具有提高的稳定性的分布式放大器

申请号 CN201210060713.8 申请日 2012-03-09 公开(公告)号 CN102684610B 公开(公告)日 2015-03-25
申请人 赫梯特微波公司; 发明人 K·贝松;
摘要 本 发明 涉及一种具有提高的 稳定性 的分布式 放大器 ,包括输入传输 电路 ,输出传输电路,耦合在所述输入传输电路和输出传输电路之间的至少一个共栅共源放大器。每一个共栅共源放大器包括耦合到所述输出传输电路的共用栅极配置的晶体管和耦合在所述输入传输电路和所述共用栅极配置的晶体管之间的共用源极配置的晶体管。所述分布式放大器还包括 串联 耦合在至少一个共用栅极配置的晶体管的栅极和漏极之间的非寄生 电阻 和电容,用于增加放大器稳定性。
权利要求

1.一种具有提高的稳定性的分布式放大器,包括:
输入传输电路
输出传输电路;
至少一个共栅共源放大器,耦合在所述输入传输电路和输出传输电路之间,每一个共栅共源放大器包括耦合到所述输出传输电路的共用栅极配置的晶体管和耦合在所述输入传输电路和所述共用栅极配置的晶体管之间的共用源极配置的晶体管,每一个共栅共源放大器进一步包括一个或更多个附加的共用栅极晶体管,其直流耦合在每一个共用栅极配置的晶体管和共用源极配置的晶体管之间;以及
放大器稳定性反馈网络,包括串联耦合在至少一个共用栅极配置的晶体管的栅极和漏极之间的非寄生电阻和电容,用于增加放大器的稳定性。
2.如权利要求1的分布式放大器,其中每一个共用栅极晶体管配置的漏极耦合在一起,以及每一个共用源极配置的晶体管的栅极耦合在一起。
3.如权利要求1的分布式放大器,其中每一个反馈网络的电阻和电容包括串联耦合跨接一个或更多个附加的共用栅极配置的晶体管中的至少一个的栅极和漏极端子的电阻和电容。
4.如权利要求3的分布式放大器,其中每一个电阻具有大约800欧姆的值以及每一个电容具有大约1pF的值。
5.如权利要求3的分布式放大器,其中每一个电阻具有范围在20欧姆到10k欧姆之间的值。
6.如权利要求3的分布式放大器,其中每一个电容具有范围在.1pF到10pF之间的值。
7.如权利要求1的分布式放大器,其中每一个共用栅极配置的晶体管包括耦合在其对应的漏极和栅极之间的非寄生电阻和电容。
8.如权利要求1的分布式放大器,其中在所述输入传输电路和输出传输电路之间仅仅耦合有一个共栅共源放大器。
9.一种具有提高的稳定性的分布式放大器,包括:
输入传输电路;
输出传输电路;
至少两个共栅共源放大器,耦合在所述输入传输电路和输出传输电路之间,每一个共栅共源放大器包括耦合到所述输出传输电路的共用栅极晶体管和耦合在所述输入传输电路和所述共用栅极晶体管之间的共用源极晶体管;以及
放大器稳定性反馈网络,包括耦合在至少一个共用栅极晶体管的栅极和漏极之间的电阻和电容,用于增加至少一个共用栅极晶体管的稳定性。
10.如权利要求9的分布式放大器,其中每一个共栅共源放大器进一步包括第二共用栅极晶体管,耦合在共用栅极晶体管和共用源极晶体管之间。
11.如权利要求9的分布式放大器,其中每一个共用栅极晶体管包括耦合在其对应的漏极和栅极之间的电阻和电容。
12.如权利要求9的分布式放大器,其中在所述输入传输电路和输出传输电路之间耦合有四至十个共栅共源放大器,包括四个和十个。
13.如权利要求9的分布式放大器,其中每一个电阻具有大约800欧姆的值以及每一个电容具有大约1pF的值。
14.如权利要求9的分布式放大器,其中每一个电阻具有范围在20欧姆到10k欧姆之间的值。
15.如权利要求9的分布式放大器,其中每一个电容具有范围在.1pF到10pF之间的值。

