CN1062995C - 负电阻补偿的微波缓冲器 - Google Patents

Abstract

一种单片微波缓冲放大器适合于增大它在微波频率下的输入阻抗。在缓冲放大器的第一和第二级中的容性阻抗共同地在第一级的输入端表现为一个负电阻。补偿的正电阻电连接到第一级的输入端以抵消该负电阻并提供一个足够高的电阻性输入阻抗。

Description

负电阻补偿的微波缓冲器

本发明涉及微波缓冲电路，特别是涉及具有高输入阻抗的单片微波缓冲放大器。

高输入阻抗的微波缓冲放大器对于级联的微波电路和/或部件的耦合是特别有用的。在以这种方式使用时，这类缓冲放大器把第一个微波电路或微波部件的输出和第二个微波电路或部件的输入相耦合以防止输入对输出的加载作用。

在单片微波缓冲放大器中，尤其是在场效应晶体管(FET)或双极型晶体管各级的情况下，晶体管输入电容对缓冲放大器输入阻抗的影响随着工作频率增加到3dB滚降频率f_3dB以上时会变得比晶体管的输入电阻更加主要。如在本专利申请中所用的那样，术语3dB滚降频率是指增益比放大器的标称的直流开环增益A下降多于3dB以下时的频率。这种增益跌落的例子示于图1中。在典型情况下，输入阻抗Z_IN等效于输入电阻Ri在电气上和输入电容C_i并联。随着缓冲放大器的工作频率增加到f_3dB以上，容性电抗1／2πfC_i相对于并联电阻R_i而下降，导致输入阻抗幅度相当大的下降。这种下降的例子也示于图1中。从例子可以看到，在1GHz的微波频率下这样的缓冲放大器的输入阻抗Z_IN的幅度可以是一个很低的数值，例如2欧姆。这会对联接到输入端的微波电路或微波部件的输出严重地加载。单片微波缓冲放大器的这种输入特性通常会限制它们使用在这样的一些场合，即微波电路或/和部件工作在缓冲放大器3dB滚降频率以下的频率上。

本发明的一个目标是提供一种单片微波缓冲放大器，它具有足够大的正的输入阻抗，即使在3dB滚降频率以上也是这样，使其在该频率上能实际运用。

本发明的另一个目标是提供一种单片微波缓冲放大器，它具有这样的一个输入阻抗，在3dB滚降频率以上的频率下容抗分量相对于电阻分量的优势至少能被明显地减小。

按照本发明，单片微波缓冲放大器包括级联的第一和第二级，每一级具有包括一个在3dB滚降频率之上是容性电抗分量在内的输入阻抗。在级联的各级工作时，容性电抗分量协同作用以产生在输入电流和输入电压之间的180°相移，从而使得这些部件在第一级的输入端共同表现出一个阻值为R^-的负的输入电阻。缓冲放大器还在它的输入端包括一个正电阻，其幅度至少等于负的输入电阻的幅度，以便有效地抵消这个负电阻并且提供一个有足够幅度的有效正输入电阻来防止对耦合到输入端的电路或部件有过分的加载。

这样，在按照本发明的缓冲放大器中通过显著地减少输入阻抗的容性电抗分量而使输入阻抗增大。另外，通过选择能显著地抵消负的输入电阻的正电阻的阻值，输入阻抗的电阻分量实际上能增大到比在常规缓冲放大器中所具有的阻值更大的值。

在优选实施例中，缓冲放大器包括阻值为R的并联输入电阻，此处1/R=1/R_eff+1/R⁺。缓冲放大器的总输入阻抗基本上是实数，它包括作为实数部分的输入电阻R_IN，这里1/R_IN=1/R^-+1/R⁺+1/R_eff，且其中R⁺等于并基本上抵消阻值为R^-的负的输入电阻。因此，电阻R_eff就是缓冲放大器的有效输入阻抗。

按照本发明的其它实施例在其余的权利要求中说明。

本发明的实施例将参考所附插图利用例子来说明，在这些图中：

图1表示一个代表性的曲线图，说明典型的单片微波缓冲放大器的电流增益对频率的特性和输入阻抗对频率的特性。

图2A和2B分别表示按照本发明的单片微波缓冲放大器的第一和第二实施例的电路图。

图3表示一个代表性的曲线图，说明按照本发明的一个单片微波缓冲放大器的总输入电阻对频率的特性和负输入电阻对频率的特性。

图4A和4B分别表示按照本发明的单片微波缓冲放大器的第三和第四实施例。

图2A表示按照本发明的缓冲放大器的第一实施例，它包括两个级联的双极型晶体管级。在第一级，晶体管Q1以射极跟随器的接法电连接到电阻R₁，该电阻电连接到发射极上。在第二级，晶体管Q2电连接成共发射极接法。晶体管Q1的基极电连接到缓冲放大器的一个输入端IN，晶体管Q2的集电极则电连接到缓冲放大器的一个输出端OUT。缓冲放大器还包括和电源电压V⁺和V^-相连接的端子，其中的一个一般是处于地电位。

组合的第一和第二级有一输入电容，在高于f_3dB的频率时，该电容约为 $C_{\mathrm{IN}}=\frac{C_1}{g_{\mathrm{ml}}{R}_1}+\frac{C_2}{{\mathrm{\β}}_1}------\left(1\right)$ 这里g_ml是第一级的跨导，C₁和C₂分别是晶体管Q1和Q2的基极对发射极的电容，β₁则是晶体管Q1的电流增益系数。

输入电容C_IN要明显地小于电容C₁和C₂的并联组合，因为β₁和g_mlR₁的每一个一般都要比1大许多。容抗对缓冲放大器输入阻抗的大部分作用被转化成为一个负的输入电阻，这个电阻在3dB滚降频率以上的频率时约为 $R^{-}=-\frac{g_{\mathrm{ml}}}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2{C}_1{C}_2}------\left(2\right)$ 这里f是工作频率。

