阻 r
g2
连接偏置电压v
g2
，所述第二晶体管m
2i
的源极通过串联第二电容c2接地。
37.如图2-1所示，为本实用新型提出的一种采用单向化技术的分布式放大器电路的单元电路原理图。图2-1中，第一晶体管m
1i
和第二晶体管m
2i
都工作于共源极放大器状态，交流信号表现为：信号从第一晶体管m
1i
的栅极输入放大后到达第一晶体管m
1i
的漏极处，信号在第一晶体管m
1i
的漏极处由于第一峰化电感l
d1
和第一晶体管m
1i
的漏极到源极之间的寄生电容谐振，高频增益会得以增强；经过第一峰化电感l
d1
的信号分为两部分：
38.一部分信号通过第一峰化电感l
d1
耦合到该第一晶体管m
1i
下游相邻的第一分布电感，图 2-1中的k是第一峰化电感l
d1
与第一分布电感(或第一子分布电感)之间的耦合系数，由于第一晶体管m
1i
的栅极与其漏极之间存在寄生电容，传输至第一晶体管m
1i
的漏极的信号会通过该寄生电容负反馈回第一晶体管m
1i
的栅极，造成增益单元的高频增益的滚降，从而减小增益单元的高频增益带宽，本实用新型将该传输至第一晶体管m
1i
漏极的信号通过第一峰化电感l
d1
耦合到第一分布电感(或第一子分布电感)，可以避免第一晶体管m
1i
漏极信号负反馈至第一晶体管m
1i
的栅极造成增益带宽的减小，从而实现了电流信号的单向化技术，因此，本实用新型提出的采用单向化技术的分布式放大器较传统的分布式放大器具有
更高的增益带宽。
39.另一部分信号从第一电容c1耦合到晶体管第二晶体管m
2i
的栅极，经过第二晶体管m
2i
进一步放大后到达第二晶体管m
2i
的漏极，第二晶体管m
2i
的漏极的第二峰化电感l
d2
与第二晶体管m
2i
的漏极到源极的寄生电容谐振，高频增益会得以增强，信号经过第二峰化电感l
d2
后进入漏极传输线，在第一峰化电感l
d1
和第二晶体管m
2i
之间设置扼流电感l1，可以避免经过第一峰化电感l
d1
的信号进入第二晶体管m
2i
的源极，第二电容c2的作用是提供交流地，使得第二晶体管m
2i
工作于共源极放大状态。
40.图2-2为带有信号流指示的带有峰化电感的共源共栅增益单元的电路原理图，该带有峰化电感的共源共栅增益单元是信号从第一晶体管的漏极出来以后经过第一峰化电感直接进入第二晶体管的源极，也就是说，信号在第二晶体管是属于共栅极放大器放大；而本实用新型提出的增益单元，因为扼流电感存在，从第一晶体管出来经过第一峰化电感后，信号不会直接进入第二晶体管的源极，而是通过第一电容耦合到第二晶体管的栅极，第二晶体管的源极设置第二电容，可以给射频信号提供一个射频地，所以，本实用新型的信号从第二晶体管的栅极进入以后，信号相当于属于共源极放大，在相同条件下，共源极放大器的增益比共栅极放大器的增益大，所以本实用新型提出的增益单元较共栅极放大器可以达到更高的增益。需要说明的是，本实用新型中的电流复用结构是从直流的角度来说的，即第一晶体管跟第二晶体管是共用直流电流的。
41.分布式放大器从信号输入开始，按照距离输入端由近到远，达到增益单元的输入端的信号是越来越弱，其主要原因是由于从近到远，信号逐渐进入各增益单元，因此，分配至位于传输线后的增益单元的信号就会越来越少，同时，传输线本来也有损耗，这样就进一步减小了后面增益单元的输入信号。
42.具体的原理为：
43.由于第一晶体管m
1i
的栅极跟漏极之间有寄生电容，即密勒电容，信号经过第一晶体管 m
1i
放大到达第一晶体管漏极后会通过密勒电容负反馈回到信号输入端，而在信号输入端的信号也会不经过第一晶体管放大，而是通过密勒电容直接前馈到信号输出端(第一晶体管m
1i
漏极)。因为密勒电容比较小，对高频信号影响比较大，负反馈和前馈都会影响放大器的高频增益，而本实用新型通过单向化技术(第一晶体管漏极的第一峰化电感l
d1
与该第一晶体管的栅极与栅极传输线连接的连接点下游的第一分布电感lg(或第一子分布电感)进行耦合) 可以有效解决密勒电容带来的影响，具体表现在：引入的第一峰化电感l
d1
可以减少从输入端直接前馈到输出端的信号，这样可以减弱由于前馈导致放大器增益的降低；同时，第一峰化电感l
d1
可以把经过第一晶体管放大而通过密勒电容负反馈到信号输入端的信号耦合到与增益单元与栅极传输线连接点下游的第一分布电感lg(或第一子分布电感)，这样就避免了负反馈导致的高频增益的下降；而耦合到第一分布电感lg的这部分信号又可以经过后续的增益单元进一步放大，最终达到高频增益提升的目的。
