專利名稱：偏置電子電路的寬帶偏置系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與對電子電路進行偏置的偏置系統(tǒng)有關(guān)。具體地說，本發(fā)明提供了一種將寬帶分布式有源負(fù)載用作對微波寬帶低噪聲大功率應(yīng)用中的電子電路(例如功率放大器電子電路)進行偏置的偏置源的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在高比特率(大于40Gbit/s)的光纖傳輸系統(tǒng)中，非常廣泛地使用工作在頻率從DC到100GHz以上的寬帶集成功率放大器。
例如，用這種功率放大器來控制電光調(diào)制器，電光調(diào)制器是一種可以通過施加一個特定的電場改變光傳播的光學(xué)裝置，這個電場的峰-峰值通常在電吸收調(diào)制器的情況下為3伏特，而在鋰鈮酸鹽調(diào)制器的情況下大于6伏特。
需要用提供寬帶功率放大的高壓控制電路來控制這種光學(xué)裝置。
這些控制電路通常以分布式放大器的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。
分布式功率放大器具有固有的高增益帶寬積。
圖1示出了這種放大器的工作原理。放大級T1至Tn沿著輸入傳輸線GL和輸出傳輸線DL有規(guī)律地分布。每個傳輸線包括各自的傳導(dǎo)線GL和DL以及沿線連接的器件。
每個放大級包括一個場效應(yīng)晶體管，例如為金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。
這兩個傳輸線GL和DL因此分別稱為控制極線和漏極線。
然而，在放大級T1至Tn內(nèi)也可以用雙極型晶體管來代替場效應(yīng)晶體管。
在這種情況下，這些放大級所沿著分布的這兩個傳輸線分別稱為基極線和集電極線。
這種分布式放大器的工作情況如下需放大的輸入信號沿著控制極線GL傳播，被阻抗基本上等于傳輸線特性阻抗的負(fù)載Rg吸收。傳輸線的特性阻抗包括傳導(dǎo)線的阻抗和與它連接的各器件的等效阻抗。
如果一個傳輸線上的負(fù)載具有等于這個傳輸線的特性阻抗，這個傳輸線通常就象是一個無窮長的長線。
也就是說，沒有能量會反射到控制極線GL的輸入端。
因此，從左至右傳播的電壓波將經(jīng)過構(gòu)成這些放大級的每個晶體管T1至Tn的控制極G。
于是，每個晶體管產(chǎn)生電流，饋給漏極線DL。這電流一半傳播到負(fù)載Rd，而另一半傳播到輸出端。如果在漏極線DL和控制極線GL上的級間(inter-cell)傳播時間相同的話，各晶體管的傳播到輸出端的那一半電流就同相疊加在一起。這樣，總的放大系數(shù)就為各晶體管的相應(yīng)放大系數(shù)之和。
如果負(fù)載Rd調(diào)到傳輸線DL的特性阻抗(即負(fù)載Rd的阻抗等于傳輸線DL的特性阻抗)，朝漏極線DL的內(nèi)部負(fù)載Rd返回傳播的信號將完全被吸收掉。
因此，在這種分布式功率放大器輸出線中，注入的電流流到內(nèi)部負(fù)載Rd的那部分將被消耗掉，而沒有能量會朝輸出負(fù)載反射。
這個條件對于防止頻率響應(yīng)的紋波和脈沖響應(yīng)的回波是必不可少的，而且也維護了分布式功率放大器的性能，特別是它的線性。放大器的非線性是失真的主要原因。
象上面所說明的分布式放大器需要超過100mA的大偏置電流來提供所需的輸出電壓。
這種分布式放大器必須提供大的電流，從而必須使用許多晶體管，因此偏置電流很大。
在許多應(yīng)用中，于是出現(xiàn)對構(gòu)成這些沿著兩個傳輸線分布的放大級的晶體管進行偏置而不降低分布式放大器的性能的問題。
到目前為止，有兩種現(xiàn)有技術(shù)的解決方法對分布式放大器進行偏置。這兩種方法可參見Thomas T.Y.Wong的“分布式放大的基本原理”(“Fundamentals of distributed amplification”，Artech House，Boston & London，1993)。
然而，在本發(fā)明的情況下，特別是涉及到寬帶大功率應(yīng)用，在以上研究工作中所說明的現(xiàn)有技術(shù)的解決方法都不完全令人滿意。
首先，第一種解決方案主要是以漏極線DL的輸出端對形成分布式放大器的各放大級的晶體管的漏極進行偏置(參見圖2)。