由于R^-的值是负的，缓冲放大器在不加补偿的情况下会不稳定。但是，通过在第一级的输入端上在电气上并联接一个电阻R，该电阻具有这样的阻值以使： $\frac{1}{R}=\frac{1}{R_{\mathrm{eff}}}+\frac{1}{R^{-}}------\left(3\right)$ 这里使R⁺的幅度等于R^-的幅度，则缓冲放大器的输入电阻将转换成阻值为R_eff的实的正电阻。

总的输入电阻R_IN等效于三个电阻R⁺、R^-、R_eff的并联组合，这里 $\frac{1}{R_{\mathrm{IN}}}=\frac{1}{R_{\mathrm{eff}}}+\frac{1}{R^{-}}+\frac{1}{R^{-}}------\left(4\right)$ 由于R⁺=-R^-，这两个值互相抵消，上式简化为：

R_IN=R_eff    (5)

举例来说，如果R^-在预定的工作频率(例如1GHz)等于-270欧姆，并且在这一频率下希望有效输入电阻R_IN=R_eff=+230欧姆，则电阻R⁺的值应等于270欧姆，而并联电阻R的值则如等式(3)所规定的应为约+125欧姆。

图2B表示按照本发明的缓冲放大器的第二实施例。这个实施例和第一个相似，不过电阻R在电气上和第一级的输入相串联。在这种情况下：

R=R_eff+R⁺    (6)并且使串联电阻R的阻值等于+500欧姆。请注意，当R是串联而不是并联连接时，为了得到同样的正输入电阻R_IN需要一个更大的R值。

图3以图表的形式说明：对于由图2A所表明的缓冲放大器在如上所计算的R值时作为频率的函数的负输入电阻R⁺和有效输入电阻R_IN=R_eff。请注意，和图1相比，有效输入电阻R_IN在10⁷赫时约为其3倍。在高于10⁸赫的频率时，有效输入电阻仍保持为正值而且实际上是增加的，一直到接近缓冲放大器的设计工作频率1GHz附近达到顶峰，而不是如图1所示的在1GHz时下降到约2欧姆的数值。对于具有相同的R值的图2B实施例，输入电阻和负输入电阻的曲线和图3所示的曲线将是相似的但不完全相同。

图4A表示按照本发明的缓冲放大器的第三实施例，它包括第一双极型晶体管级并且和第二电容级相级联。第一级基本上和第一实施例的第一级相同。但是第二级仅仅包括一个电容值为C′₂的电容，它电连接到第一级的输出端并接到缓冲放大器的输出端。

和第一实施例相似，第三实施例的组合的第一和第二级具有负的输入电阻，它在3dB滚降频率以上的频率时约为： $R^{-}=-\frac{g_{\mathrm{ml}}}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2{C}_1{C}_2}------\left(7\right)$ 输入电容则约为： $C_{\mathrm{IN}}=\frac{C_1}{g_{\mathrm{ml}}{R}_1}+\frac{C_2^{\′}}{{\mathrm{\β}}_1}------\left(8\right)$ 这里g_ml是第一级的跨导而C₁则是晶体管Q1的基极对发射极的电容。电阻R的值和第一实施例一样由使用式(3)来确定。

图4B表示按照本发明的缓冲放大器的第四实施例。这个实施例和第三例相似，但是电阻R像第二实施例一样，在电气上是和第一级的输入串联的。类似地，在这种情况下要用式(6)来确定电阻R的阻值。

在任何一个实施例中，电阻R既可用无源部件也可用有源部件来构成。例如，它可以用一个或多个无源的电阻来构成，也可以用一个或多个诸如二极管或晶体管这样的有源部件来构成，它们具有和第一和/或第二级的电阻特性相类似的随温度和/或随偏置条件而变的正向导通电阻特性。

在第三和第四实施例中的电容C′₂也可以用无源或有源的部件构成。作为有源部件结构的一个例子，C′₂可以是下一级的输入电容。

在本发明的范围内也可以有别的替换的实施例。例如，电阻R₁可以用一个或多个无源的和/或有源的部件构成。作为有源部件的例子，电阻R₁可以是一个正向偏置的二极管或晶体管的结。此外，在缓冲放大器的工作频率下没有明显的阻抗的部件，例如，和电阻R相串联的直流隔断电容，可以包含在缓冲放大器中。作为另外一个替换方案，缓冲放大器可以经过有源和/或无源部件连接到电源电压上。

本发明并不局限于使用双极型晶体管的实施方案，因为FET(场效应管)也可使用。

Claims (5)

1．一种用于在预定的3dB滚降频率之上的频率下工作的单片微波缓冲放大器，所述缓冲放大器包括级联的第一和第二级，每一级都含有包括容性电抗分量的输入阻抗，在第一和第二级工作时它们协同产生一个180°的相移，从而使得所述电抗分量作为一个负的输入电阻而共同出现在第一级的输入端，所述缓冲放大器还在它的输入端包括一个正电阻，它的幅度至少能抵消所述的负的输入电阻。

2．根据权利要求1所述的单片微波缓冲放大器，其特征在于，所述正电阻在电气上和第一级的输入端并联连接。

3．根据权利要求1所述的单片微波缓冲放大器，其特征在于，所述正电阻在电气上和第一级的输入端串联连接。

4．根据权利要求3所述的单片微波缓冲放大器，其特征在于，其中的正电阻幅度要比负的输入电阻幅度大得多。

5．根据权利要求1、2、3或4所述的单片微波缓冲放大器，其特征在于，所述缓冲放大器的输入阻抗基本上等于所述缓冲放大器的输入电阻。

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