44.图3为现有的共源分布式放大器电路原理图，图4为现有的共源-共栅分布式放大器电路原理图，图5为带有峰化电感的共源-共栅分布式放大器电路原理图。
45.为了证明本实用新型的有效性，同时为了使本实用新型的技术方案和优点更加清楚。下面结合三个基于gaas phemt工艺的实施案例来对本实用新型进行进一步的说明。本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限
定。基于其它工艺(如cmos和bicmos等)，采用本实用新型公开的电路结构单元实现的分布式电路同样落于本技术所附权利要求书的范围。
46.实施案例一：
47.本实施案例一为一个采用4级带有峰化电感的共源-共栅分布式放大器(图5中n＝4)，其电路结构如图6所示，图7给出了该分布式放大器的增益响应曲线，放大器(增益单元)的增益均值为10db。
48.实施案例二：
49.案例二的实施目的是通过与案例一的性能对比，突出说明本实用新型引入的电流复用结构不同于现有的共源共栅增益单元，其可以显著提升分布式放大器的增益。
50.本实施案例二为一个采用4级带有峰化电感的电流复用结构增益单元的分布式放大器电路(图1中n＝4，但没有引入单向化技术)，电路结构如图8所示。图9给出了该分布式放大器的增益响应曲线，放大器的增益均值为20db。图10给出了实施案例一和实施案例二分布式放大器的增益响应对比曲线，可以看出，实施案例二的增益较实施案例一高约10db。通过实施案例一与实施案例二可以得出以下结论：1)本实用新型中引入的带有峰化电感的电流复用结构增益单元不同于现有的带有峰化电感的共源共栅分布式增益单元信号放大过程。本实用新型的增益单元中，信号等效于被两次共源级放大器放大；而现有的共源共栅增益单元中，信号依次被一次共源放大和一次共栅放大；2)由于共源极放大器的每一级共源需要单独供电，因此，两级共源极放大器需要一级分布式放大器电流的双倍电流来供电，本实用新型中引入的带有峰化电感的电流复用结构的增益单元中的两个共源极放大器采用电流复用结构可以实现直流电流的复用，相当于只用一倍的电流供应两级的共源极放大器，这样有效降低了电路的直流功耗；3)采用本实用新型中引入的带有峰化电感的电流复用结构增益单元可以显著提升分布式放大器的增益(10db增加到20db)。
51.实施案例三：
52.本实施案例三为在实施案例二的基础上进行的改进，即在案例二的基础上引入单向化技术，目的是证明引入的单向化技术可以显著拓展分布式放大器的高频增益带宽。结合案例一证明本实用新型提出的结构和技术在提升分布式放大器性能方面的有效性。
53.案例三具体为一个采用4级本实用新型提出的电流复用结构和单向化技术增益单元的分布式放大器(图1中n＝4)，电路结构如图11所示。图12给出了该分布式放大器的增益响应曲线，放大器的增益为19db，基本与案例二相当。图13给出了案例一、案例二和案例三分布式放大器的增益响应对比曲线。
54.通过图13中案例一、案例二和案例三增益响应曲线的对比可以得出以下结论：1)通过案例一与案例二响应曲线的对比，本实用新型中引入的电流复用结构增益单元以牺牲少量高频增益带宽(较案例一减小2.5ghz左右)为代价，与结构相似的共源共栅增益单元分布式放大器相比，显著提升了分布式放大器的增益(从10db增加到20db左右)，即证明了本实用新型中引入的电流复用结构在提升分布式放大器增益方面的有效性；2)通过案例二与案例三响应曲线的对比，本实用新型引入的单向化技术以牺牲少量的增益(1db左右)为代价，显著地提升了分布式放大器的高频增益带宽(较案例二增加5ghz左右)，即证明了本实用新型中引入的单向化技术在改善分布式放大器高频增益带宽方面的有效性；3)通过案例一与案例三响应曲线的对比，本实用新型提出的分布式放大器较结构相似的现有共源共栅
分布式放大器在不恶化高频增益带宽的前提下实现更高的增益；即证明了本实用新型专利在提升分布式放大器性能方面的有效性。
55.因此，综合上述，本实用新型中采用电流复用结构，可有效减小直流功耗的同时，显著提升分布式放大器的增益；而采用单向化技术，拓展了分布式放大器的高频增益带宽。
56.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。