用于改善低频效率和噪声系数的改进的分布式放大器

摘要

一种分布式放大器系统，具有预定的输出阻抗和输入阻抗且包括输入传输电路；输出传输电路；至少两个连接在输入和输出传输电路之间的放大器；在输入传输电路上的输入末端；和反馈连接到输入传输电路的输出传输电路上的反馈输出末端，用于在保持预定的输出阻抗和输入阻抗的同时降低低频率损失。

说明书

相关申请

本发明是在美国陆军(U.S.Army)的合同No.W15P7T-6-C-P218下依靠美国政府的支持做出的。该政府对本主题发明享有一定的权利。

技术领域

本发明涉及一种具有改善的低频效率和噪声系数的改进的分布式放大器系统。

背景技术

传统的分布式放大器系统被证实是建立宽带放大器的途径。基于砷化镓基片的分布式放大器的典型的带宽大约是10kHz-10GHz。普遍认为共发共基分布式放大器是改善非共发共基分布式放大器的增益和带宽的一个途径。分布式放大器系统的好处通过将晶体管的寄生效应并入放大器(薄片)之间的匹配网络来实现。系统的输入和输出电容可分别与栅极线(输入传输电路)和漏极线(输出传输电路)的电感合并，从而使得传输线实质上是可穿透(transparent)的，而排除了传输线损。通过做到这一点，放大器系统的增益仅受限于跨导而不是寄生。这仅发生在如果信号沿栅极线(输入传输电路)的传输与信号沿漏极线(输出传输电路)的传输同相时，所以每一个放大器(薄片)的输出电压与在先的放大器(薄片)的输出同相相加。传输到输出的信号将相长地(constructively)干扰，以至于信号沿漏极线(输出传输电路)增长。既然这些信号不同相，则任何相反波将相消干扰。栅极线(输入传输电路)的末端(terminal)被包括以吸收未耦合到放大器晶体管的棚极的任何信号。漏极线(输出传输电路)的末端被包括以吸收能与输出信号相消干扰的任何相反传输波。传统的分布式放大器系统因为链路中的许多放大器不能与功率最优匹配而受制于低效率。在GHz范围内效率通常大约是15％。典型地，在描述这些部分时，P1dB和PAE(功率增加效率)的图仅显示在GHz范围内。然而，当设计时，不得不在GHz范围之下从MHz到GHz运行的部分变得比较重要。传统的分布式放大器系统将示出相对于输入功率中的线性输入增长(P1dB)功率输出压缩了1dB，并且功率增加效率(PAE)将受损。在传统的分布式放大器中，MHz范围内的信号将相等地流到漏极线(输出传输电路)末端和RF输出负载。因此，至多仅有一半的可用功率被输送到输出端，而另外一半将在输出传输电路末端被消耗掉。在GHz范围内，传输到输出的信号将相长地干扰和增长，同时任何相反波将相消干扰和减少，从而几乎没有功率被输出传输电路末端吸收。因为这个原因，输出传输电路末端对以较高频率的输出功率几乎没有影响，但是对较低频率的影响非常大。理想地，在低频率处，漏极线不应包括任何RF输出以外的负荷，典型地是50欧。如果简单地去掉输出传输电路末端，输出匹配变得不适用(～2dB)。此外，增益在低频率处显示尖峰。想知道更多请看：THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS Section 9.7.5THE DISTRIBUTED AMPLIFIER，Thomas Lee著，2^nd Edition2004，A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER，Yalcin Ayasli et al.著IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique，Vol.MTT-30，No.7，1982年7月，第976-981页；和MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES James B.Beyer et al.著，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.MTT-32，No.3，1984年3月，第268-275页，将它们的全部内容合并援引于此。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的分布式放大器系统。

本发明的另一个目的是提供具有改善的低频效率的这样一种改进的分布式放大器系统。

本发明的又一个目的是提供具有改善的低频噪声系数的这样一种改进的分布式放大器系统。

本发明的又一个目的是提供这样一种改进的分布式放大器系统，改善低频效率和噪声系数的同时，其保持系统的预定阻抗。

本发明的另一个目的是提供这样一种改进的分布式放大器系统，其在单个芯片上提供在扩大范围的带宽之上的更好的性能。

本发明产生于这样的实现：具有改善的低频效率和噪声系数的改进的分布式放大器系统可通过如下获得：将输出末端反馈连接到输入传输电路因此使得输出末端电阻增加从而引起输入信号沿相对于输出末端的输出传输电路传输而导致较好的低频效率，同时，反馈连接到输入传输电路导致输出阻抗保持在预定水平，而且当输入阻抗保持在预定水平时，还使输入末端电阻增加以减小噪声系数。

