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CN116317966A - 一种放大电路 - Google Patents

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CN116317966A
CN116317966A CN202310319374.9A CN202310319374A CN116317966A CN 116317966 A CN116317966 A CN 116317966A CN 202310319374 A CN202310319374 A CN 202310319374A CN 116317966 A CN116317966 A CN 116317966A
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resistor
amplifying tube
circuit
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刘玄鹤
张驰
孙雨晨
姜鑫
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Nanjing Milewei Corp
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Abstract

本发明提供了一种放大电路，包括：级联的第一级差分电路和第二级差分电路，第三放大管的输入端和输出端之间设置有第一反馈支路，第一反馈支路包括第一电阻和第一电感，第一反馈节点与第三放大管的输出端之间设置有第二电阻和第二电感，第四放大管的输入端和输出端之间设置有第二反馈支路，第二反馈支路包括第四电阻和第三电感，第二反馈节点与第三放大管的输出端之间设置有第五电阻和第四电感，第一反馈节点与供电端之间设置有第六电阻。该放大电路同时了提高增益并拓展带宽，还提高了电压裕度和线性度。

Description

一种放大电路
技术领域
本发明涉及一种射频电路设计领域，尤其涉及一种放大电路。
背景技术
近年来对于不断增长的数据传输量和速率的需求推动了现代无线通信系统的发展。宽频通讯系统可以提供更快的数据传输速率，更大的带宽，更高的信号质量，更低的延迟，更高的可靠性和更高的安全性。这些特性使它成为现代通信系统中不可或缺的一部分，可以满足各种应用的需求，从而提高效率和可靠性。这同时也对放大器提出了宽频的要求。
常见的放大器结构，以场效应管为例，包括共源放大器、共栅放大器和共漏放大器。共栅放大器的输入阻抗随频率变化相对较小，但噪音较大，且没有电流增益，因此应用不广泛。共漏放大器常作为电压跟随器使用。共源放大器既有电流增益又有电压增益，但增益带宽比比共栅放大器低。限制其带宽的主要原因是输出端的对地等效电容。为了消除这个电容的影响，中和电容技术被普遍使用在宽带放大器中。但是中和电容的容值需要反复迭代确认，并会受到品质因数的影响，这些都会在实际工作中，影响放大器的带宽和增益。退化电感虽然可以增大输入阻抗的实部，但会进一步放大输入阻抗的虚部。因此对匹配网络提高了要求，限制了带宽。在另一方面，电感形成的负反馈会减少放大器的增益。
此外，随着先进工艺发展和对高效率的不断追求，电源电压在不断降低，因此电压裕度和线性度也成为了问题。较低的电源电压会让管子容易进入到压缩点，限制了输出摆幅。为了保持电压裕度，在电流不变的情况下，负载电阻只能相对应减小，因此增益也变小。
为解决放大电路中存在的电压裕度和增益或带宽之间难以同步提高的问题，本发明旨在提供一种放大电路，能够实现放大电路的电压裕度和增益或电压裕度和带宽的同步提升，分别适用于窄带高增益需求和超宽带需求。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种放大电路，包括：级联的第一级差分电路和第二级差分电路，所述第一级差分电路包括第一放大管和第二放大管，所述第二级差分电路包括第三放大管和第四放大管，所述第一放大管的输出端与所述第三放大管的输入端连接，所述第二放大管的输出端与所述第四放大管的输入端连接，所述第三放大管的输入端和输出端之间设置有第一反馈支路，所述第一反馈支路包括第一电阻和第一电感，所述第一反馈支路与所述第三放大管的输出端的连接点为第一反馈节点，所述第一反馈节点与所述第三放大管的输出端之间设置有第二电阻和第二电感，所述第一反馈节点与供电端之间设置有第三电阻，所述第四放大管的输入端和输出端之间设置有第二反馈支路，所述第二反馈支路包括第四电阻和第三电感，所述第二反馈支路与所述第三放大管的输出端的连接点为第二反馈节点，所述第二反馈节点与所述第三放大管的输出端之间设置有第五电阻和第四电感，所述第一反馈节点与供电端之间设置有第六电阻。