圖2沒有示出這些放大級或控制極傳輸線。
因此，偏壓通過一個標(biāo)準(zhǔn)的T形偏置電路1加到分布式放大器的輸出端上。
這個偏置電路包括一個去耦電容器2和一個高感抗的扼流圈3。
去耦電容器2用來使分布式放大器的輸出端與直流偏壓相隔離。
在放大器的輸出端接有各種模塊，例如電光調(diào)制器之類。
扼流圈3用來阻擋電流的高頻分量而允許低頻分量通過，使得不會妨礙寬帶功率放大器在微波頻率的工作。
雖然這種傳統(tǒng)的對分布式放大器進行偏置的電路為形成沿著傳輸線的這些放大級的晶體管提供令人滿意偏流，但是它有一些缺點。
首先，這個電路不是集成為一體的電路，它是外接到分布式放大器集成電路上的。這種電路除了需要空間，主要是由于扼流圈尺寸大，需要用一個獨立的模塊。
此外，在有些應(yīng)用中，例如用分布式放大器輸出控制電光調(diào)制器的應(yīng)用中，必須用第二個T形偏置電路對電光調(diào)制器進行偏置。
因此，這種解決方案按照集成容量來說談不上是最佳的。
另一種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)解決方案主要是通過漏極線DL的漏極電阻Rd直接對晶體管進行偏置(參見圖3)。
如圖2那樣，圖3也沒有示出分布式放大器的各個放大級和控制極線。
這種解決方案是完全集成的，避免了在分布式放大器的輸出端用一個T形偏置電路。
然而，如上面所述，這種分布式功率放大器需要超過100mA的很大的偏流。
這樣大的偏流必然導(dǎo)致對發(fā)熱的限制，從而必需用一個很大的漏極電阻Rd，而這個電阻具有很大的寄生電容。這個很大的寄生電容會引起一些問題，特別是在微波頻率。在微波頻率，電阻Rd不再相當(dāng)于一個純電阻，寄生電容的影響不再是可以忽略的。
因此，隨著由于大偏流引起的電阻發(fā)熱，電阻就不再工作在它的線性區(qū)。這種情況在HF工作中也會遇到。
電阻Rd的特性因此而惡化，沿著分布式放大器的輸出線DL分布的這些晶體管的偏流就不再是穩(wěn)定的，而呈強烈波動。
此外，電阻的主要參數(shù)由于這樣的大偏流而隨時間惡化，它的值就會偏離輸出線DL的特性阻抗，從而在功率放大器的輸出端不再獲得阻抗匹配。
這大大地惡化了放大器的特性。
下面這個例子以數(shù)字說明在電阻Rd上的功率消耗的情況?？紤]的是偏流Id＝200mA、電阻Rd＝50Ω的情況。
電阻Rd兩端的電壓因此等于10V，消耗在電阻Rd上的功率為Pd＝Rd*Id2＝2W。
因此，雖然對于7V、200mA的偏置源來說放大器實際所需的功率只有1.4W，但實際需要的偏壓為Vd＝17V，考慮到Rd兩端的電壓降和消耗在Rd上的功率，總功率消耗為3.4W。因此，供電電壓從7V增加到17V，功率消耗從1.4W增加到3.4W。
這樣，偏壓和功率消耗都比確實需要的高。
最后，由于所產(chǎn)生的溫度升高，消耗在功率放大器集成電路的功率可以引起一些與組件封裝有關(guān)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種適合于寬帶大功率應(yīng)用的偏置系統(tǒng)。
具體地說，本發(fā)明的一個目的是提供一種能為對一個分布式放大器的所有晶體管進行偏置提供所需電流的偏置系統(tǒng)，可以在放大器的工作頻率范圍內(nèi)保證放大器輸出端的最佳阻抗匹配，從而不會惡化放大器的主要參數(shù)和特性。
所以，為了解決以上這些問題，本發(fā)明使用了一個寬帶分布有源負(fù)載作為特別是對于分布功率放大器的偏置源，雖然這種應(yīng)用并不是說對本發(fā)明的專利保護范圍有什么限制。
概括地說，按照本發(fā)明設(shè)計的偏置系統(tǒng)可以用作任何類型的需要大偏流的寬帶大功率應(yīng)用中的偏置源。
因此，本發(fā)明提供了一種對一個電子電路進行偏置的偏置系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括一個與一個傳輸線串聯(lián)的電阻，這個傳輸線具有一個基本上與這個電阻相等的特性阻抗和包括一個傳導(dǎo)線和多個沿著這個傳導(dǎo)線分布的電流源。
在本發(fā)明的一個實施例中，每個電流源包括一個場效應(yīng)晶體管，它的控制極和源相連，一起接到傳導(dǎo)線上，使從它的漏極至它的源極的電流保持恒定。