说明书全文

具有提高的稳定性的分布式放大器

[0001] 相关申请
[0002] 根据35U.S.C.§§119,120,363,365和37C.F.R.§1.55和§1.78,本申请在此要求2011年3月9日提交的美国临时申请61/464,781的优先权和权益,通过引用将其并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种改进的分布式放大器。

背景技术

[0004] 传统的分布式放大器是工业中众所周知的拓扑,是已得到证明的构造宽带放大器的方式。GaAs衬底上的分布式放大器的典型带宽可以处于千赫兹到毫米波频率的数量级。共栅共源分布式放大器被广泛地认为是与非共栅共源分布式放大器相比提高增益和带宽的方法。
[0005] 通过将晶体管的寄生效应合并到器件之间的匹配网络中,由此实现分布式放大器的优点。器件的输入和输出电容可以分别与栅极和漏极线路电感相结合,从而使得传输线几乎透明,排除了传输线损耗。通过这样做,放大器的增益可以仅仅由器件的跨导所限制,而不被与器件相关联的寄生效应所限制。上述情况只有在栅极线行进的信号与在漏极线行进的信号同相,由此使得每一个晶体管的输出电压与先前的晶体管输出同相叠加时才成立。传送到输出的信号将结构性地发生干扰,由此使得所述信号沿着漏极线变强。由于这些信号不是同相的,因此任何相反的波都将破坏性地发生干扰。栅极线终端被包括以吸收没有耦合到晶体管栅极的任何信号。漏极线终端被包括以吸收可能破坏性地干扰输出信号的任何相反行波。
[0006] 放大器的稳定性对保持电路的预定状态是关键性的。如果放大器表现出振荡或者具有振荡的可能性,那么就会出现各种问题。由于振荡导致的问题可以从偏置状态的波动到电路自毁等等。
[0007] 参数振荡是一种振荡类型,其通常仅仅发生在特定RF功率平被施加到放大器时,即,在放大器呈现稳定的静态或者小信号的状态下。
[0008] 现有的稳定方法在防止参数振荡方面不是有益的。例如,在共栅共源分布式放大器中,存在共用栅极(CG)器件的栅极上的电容,其用于消除Miller电容(纯粹的共用源极(CS)放大器包含该Miller电容)。其通过理论上在CG器件的栅极节点处形成RF短路而消除Miller电容。在许多情况下,该电容被减小到较小的值(~0.5pF)以调节共栅共源电路用于提高功率性能。该电容可能需要电阻以使网络De-Q化,以使得它不会振荡。从额定值(例如5欧姆)增加该电阻的值是一种提高电路稳定性的常见方法。然而,该方法可能损害性能(即,提供少得多的带宽),和其可能对参数振荡稳定性没有帮助。
[0009] 使共栅共源分布式放大器的CG器件稳定的另一现有方法是以连接在CG器件的漏极之间的旁路电阻-电容(R-C)的形式引入漏极可见的损耗。然而,该方法没有提供参数振荡的明显降低。例如,CG栅电阻可能实际上变得负得更多,同时进一步降低了放大器的增益。