在一实施例中，第一电感与第三电感耦合。可选地，第一电感与所述第三电感可采用两线并绕方式耦合，或采用两线分绕方式耦合。
在另一实施例中，所述第二电感与第四电感耦合。可选地，第二电感与第四电感可采用两线并绕方式耦合，或采用两线分绕方式耦合。
在又一实施例中，第一电感与第三电感耦合，且所述第二电感与第四电感耦合。可选地，第一电感与所述第三电感采用两线并绕方式耦合，第二电感与第四电感也采用两线并绕方式耦合；或第一电感与所述第三电感采用两线分绕方式耦合，第二电感与第四电感也采用两线分绕方式耦合；或第一电感、第三电感、第二电感与第四电感采用四线并绕方式耦合。
在前述任一实施例中，第一反馈支路还包括第一有源电阻，第一反馈支路通过第一有源电阻连接于第一反馈节点；以及第二反馈支路还包括第二有源电阻，第二反馈支路通过第二有源电阻连接于第二反馈节点。
进一步地，所述第一有源电阻和所述第二有源电阻为NPN三极管或N型场效应管，所述第一有源电阻的基极或栅极与所述第一反馈节点连接，所述第一有源电阻的发射极或源极与所述第一反馈支路连接，所述第一有源电阻的集电极或漏极连接直流供电端；所述第二有源电阻的基极或栅极与所述第二反馈节点连接，所述第二有源电阻的发射极或源极与所述第二反馈支路连接，所述第二有源电阻的集电极或漏极连接直流供电端。
进一步地，所述第一有源电阻的发射极和所述第二有源电阻的发射极为所述放大电路的信号输出端。
在前述任一实施例中，第一反馈节点和第二反馈节点为放大电路的信号输出端。
在前述任一实施例中，第一放大管、第二放大管、第三放大管和第四放大管为N型场效应管或N型三极管。
在前述任一实施例中，第一放大管的基极或栅极为正极射频信号输入端，第二放大管的基极或栅极为负极射频信号输入端；或第一放大管的基极或栅极为射频信号输入端，第二放大管的基极或栅极不接输入信号。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。
图1是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图2是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图3是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图4是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图5是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图6是根据本发明的一个方面绘示的双线并绕电感的绕线方式示意图；
图7是根据本发明的一个方面绘示的双线分绕电感的绕线方式示意图；
图8是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图9是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图；
图10是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的放大电路的电路示意图。
具体实施方式
给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”、“跨接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
根据本发明的一个方面，提供一种放大电路，用于解决现有放大电路中存在的电压裕度与增益或电压裕度与带宽对电路结构设计的矛盾需求。
图1示出了一实施例中的放大电路的示意图。如图1所示，放大电路包括第一级差分电路1和第二级差分电路2。
第一级差分电路1包括第一放大管Q1和第二放大管Q2，第一放大管Q1和第二放大管Q2对称设置。第二级差分电路2包括第三放大管Q3和第四放大管Q4，第三放大管Q3和第四放大管Q4对称设置。
第一放大管Q1的输出端与第三放大管Q3的输入端连接，第二放大管Q2的输出端与第四放大管Q4的输入端连接。第一放大管Q1的输入端和/或第二放大管Q2的输入端为整体放大电路的输入端。第三放大管Q3的输出端和/或第四放大管Q4的输出端为整体放大电路的输出端。
可以理解，图1所示的放大管可采用NPN三极管或N型场效应管来实现。在图1所示的架构中，NPN三极管的输入端为基极，输出端为集电极，发射极与电流源连接；N型场效应管的输入端为栅极，输出端为漏极，源极与电流源连接。其中，第一放大管Q1和第二放大管Q2共用同一电流源，第三放大管Q3和第四放大管Q4共用同一电流源。
第三放大管Q3的输入端和输出端之间以及第四放大管Q4的输入端和输出端之间分别设置有第一反馈支路12和第二反馈支路22。第一反馈支路12包括第一电阻R1和第一电感L1，第二反馈支路22包括第四电阻R4和第三电感L3。
