一种增益增强的分布式放大器结构的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种增益增强的分布式放大器结构。


背景技术：

2.随着无线通信新标准新技术的不断发展，要求微波通信系统向宽带化、低噪声、小型化、自动化、集成化以及更高的工作频段发展，而放大器组件是通信系统中的关键组成部分，因此系统整体对放大器组件的工作带宽、指标性能等都提出了更高要求。宽带放大器因为其大的带宽可以覆盖多种应用，在系统的小型化与便携化趋势中有重要的应用价值，其应向多种用途扩展；现在在无线通信、its通信技术、移动电话、直播卫星接收(dbs)、卫星通信网、全球定位系统(gps)及毫米波自动防撞系统等领域中有着广阔的应用前景，同样在光传输系统中，宽带也占有很重要的地位。
3.传统的分布式放大器(n∈(1,2,3
…
))的结构如图1所示，n级的输入由2
×
n段特征阻抗为z0传输线构成，输出2
×
n段特征阻抗为z1的传输线构成。图1给出了分布式的电路结构，其中输入网络和输出网络由两条不同的传输网络构成，每一级由两根传输线和有源部分的寄生电容构成一个t型结构，传输线可以看作是一个lc结构，功能上表现为能够实现信号的传输，除此以外，由输出网络的截止频率公式
[0004][0005]
r是输出传输线的终端电阻，c是输出传输线的寄生电容，可知，截止频率被扩大了n倍(n为放大器的级数)，在输入网络和输出网络的终端各有一个电阻，输入网络终端的栅极的电阻用来吸收剩余的信号，输出网络终端的漏极的电阻用来吸收反射的信号。
[0006]
每一级的增益单元由2个有源放大级构成，有源部分主要起一个对信号放大的作用，有源器件的寄生电容成为传输线的组成部分，而不再受增益带宽积的限制因素，因而分布式结构能够实现极宽的带宽；其中，栅极传输线in_tl1＝in_tl2＝
…
＝in_tln，漏极传输线out_tl1＝out_tl2＝
…
＝out_tln,n∈(1,2,3
…
)。
[0007]
由上可知，传统均匀分布式放大器的每一根传输线都是一样的，包括有源部分也是一样，这会导致输出较小，效率很低，这主要是由于其结构存在以下两个缺点：其一，由于传统电路结构是对称的，各级晶体管从漏极看向两侧的阻抗相等，因此只有部分的电流会流向输出端，大多数的漏极电流会流向漏极吸收电阻，从而导致输出、增益和效率下降；其二，电流从前到后是逐级叠加的，而各级晶体管的漏极负载阻抗却是相同的，因此各级晶体管的漏级电压摆幅是不同的，后级晶体管具有更大的电压摆幅，由于各级晶体管的漏极偏置电压是相同的，因此前级晶体管的电压摆幅空间存在很大的浪费，这导致传统分布式放大器的效率出现进一步的下降。