然而，在另一个实施例中，本主题发明不需达到所有这些目的，它的权利要求不应限于能达到这些目的结构或方法。

本发明的特征在于具有预定输入和输出阻抗的分布式放大器系统，包括：输入传输电路；输出传输电路；和至少两个连接在输入和输出传输电路之间的放大器。在输入传输电路上有一个输入末端，在输出传输电路有一个反馈输出末端，反馈连接到输入传输电路以在保持预定输出阻抗和输入阻抗的同时降低低频率损耗。

在一个优选实施例中，多个放大器可包括两个放大器。放大器可包括共发共基放大器。输入末端可包括串联连接到地的输入电阻和输入电容。输出末端可包括串联连接的输出电阻和输出电容。输出电阻可充分大于预定的输出阻抗。输入电阻可至少两倍于预定的输出阻抗。输出电阻可在预定的输出阻抗的两倍到二十倍的范围内。为了降低放大器系统的全部噪声系数，输入电阻可充分大于预定输入阻抗。反馈输出末端可反馈到输入传输电路的输入端。有多于一个的反馈输出末端连接在输出传输电路和输入传输电路之间。

附图说明

本领域技术人员可以从优选实施例的以下描述和附图想到其它目的、特征和好处，其中：

图1是现有技术分布式放大器系统的示意图；

图2是根据本发明的分布式放大器系统的示意图，该系统具有多个至少两个带连接到输入传输电路的输入端的输出末端的放大器/薄片；

图3是类似于图2的视图，显示了反馈输出末端能被用于不同于输入传输电路的输入的地方，并且可具有多于一个被使用的反馈输出末端。

图4是类似于图2的放大器数量是2的视图；

图5是类似于图4的带共发共基放大器的分布式放大器系统的示意图；

图6是用于现有技术的分布式放大器系统和根据本发明的分布式放大器系统的相对于线性输入增长输入功率(P1dB)的功率输出压缩了1dB的图例；

图7是用于现有技术的分布式放大器系统和根据本发明的分布式放大器系统的功率增加效率(PAE)的图例；

图8是用于现有技术的分布式放大器系统和根据本发明的分布式放大器系统的噪声系数的图例。

具体实施方式

除了优选实施例或下面公开的实施例，本发明可以用于其他实施例且以各种方式被实现或被执行。因此，可以理解本发明不限于在下面的描述提出的或附图示例出的元件的结构和排列的细节的应用。如果在此仅描述了一个实施例，关于它的权利要求不限于该实施例。此外，关于它的权利要求不应被限制性地理解，除非有清楚的和有力的迹象证明某一种排除、限制或放弃。

图1显示了现有技术的分布式放大器系统10，包括多个至少两个薄片或放大器12-1到12-N，它们的每一个在输入传输电路14和输出传输电路16之间相互连接。每一个薄片或放大器12-1到12-N包括具有漏极20、源极22和栅极24的场效应晶体管(FET)18。每一个漏极20连接到输出传输电路16，而每一个栅极24连接到输入传输电路14。每一个源极22连接到地。输入传输电路14包括输入端26、传输线28和包括串联连接到地36的电阻32和电容34的输入末端30。输出传输电路16包括输出端38、传输线40和输出末端42，输出末端42包括串联连接到地48的电阻44和电容46。Vdd电源50通常是+5伏，而Vgg电源52可以是工作在1MHz到10GHz的范围内的-1伏并具有50Ω的系统阻抗。电阻32和44典型地是50Ω而电容34和46可由10pf、100pf和0.01μf三个电容器组成。与每个薄片或放大器12-1到12-N相关联的是寄生电容，例如大约0.3pf的电容54和大约0.1pf的电容56。传统分布式放大器系统10的一个好处是传输线阻抗40和28能制造为与寄生电容54和56平衡以有效地变为可穿透(transparent)的。分布式放大器系统10以传统方式工作，输入在26移动通过输入传输电路14传到各个放大器或薄片12-1到12-N到输出传输电路16，在那里他们被求和。一个问题是在MHz范围内信号流将相等地到输出末端42和输出端38，因此至多仅一斗的可用功率传递到了输出端而另一半将消耗在输出传输电路末端42。想知道更多的分布式放大器系统的工作，见THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS，Section 9.7.5 THE DISTRIBUTED AMPLIFIER，Thomas Lee著，2^nd Edition2004，A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER，Yalcin Ayasli et al.著IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique，Vol.MTT-30，No.7，1982年7月，第976-981页；和MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES James B.Beyer et al.著，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.MTT-32，No.3，1984年3月，第268-275页，将它们的全部内容合并援引于此。