第一反馈支路12与第三放大管Q3的连接点为第一反馈节点A，第二反馈支路22与第四放大管Q4的连接点为第二反馈节点B。
第一反馈节点A与第三放大管Q3的输出端之间设置有第二电阻R2和第二电感L2，第一反馈节点A与放大管的直流供电端之间设置有第三电阻R3。可以理解，第一反馈节点A与第三放大管Q3的输入端之间、第一反馈节点A与第三放大管Q3的输出端之间、以及第一反馈节点A与直流供电端之间分别构成了三条支路。
本发明在第一反馈节点A与第三放大管Q3的输入端之间、以及第一反馈节点A与第三放大管Q3的输出端之间分别设置了第一电阻R1和第一电感L1、以及第二电阻R2和第二电感L2。一方面，第一电感L1和第二电感L2的增加会增大该两条支路的射频阻抗，提高整体电路的增益；另一方面，第一电感L1和第二电感L2不影响该两条支路的直流阻抗，则第三放大管Q3的输入端和输出端的直流电压不会大幅下降，从而提高了直流供电端的电压裕度，提高了整体电路的线性度。
第二反馈节点B与第四放大管Q4的输出端之间设置有第五电阻R5和第四电感L4，第二反馈节点B与放大管的直流供电端之间设置有第六电阻R6。可以理解，第二反馈节点B与第四放大管Q4的输入端之间、第二反馈节点B与第四放大管Q4的输出端之间、以及第二反馈节点B与直流供电端之间分别构成了三条支路。
本发明在第二反馈节点B与第四放大管Q4的输入端之间、以及第二反馈节点B与第三放大管的输出端之间分别设置了第四电阻R4和第三电感L3、以及第五电阻R5和第四电感L4。一方面，第三电感L3和第四电感L4的增加会增大该两条支路的射频阻抗，提高整体电路的增益，并且减小第一放大管Q1或第二放大管Q2的输出端的对地等效电容，极大的拓展了工作带宽；另一方面，第三电感L3和第四电感L4不影响该两条支路的直流阻抗，则第四放大管Q4的输入端和输出端的直流电压不会大幅下降，从而提高了直流供电端的电压裕度，提高了整体电路的线性度。
较优地，第一反馈节点A和第二反馈节点B为整体放大电路的输出端。
更进一步地，图2示出了另一实施例中的放大电路的电路示意图。如图2所示，图2所示的实施例相对于图1的实施例的区别在于，第一反馈支路12和第二反馈支路22分别通过第一有源电阻Q5和第二有源电阻Q6连接第一反馈节点A和第二反馈节点B。
该第一有源电阻Q5和第二有源电阻Q6可采用NPN型三极管或N型场效应管，且与放大管所采用的管子类型可以相同或不同。则第一反馈支路12连接于第一有源电阻Q5的发射极或源极，第一有源电阻Q5的基极或栅极连接于第一反馈节点A。第二反馈支路22连接于第二有源电阻Q6的发射极或源极，第二有源电阻Q6的基极连接于第二反射节点B。
同时，第一有源电阻Q5的集电极连接直流供电端VDD2，即直流供电端VDD2可通过第一有源电阻Q5的集电极、发射极以及第一反馈支路12向第一放大管Q1的集电极或漏极供电，第一直流供电端VDD1通过第三电阻R3、第二电阻R2和第二电感L2向第三放大管Q3的集电极或漏极供电。第二有源电阻Q6的集电极连接直流供电端VDD2，即直流供电端VDD2可通过第二有源电阻Q6的集电极、发射极以及第二反馈支路22向第二放大管Q2的集电极或漏极供电，第一直流供电端VDD1通过第六电阻R6、第五电阻R5和第四电感L4向第四放大管Q4的集电极或漏极供电。
相对于图1所示的实施例，图2所示的实施例可降低第三电阻R3或R6两端的电压，进一步提高电压裕度，保证增益和带宽。
在图2所示的实施例中，第一反馈节点A或第一有源电阻Q5的发射极或源极均可作为输出端，第二反馈节点B或第二有源电阻Q6的发射极或源极均可作为另一输出端。
图3示出了另一实施例中的放大电路的电路示意图。如图3所示，图3所示的实施例相对于图1所示的实施例的区别在于，第一电感L1和第三电感L3耦合，耦合系数k1。
图4示出了另一实施例中的放大电路的电路示意图。如图4所示，图4所示的实施例相对于图1所示的实施例的区别在于，第二电感L2和第四电感L4耦合，耦合系数k2。
图5示出了另一实施例中的放大电路的电路示意图。如图5所示，图5所示的实施例相对于图1所示的实施例的区别在于，第一电感L1和第三电感L3耦合，耦合系数k1，第二电感L2和第四电感L4耦合，耦合系数k2。
在前述的多个实施例中，设置电感耦合结构可进一步调整电感和整体电路的共振频率，从而调整增益或者带宽，同时大大降低电路面积。
进一步地，耦合电感的绕线方式可影响共振频率的变化方向，从而可选择合适的绕线方式来达到提升增益或者拓展带宽的目的。例如，对于图3~图5所示的实施例而言，选择双线并绕或者四线并绕（图5的双耦合结构可采用四线并绕或两组耦合结构分别采用双线并绕）方式来实现耦合结构，可减小共振频率，从而提高增益；选择双线分绕的方式来实现耦合结构，可增大共振频率，从而拓展带宽。本领域的技术人员可根据实际电路的设计目标来对应的调整放大电路中的耦合结构的绕线方式。