发明内容

[0010] 因此,本发明的一个目标在于提供减小或者消除参数振荡的分布式放大器。
[0011] 本发明的另一个目标是提供增益没有显著降低的上述分布式放大器。
[0012] 本发明的另一个目标是提供带宽没有显著减小的上述分布式放大器。
[0013] 本发明源于实现可以减小或者消除分布式放大器中的参数振荡,在一个实施例中,通过反馈网络来实现参数振荡的减小或者消除,所述反馈网络包括串联耦合在至少其中一个放大器的共用栅极配置的晶体管的栅极和漏极之间的非寄生电阻和电容。
[0014] 然而,在其他实施例中,本发明不必实现所有的目标,而权利要求也不应被限制于能够实现这些目的的结构或者方法。
[0015] 在一个实施例中,具有提高的稳定性的分布式放大器包括输入传输电路;输出传输电路;至少一个共栅共源放大器,耦合在所述输入传输电路和输出传输电路之间,每一个共栅共源放大器包括耦合到所述输出传输电路的共用栅极配置的晶体管和耦合在所述输入传输电路和所述共用栅极配置的晶体管之间的共用源极配置的晶体管;以及反馈网络,包括串联耦合在至少一个共用栅极配置的晶体管的栅极和漏极之间的非寄生电阻和电容,用于增加放大器的稳定性。
[0016] 在优选实施例中,每一个共用栅极晶体管的漏极耦合在一起,以及每一个共用源极配置的晶体管的栅极耦合在一起。每一个共栅共源放大器可以进一步包括一个或更多个附加的共用栅极晶体管,其直流耦合在每一个共用栅极配置的晶体管和共用源极配置的晶体管之间。每一个反馈网络的电阻和电容可以包括串联耦合跨接一个或更多个附加的共用栅极配置的晶体管中的至少一个的栅极和漏极端子的电阻和电容。每一个共用栅极配置的晶体管可以包括耦合在其对应的漏极和栅极之间的非寄生电阻和电容。在所述输入传输电路和输出传输电路之间可以仅仅耦合有一个共栅共源放大器。每一个电阻可以具有大约800欧姆的值以及每一个电容可以具有大约1pF的值。每一个电阻可以具有范围在20欧姆到10k欧姆之间的值。每一个电容可以具有范围在.1pF到10pF之间的值。
[0017] 在其他实施例中,具有提高的稳定性的分布式放大器可以包括:输入传输电路;输出传输电路;至少两个共栅共源放大器,耦合在所述输入传输电路和输出传输电路之间,每一个共栅共源放大器包括耦合到所述输出传输电路的共用栅极晶体管和耦合在所述输入传输电路和所述共用栅极晶体管之间的共用源极晶体管;以及反馈网络,包括耦合在至少一个共用栅极晶体管的栅极和漏极之间的电阻和电容,用于增加至少一个共用栅极晶体管的稳定性。
[0018] 在优选实施例中,每一个共栅共源放大器可以进一步包括第二共用栅极晶体管,耦合在共用栅极晶体管和共用源极晶体管之间。每一个共用栅极晶体管可以包括耦合在其对应的漏极和栅极之间的电阻和电容。在所述输入传输电路和输出传输电路之间可以耦合有四至十个共栅共源放大器,包括四个和十个。每一个电阻可以具有大约800欧姆的值以及每一个电容可以具有大约1pF的值。每一个电阻可以具有范围在20欧姆到10k欧姆之间的值。每一个电容可以具有范围在.1pF到10pF之间的值。附图说明
[0019] 从以下优选实施例和附图的说明,本领域技术人员将会理解其他的目标、特征和优点,其中:
[0020] 图1示出了现有技术分布式放大器的电路图;
[0021] 图2示出了另一现有技术分布式放大器的电路图;
[0022] 图3A-C示出了图1的分布式放大器的共用栅极晶体管的电路图和分别示出了输入和输出反射系数的史密斯圆图;
[0023] 图4示出了分布式放大器的典型参数振荡的曲线图;
[0024] 图5A-B分别示出了在具有不具有与DC-6GHz分布式放大器的CG晶体管上的栅极串联的附加稳定电阻的情况下的仿真S参数和CG节点栅电阻的曲线图;
[0025] 图6A-B分别示出了在具有和不具DC-6GHz分布式放大器的CG器件的漏极之间的旁路R-C的情况下的仿真S参数和CG节点栅电阻的曲线图;
[0026] 图7示出了根据本发明的一个实施例的分布式放大器的电路图;
[0027] 图8A示出了图7的分布式放大器的电路图,其中分布式放大器包括三个级;
[0028] 图8B示出了图7的分布式放大器的另一实施例的电路图,其中分布式放大器被是三重堆叠的;
[0029] 图9A-C示出了图7的分布式放大器的共用栅极晶体管的电路图和分别示出了在具有和不具有反馈网络的情况下的输入和输出反射系数的史密斯圆图;
[0030] 图10A-C分别示出了图7的分布式放大器的共栅共源放大器的电路图和示出了输入和输出反射系数的史密斯圆图;
[0031] 图11示出了在具有和不具有用于DC-6GHz分布式放大器的反馈网络的情况下S参数和仿真的CG节点栅极阻抗的曲线图;
[0032] 图12A-B示出了在具有和不具有DC-6GHz分布式放大器的CG晶体管上的反馈网络的情况下的仿真的S参数的曲线图;和
[0033] 图13示出了在具有和不具有DC-6GHz分布式放大器的CG晶体管上的反馈网络的情况下的仿真功率的曲线图。