根据本发明，在图2中，分布式放大器系统10a包括未连接到地的输出末端42a，而正如所示的48a，返回到输入传输电路14a的反馈环中。如果这样做具有大的电阻/电容的结合，可获得平坦的增益、良好的输出回波损失和改善的功率和效率的期望结果。电容46a阻断了施加到FET晶体管18a的漏极的DC偏压。通过例如2到20倍大于理想预定50Ω的输出负载阻抗的电阻44a，大多数的功率被导向输出端而不通过输出末端42a。电容46a的典型的值是与关于图1所描述的相同，其是10pf、100pf和0.01μf。然而，电阻44a现在可以典型地从约100Ω到10,000Ω变动。这导致了较好的低频效率且反馈使得输出阻抗大约保持在理想的预定阻抗，例如50Ω的输出阻抗。这还允许输入末端30a的电阻32a变得更大以降低低频噪声系数，同时仍维持理想的预定输入阻抗，例如50Ω。在这种情况下，电阻32a可以在50Ω到10,000Ω的范围内变动，而电容34a还可是三个电容10pf、100pf和0.01μf。通过本发明获得的改善的效率和噪声系数，由布置在单个砷化镓芯片而不是在分开的芯片上具有两个或多个分开的电路以处理扩大的频带的不同部分的分布式放大器系统10a，可提供更宽的频带(例如1MHz到10GHz)。与输入传输电路14a相当于栅极线一样，输入末端30a通常可相当于栅极末端。同样地，与输出传输电路16a通常相当于漏极线一样，输出末端42a可相当于漏极末端。

尽管迄今单独地显示了输出末端42a，反馈电路在输出传输电路16a和输入传输电路14a的输入端26a之间，但是对本明没有必需的限制。例如，如图3所示，分布式放大器系统10b可具有在输出传输电路16b和输入传输电路14b之间的任意一点处连接的输出末端电路42bb。并且，具有多于一个的这样的末端电路42b，42bb-42bn。

尽管在图2和3中所示的本发明的分布式放大器系统包括多个大于两个的薄片或放大器12a-1到12a-N，但是在图4中本发明还考虑具有多个仅仅两个的薄片或放大器12c、12cc的简单形式。

此外，放大器不必是如迄今所示的简单的单个晶体管放大器，而可是例如，图5中的共发共基放大器12d、12dd，其中两个FET18d和18dd用于每个放大器，而添加了附加电源Vgg160，当然该共发共基放大器结构或其他放大器结构可用于大于两个的多个薄片或放大器设备，如图2、3和4所示。

分布式放大器的噪声系数主要取决于栅极或输入末端电阻和晶体管。在低频率处，棚极或输入末端电阻的热噪声影响晶体管的噪声。在GHz频率范围内，因为输入信号耦合到晶体管输入端而噪声系数由晶体管支配，所以栅极或输入末端电阻实质上是可穿透的(transparent)。理想地，在低频率处，我们愿意使棚极末端电阻最好也是可穿透的(transparent)。去掉它的问题与去掉漏极或输出末端类似，其是低的回波损失和增益平直度。在传统的分布式放大器中，如果棚极或输入末端电阻大于50欧，则输入匹配和增益平直度降低。然而，根据本发明在漏极线(输出传输电路)和栅极线(输入传输电路)之间增加反馈，当将棚极末端电阻增大到大于100欧时，输入匹配在低频率处是良好的；这将使得它接近于变成可穿透的(transparent)。这个较大的栅极末端电阻将在低频率处降低整个的噪声系数。本发明提供的改善性能可关联图6、7和8看到，其比较了现有技术的分布式放大器系统和根据本发明的分布式放大器系统的性能。图6是相对于输入功率中的线性输入增加，功率输出压缩了1dB也称为P1dB。其中可以看到根据本发明的分布式放大器系统相对于传统系统的响应72的改善的响应，其中贯穿从近似10kHz到超过1GHz的范围均有显著改善。图7示出了从大约29到30dB到31dB的类似的改善。参考图7，还可看到功率增加效率(PAE)具有在同频率范围内的显著改善，在该范围内在P1dB处的功率增加效率显示为曲线74，从大约10kHz到超过1GHz显著高于传统系统的响应76。在1MHz到2GHz的范围内也可以从图8看到噪声系数被改善了，在该范围上与传统系统的特性80比较，本发明的分布式放大器系统的被标为78的噪声系数相对较低。此外，直到到达晶体管的闪变噪声拐角频率，噪声系数将粗略地保持为恒定的。

尽管在一些附图而非其他中显示了本发明的具体特征，这仅为了方便，因为每个特征可被包含在根据本发明的任一或所有的其他特征中。在此采用的术语“包括”、“包含”、“具有”和“带有”被广泛地和包括地解释，而且不限于任何的物理相互连接。此外，在本主题申请中的任何公开的实施例不被看作为仅有的可能的实施例。

此外，对于本专利的专利申请的进行期间的提交的任何修改不是对提交的申请中的提供的任何权利要求的放弃：本领域技术人员不能合理地期望撰写一个权利要求，其在字面意思上包含所有可能等同物，许多等同物在修改时不可预料且超过了将被放弃的直接解释(如果有什么的话)，修改基于的基本原理可具有只是对于许多等同物的稍微的关系，和/或由于许多其他原因申请人不能被期望为了被修改的任何权利要求描述一些非实质的替代体。

其他实施例可被本领域技术人员设想到，且被包含在下面的权利要求中。