其中，双线并绕指耦合线圈以图6所示的互相接近的方式绕线。双线纷扰指耦合线圈以图7所示的互相远离的方式绕线。该两种绕线方式对两个电感之间的磁通量产生的影响相反，因此可使得耦合电感的共振频率朝两个相反的趋势变化，进而可产生提高增益和拓展带宽两种不同的效果。
与图3~图5对应的，图2所示的放大电路中的电感L1与L3、和/或L2和L4也可采用耦合结构，并通过设置适当的电感绕线方式来强化提高增益或拓展带宽的技术效果，如图8~10所示。
在前述的一个或多个实施例中，可将第一放大管Q1的基极或栅极和第二放大管Q2的基极或栅极中的其中一者或两者作为射频信号输入端，第一反馈节点A和第二反馈节点B的其中一者或两者作为输出端。在将第一放大管Q1的基极或栅极和第二放大管Q2的基极或栅极两者作为射频信号输入端时，第一放大管Q1的基极或栅极为射频信号正输入端，第二放大管Q2的基极或栅极为射频信号负输入端。
在前述的一个或多个实施例中，放大电路采用完全对称的电路结构，即第一放大管Q1和第三放大管Q3所在的放大电路与第二放大管Q2和第四放大管Q4所在的放大电路呈对称结构，左右两侧相对应的器件参数和器件尺寸完全相同。
提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种放大电路，其特征在于，包括：
级联的第一级差分电路和第二级差分电路，所述第一级差分电路包括第一放大管和第二放大管，所述第二级差分电路包括第三放大管和第四放大管，所述第一放大管的输出端与所述第三放大管的输入端连接，所述第二放大管的输出端与所述第四放大管的输入端连接，
所述第三放大管的输入端和输出端之间设置有第一反馈支路，所述第一反馈支路包括第一电阻和第一电感，所述第一反馈支路与所述第三放大管的输出端的连接点为第一反馈节点，所述第一反馈节点与所述第三放大管的输出端之间设置有第二电阻和第二电感，所述第一反馈节点与供电端之间设置有第三电阻，
所述第四放大管的输入端和输出端之间设置有第二反馈支路，所述第二反馈支路包括第四电阻和第三电感，所述第二反馈支路与所述第三放大管的输出端的连接点为第二反馈节点，所述第二反馈节点与所述第三放大管的输出端之间设置有第五电阻和第四电感，所述第一反馈节点与供电端之间设置有第六电阻。
2.如权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述第一电感与第三电感耦合，和/或所述第二电感与第四电感耦合。
3.如权利要求2所述的放大电路，其特征在于，所述第一电感与所述第三电感采用两线并绕方式耦合，和/或所述第二电感与第四电感采用两线并绕方式耦合。
4.如权利要求2所述的放大电路，其特征在于，所述第一电感、所述第三电感、所述第二电感和所述第四电感采用四线并绕方式耦合。
5.如权利要求2所述的放大电路，其特征在于，所述第一电感与第三电感采用两线分绕方式耦合，和/或所述第二电感与第四电感采用两线分绕方式耦合。
6.如权利要求1~5中任一项所述的放大电路，其特征在于，所述第一反馈支路还包括第一有源电阻，所述第一反馈支路通过所述第一有源电阻连接于所述第一反馈节点；以及
所述第二反馈支路还包括第二有源电阻，所述第二反馈支路通过所述第二有源电阻连接于所述第二反馈节点。
7.如权利要求6所述的放大电路，其特征在于，所述第一有源电阻和所述第二有源电阻为NPN三极管或N型场效应管，
所述第一有源电阻的基极或栅极与所述第一反馈节点连接，所述第一有源电阻的发射极或源极与所述第一反馈支路连接，所述第一有源电阻的集电极或漏极连接直流供电端；
所述第二有源电阻的基极或栅极与所述第二反馈节点连接，所述第二有源电阻的发射极或源极与所述第二反馈支路连接，所述第二有源电阻的集电极或漏极连接直流供电端。
8.如权利要求7所述的放大电路，其特征在于，所述第一有源电阻的发射极和所述第二有源电阻的发射极为所述放大电路的信号输出端。
9.如权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述第一反馈节点和所述第二反馈节点为所述放大电路的信号输出端。
10.如权利要求1~5中任一项所述的放大电路，其特征在于，所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管和所述第四放大管为N型场效应管或N型三极管。
11.如权利要求10所述的放大电路，所述第一放大管的基极或栅极为正极射频信号输入端，所述第二放大管的基极或栅极为负极射频信号输入端；或
所述第一放大管的基极或栅极为射频信号输入端，所述第二放大管的基极或栅极不接输入信号。
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