具体实施方式

[0034] 除了以下公开的实施例或者优选实施例以外,本发明能够具有其他实施例以及能够以多种方式实现或实施。由此,将要理解,本发明在应用时不在如下说明书或者附图中示出的部件的布置和结构的细节方面受到限制。如果此处仅仅描述一个实施例,那么其权利要求不局限于该实施例。此外,除非存在明确的和令人信服的证据声明了特定的除外、限制或者放弃,否则其权利要求不被限制性地解读。
[0035] 图1和2示出了传统的分布式放大器。在图2中,典型的分布式放大器10包括输入传输电路12和输出传输电路14。一个或更多个共栅共源放大器16a-16n耦合在输入传输电路12和输出传输电路14之间。每一个共栅共源放大器16a-16n通常包括共用源极(CS)晶体管18,其耦合到共用栅极(CG)晶体管20,以通过减小CS放大器的Miller电容(跨接在具有相反电压增益的两个节点两端的电容)来提高增益和带宽。
[0036] 如上所述,放大器的稳定性对保持电路的预定状态是关键性的。如果放大器表现出振荡或者具有振荡的可能性,那么就会出现各种问题。由于振荡导致的问题从偏置状态的波动到电路自毁等等。如图3A-C所示,由于在正常情况下共用栅极的输出阻抗为负,因此共栅共源分布式放大器表现为易于发生振荡。即,当以共用栅极配置(栅极节点耦合到地)连接时的典型的GaAs晶体管可以在某些频率处表现出正的反射系数,如图3C的史密斯圆图所示。正反射是潜在的问题,这是因为其能够帮助增大和维持振荡。
[0037] 参数振荡通常是仅仅发生在RF功率被施加到放大器时(即,在DC状态下,放大器表现稳定)的振荡。
[0038] 参数振荡通常发生在操作基频的一半处。振荡还可以表现为分成两个振荡,该两个振荡发生在从基频的一半处具有相同的频率相对变化的两个不同频率处,例如,如果fo=16GHz,则fo/2=8GHz(振荡可以发生在7和9GHz处)。图4示出了参数振荡的测量实例。振荡仅仅发生在由于晶体管器件参数在施加的RF功率下改变的驱动下。例如电容值(例如栅到源电容值Cgs)将很可能随着驱动电平向着功率压缩方向增加而增加。该情况还可以通过晶体管漏极电流在驱动下增加而观察到。由于电流正在改变,因此相信设备特性也正在发生改变是合理的。
[0039] 如上所述,现有的稳定方法在防止参数振荡方面不是有益的。例如,在共栅共源分布式放大器中,存在共用栅极(CG)器件的栅极上的电容,其用于消除Miller电容(纯粹的共用源极(CS)放大器包含该电容)。其通过理论上在CG器件的栅极节点处形成RF短路而消除Miller电容。在许多情况下,该电容被减小到较小的值(~0.5pF)以调节共栅共源电路用于提高功率性能。该电容可能需要电阻以使网络De-Q化,以使得它不会振荡。从额定值(例如5欧姆)增加该电阻的值是一种提高电路稳定性的常见方法。然而,该方法可能损害性能(即,提供少得多的带宽),并且如从图5A-B可以看出的,其对参数振荡稳定性没有帮助。
[0040] 使共栅共源分布式放大器的CG器件稳定的另一现有方法是以连接在CG器件的漏极之间的旁路电阻-电容(R-C)的形式引入漏极可见的损耗。然而,该方法没有提供参数振荡的明显降低。可以从图6A-B看出,CG栅电阻实际上负得更多,同时进一步降低了放大器的增益。
[0041] 在窄带放大器中,可以看出,可以通过选择性地在低于操作频带的频率处引入损耗,从而减小或者消除参数振荡而不会显著地降低放大器性能。由于参数振荡通常发生在操作基频的一半处,因此这可以奏效。可以选择性地通过以低于所关心的频带的截止频率包括与放大器串联的高通滤波器来引入损耗,以使得在所关心的频带中损耗是最小的。用于窄带电路的另一方法是引入次谐波陷阱,即,电感器-电容谐振电路,其被设计为仅仅在次谐波频率处引入损耗。