技术实现要素：

[0008]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种增益增强的分布式放大器结构，可有效
提高分布式放大器的效率。
[0009]
本发明所述的一种增益增强的分布式放大器结构，所述放大器包括由2
×
n段特征阻抗为z0传输线构成的输入网络、由2
×
n段特征阻抗为z0传输线构成的输出网络、输入网络终端连接栅极电阻、输出网络终端连接的漏极电阻，输入网络和输出网络通过n级增益单元连接，其特征在于，每一级的增益单元均包括有源级、级间匹配、输入匹配和输出匹配，在两个所述有源级之间插入一个级间匹配，两个有源级分别对应连接输入匹配和输出匹配。
[0010]
进一步的，把前一个的信号通过耦合，引导到下一个的输入级，耦合结构为电感耦合，流过两个水平放置的前级电感和后级电感的电流方向相同，导致前级电感和后级电感的空间磁场方向相同，互相加强。
[0011]
进一步的，把前一个的信号通过耦合，引导到下一个的输入级，耦合结构为电容耦合，电容和晶体管接口处金属种的寄生电感发生谐振。
[0012]
进一步的，每一级的输入网络传输线和输出网络传输线的线长均不相等。
[0013]
本发明所述的有益效果为：本发明针对有源部分未匹配，在有源部分插入一个级间匹配，实现的放大器增强功能；通过电容耦合或电感耦合结构，把前一个的信号通过耦合，引导到下一个的输入级，来提高性能，提高增益耦合；为了提高输入能量传输效率，考虑到不同频率信号的在传输线中传输的特性不同，设置了每一级的输入输出网络的传输线的线长都不相同，这样能够将信号的传输效率最大化。
附图说明
[0014]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0015]
图1是传统的n级均匀分布式放大器结构示意图；
[0016]
图2是本发明所述的同一级中的两个有源器件间匹配结构示意图；
[0017]
图3是本发明所述的前后级耦合示意图；
[0018]
图4是改进后输入不对称网络的分布式放大器结构示意图；
[0019]
图5是n级变压器耦合分布式电路结构示意图；
[0020]
图6是3级变压器耦合分布式电路实例示意图；
[0021]
图7是4级有源器件匹配电路结构示意图；
[0022]
图8是放大器增益的前后对比图；
[0023]
图9是放大器的反射系数前后对比图；
[0024]
图10是电容耦合结构示意图。
具体实施方式
[0025]
如图2所示，本发明所述的一种增益增强的分布式放大器结构，所述放大器包括由2
×
n段特征阻抗为z0传输线构成的输入网络、由2
×
n段特征阻抗为z0传输线构成的输出网络、输入网络终端连接栅极电阻、输出网络终端连接的漏极电阻，输入网络和输出网络通过n级增益单元连接，每一级的增益单元均包括有源级、级间匹配、输入匹配和输出匹配，在两个所述有源级之间插入一个级间匹配，两个有源级分别对应连接输入匹配和输出匹配。级间匹配保证了上下两个有源级的匹配，输入和输出利用了阻抗共轭匹配的原理，实现了单
频点的增益提高。
[0026]
具体匹配设计方法可由gac匹配方法实现，具体实施方法如下：
[0027]
首先确认晶体管的稳定性且在smith圆图上定位γs和γ
l
的稳定区域，设计输入和输出匹配节；对于给定的晶体管，g0是固定的，所以放大器的总增益由匹配节的增益gs和g
l
控制，当这些节在放大器源或负载阻抗的晶体管之间提供共轭匹配时，可实现最大增益。因为多数晶体管表现为明显的阻抗失配，因而导致频率响应是窄带的，由共轭匹配可知，从输入匹配网络到晶体管的最大功率传输发生在而从晶体管到输出网络传递的最大功率发生在所以假定无耗匹配节，最大增益为
[0028][0029]
所以输入和输出节必须是同时匹配的；其中，γs和γ
l
分别为输入和输出网络的反射系数；g0晶体管自身的有效增益系数；gs和g
l
分别为输入(源)匹配网络的有效增益系数、输出(负载)匹配网络的有效增益系数；γ
in
是输入(源)匹配网络的反射系数；γ
out
是输出(负载)匹配网络的反射系数；是输入网络的反射系数的共轭，是输出网络的反射系数的共轭；s21:代表从1端口(即input)输入，2端口(即output)输出，对放大器而言，即增益；s22：代表从2端口输入，2端口输出，即反射系数。
[0030]
如图7所示，为4级有源器件匹配电路结构示意图，由结果图8和图9可见：增益在原来的基础之上提高了，反射系数与原先相比也提高了不少。
[0031]
在现有技术中，前一个信号通常通过电感互感引入下一个输入级，不能对工作频率进行优化；本发明为了提高性能，提高增益，可以把前一个的信号通过耦合，引导到下一个的输入级，耦合的方法有2种，其一：电容直接通过电场发生耦合，如图10所示，电容c和晶体管接口处的金属构成谐振，在接口处有寄生电感或者扎入的电感和插入的电容发生谐振；其二：两个电感构成一个变压器通过此磁场发生耦合，如图3所示，电感就两个同向磁场加强，然后电磁耦合，然后l和管子的寄生c谐振；两个电感构成一个n级变压器通过此磁场发生耦合如图5所示，3级变压器耦合如图6所示。
[0032]
为了提高输入能量传输效率，考虑到不同频率信号的在传输线中传输的特性不同，所以设置了每一级的输入输出网络的传输线的线长都不相同，这样能够将信号的传输效率最大化，如图4所示，栅极传输线in_tl1≠in_tl2≠
…
≠in_tln,n∈(1,2,3
…
)，漏极传输线out_tl1≠out_tl2≠
…
≠out_tln,n∈(1,2,3
…
)；本发明通过多级非对称分布式网络结构设计，进一步提高放大器效率，有效提高放大器的增益。
[0033]
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。