[0042] 然而,例如分布式放大器的宽带电路更加难以稳定,这是因为引入损耗将可能在增益和功率方面使得整个频率响应恶化。优选的是找一种方法,在放大器中引入损耗以减少参数振荡而不显著地降低放大器性能。
[0043] 根据本发明的一个方面,在图7中,分布式放大器100包括输入传输电路112和输出传输电路114。至少一个共栅共源放大器116a-116n耦合在输入传输电路和输出传输电路112和114之间。例如,共栅共源放大器116a包括耦合到输出传输电路114的共用栅极(CG)配置的晶体管118a,以及耦合在输入传输电路112和CG配置的晶体管118a之间的共用源极(CS)配置的晶体管120a。反馈网络122a可以包括选择性地挑选的非寄生电阻和电容,例如电阻124a和电容126a,反馈网络122a耦合跨接至少一个CG配置的晶体管的漏极128a和栅极130a,用于增加该至少一个晶体管的稳定性。仅仅一部分晶体管118a-118n可以包括类似的反馈网络122a-n,或者所有晶体管118a-118n可以都包括类似的反馈网络122a-n,如图7、8A和8B所示。
[0044] 每一个电阻124a-124n可以具有20欧姆到10k欧姆之间范围内的值。每一个电容126a-126n可以具有.1pF到10pF范围之间的值。更优选地,每一个电阻124a-124n可以具有大约800欧姆的值,每一个电容126a-126n可以具有大约1pF的值。
[0045] 每一个CG配置的晶体管118a包括共用栅极晶体管,每一个CS配置的晶体管120a包括共用源极晶体管。在图8A中,分布式放大器100a可以包括共栅共源放大器的三个级116a’-116c’或者分段,其中CG配置的晶体管118a’、118b’和/或118c’中的一个或更多个包括耦合跨接每一个对应的CG晶体管的对应的漏极和栅极的反馈网络122a’、122b’和/或
122c’。耦合在输入传输电路和输出传输电路112和114之间的共栅共源放大器116a-116n的数目通常在四和十之间并且包括四和十,不过可以使用更多或更少的共栅共源放大器。
例如,取决于应用,可以在输入传输电路和输出传输电路112和114之间耦合十一或者十二个共栅共源放大器。
[0046] 在图8B中,例如,分布式放大器100b还可以包括三重堆叠分布式放大器,其中每一个共栅共源放大器116a”-116n”都包括两个共用栅极晶体管和一个共用源极晶体管。也可以使用具有更多串联耦合的共用栅极晶体管的更高等级的堆叠。为了提高稳定性,与上述反馈网络类似的反馈网络122a”-122n”和122a”’-122n”’可以被连接在一个或更多个共用栅极晶体管的漏电极和栅电极之间。
[0047] 在图9A中,已经为了反馈网络122d及在共栅共源分布式放大器的常见结构中CG晶体管将具有的其他组件(用于在共栅共源结构中隔离Miller电容以及调节RF功率,输出回波损耗等等)而包括了某些额定值。例如,反馈网络122d包括800欧姆的电阻124d和1.0pF的电容126d。当关注添加有R-C反馈网络(虚线)的CG晶体管时,在图9B-C中可以看到,与实线示出的不稳定的晶体管相比,已经显著地提高了栅极反射系数(更稳定)。
[0048] 在图10A中示出了将图9A的CG器件合并到共栅共源分布式放大器中典型的共栅共源结构中。再一次,为了栅极上的反馈网络122e使用了额定值800欧姆的电阻124e和额定值1pF的电容126e。在图10C的史密斯圆图中可以看出(该史密斯圆图是从CG器件的栅极看进去的阻抗),在没有R-C稳定性的情况下电阻是负的(实线)并且在利用包括800欧姆的稳定电阻的反馈网络时(虚线)变得负得更少。
[0049] 为了进一步提高电路的稳定性,反馈电阻的大小可以被减小到500或600欧姆。为了能够在不降低总体性能的情况下消除放大器中的参数振荡,优选地在电路的每个节点处在小信号情况下以及在施加的RF功率下看到阻抗。通常,节点的电阻将在小信号情况和施加的RF功率下之间变化。对于被认为稳定的放大器来说,除了大信号稳定性之外,优选满足小信号稳定性。振荡的条件是负电阻和0或者360度的环路相移,其中负电阻随后将形成正的反射系数。正反射系数能够形成环路增益为1,并且正反射系数与该环路附近的0或者360度的相移相结合将很可能形成振荡。
[0050] 在图11中,示出了具有(虚线)和不具有(实线)在CG晶体管上从漏极到栅极的反馈网络的DC-6GHz分布式放大器中的CG晶体管的栅极节点电阻的仿真。具体地,该曲线图示出了作为看向该节点处的探针的左侧和右侧的阻抗的和的复数阻抗的实部。图11的曲线图的X轴实际上是基频,而迹线是基频的一半处或者次谐波频率处的电阻。这里,反馈网络电阻值为800欧姆,电容值为1pF。在该实例中,电容的目的主要在于阻断从漏极到栅极的DC电流。从图11可以看出,在3GHz处,在没有反馈网络的情况下,栅电阻大约为0欧姆(实线),其危险地接近于负值,并且在一部分频率处变为负值。然而,在具有添加的反馈网络的情况下(虚线),电阻大于200欧姆,在S21中具有极小的劣化或者回波损耗,如图12A-B所示。在频带的上边沿处,即使具有反馈网络,栅电阻也向着20欧姆发展。可以通过减小反馈电阻或者或许与其它稳定方法(例如栅极自身上的小的串联电阻)结合地利用反馈网络来进一步对其进行改进。然而,在6GHz的频带边缘处,在没有其他的稳定方法的情况下,电阻的实部大于20欧姆,这是相当安全的操作裕度。很清楚的,在不严重降低增益或者回波损耗(如图12A和12B所示)的情况下已经取得了电路稳定性方面的巨大的优点。此外,如图13所示,由于该稳定网络,在功率方面有很小的降低。
[0051] 本发明可以使共栅共源分布式放大器在参数振荡方面稳定,而不会显著地降级放大器性能。此外,这将有助于小信号稳定性。该技术可以应用于在分布式放大器拓扑中使用的任何共用栅极晶体管。即,如图8B所示,可以有三重堆叠分布式放大器或者两个CG晶体管的级联。此外,与分布式放大器中共栅共源放大器串相反,该稳定性可以应用于单个共栅共源放大器。
[0052] 由此,将要理解,本发明不在其前文或者附图中示出的结构和部件布置的细节方面受限制。如果此处仅仅描述了一个实施例,本发明并不被限制于那一个实施例。例如,双极(BJT)晶体管可以被用于代替具有基极、集电极和发射极电极分配的FET。此外,除非存在明确的和令人信服的证据声明了特定的除外、限制或者放弃,否则本发明的保护范围不被限制性地解读。
[0053] 尽管在一部分附图示出了本发明的特定特征而没有示出其他特征,但是这仅仅为了方便起见,因为根据本发明,每一个特征可以与其他特征的任意一个或全部相结合。此处使用的术语“包括”、″包含″、″具有″、″耦合″和″带有″将被广泛且全面性地解读,并且不局限于任何物理的关联。此外,本申请中所公开的任何实施例都不被视为唯一可能的实施例。
[0054] 此外,在被专利的专利申请的审查期间呈交的任何修改并不意味着放弃提交的申请中给出的任何权利要求要素;本领域技术人员不能合理地预计撰写一个将字面地包含所有可能等价物的权利要求,许多等价物在修改时是不可预见的并且超出了将被放弃的内容(如果有的话)的合理解释,修改的原则可以承载不多于,和/或存在着许多其他的原因,发明人无法预期描述用于任何修改的权利要求要素的特定的非实质性替换。
[0055] 其他实施例对于本领域技术人员也是可行的,并且落入如下权利要求书的范畴之内。
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