為了使傳輸線的特性阻抗與頻率無關(guān)，傳輸線的參數(shù)有益地確定為使它們遵從以下條件LR=CG]]>其中L為傳輸線上兩級之間的電感，R表示兩級之間的電感的損耗或者說線路損耗，G為電流源的漏極-源極電導(dǎo)，而C為電流源的漏極-源極電容。
本發(fā)明還提供了一種由剛才所述的這種偏置系統(tǒng)偏置的功率放大器。
從以下以非限制性的例子的方式給出的結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例的說明中可以更清楚地看到本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點。


圖1為業(yè)已說明的示出分布式功率放大器的工作原理的示意圖。
圖2為業(yè)已說明的示出第一種對分布式放大器進行偏置的現(xiàn)有技術(shù)方法的示意圖。
圖3為業(yè)已說明的示出第二種對分布式放大器進行偏置的現(xiàn)有技術(shù)方法的示意圖。
圖4為示出按照本發(fā)明設(shè)計的用作偏置源的分布式有源負(fù)載的示意圖。
圖5為示出按照本發(fā)明設(shè)計的分布式有源負(fù)載其中一級的等效電路的電路圖。
具體實施例方式
參見圖4，按照本發(fā)明設(shè)計的分布式有源負(fù)載包括一個與一個傳輸線串聯(lián)的電阻Rd，這個傳輸線包括一個傳導(dǎo)線TL和一些沿它分布的電流源。圖4示出了三個電流源T′1、T′2和T′3，作為一個非限制性的例子。
按照本發(fā)明設(shè)計的這種系統(tǒng)可用來對一個如圖1所示那樣的分布式功率放大器進行偏置。總的來說，它可用來對任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)類型的分布式放大器進行偏置。
每個電流源有益地包括一個場效應(yīng)晶體管(在另一個實施例中，每個電流源可以包括一個雙極型晶體管)。
傳輸線具有基本上與電阻Rd的值相等的特性阻抗Zc。傳輸線的特性阻抗包括傳導(dǎo)線TL的阻抗和連接到傳導(dǎo)線TL上的各晶體管的等效阻抗。
每個場效應(yīng)晶體管T’1、T’2和T’3的控制極G和源極S相連，一起接到傳輸線TL上，使得漏極-源極電流保持恒定。
因此，每個晶體管工作在飽和模式，輸出電流對偏壓不敏感。
每個晶體管的漏極D都接到一個對有源負(fù)載的晶體管進行偏置的電壓Vch上。
放大器部分的晶體管的供電電壓由電壓Vd設(shè)定。
用作有源負(fù)載的場效應(yīng)晶體管T′1、T′2和T′3因此是沿線TL分布的，按照本發(fā)明所得到的這個系統(tǒng)在用作如圖1所示的分布式功率放大器的電流源時形成一個在這種放大器的電阻Rd與漏極線DL之間的分布式有源負(fù)載。
按照本發(fā)明設(shè)計的這種分布式有源負(fù)載用同一個措施實現(xiàn)了兩個最重要的功能。
首先，這種分布式有源負(fù)載的功能是對分布式的功率放大器的各個晶體管進行偏置。
放大器的這些晶體管的偏流Id于是由分布式有源負(fù)載提供，因此幾乎沒有直流電流流過電阻Rd。
由于沒有或者幾乎沒有電流流過Rd，因此不再使電阻Rd發(fā)熱，從而避免了(如前面所述的)現(xiàn)有技術(shù)由于電阻Rd發(fā)熱而引起的問題，這樣就大大地改善了放大器的熱穩(wěn)定性。
另一個優(yōu)點是，無論對放大器進行偏置的有源負(fù)載的輸出電流是多大，不會改變加在分布的各級的晶體管上的電壓，這就改善了放大器的線性。
此外，按照本發(fā)明設(shè)計的偏置系統(tǒng)提供的偏流Id可以按需要改變。
因此，可以通過從分布式有源負(fù)載中去掉一些級或者再添加一些級使偏流適應(yīng)需要。
例如，如果在一種應(yīng)用中需要200mA的偏流，而沿傳輸線TL分布的有源負(fù)載的每個晶體管設(shè)計成能提供10mA，那末為了得到所需的分布式有源負(fù)載就需要用20個晶體管。
最后，由按照本發(fā)明設(shè)計的分布式有源負(fù)載提供的偏流穩(wěn)定得多，特別是與功率放大器的晶體管直接通過電阻Rd進行偏置的最為常見的現(xiàn)有技術(shù)解決方案相比。這顯著地改善了放大器的線性。因此也改善了它的特性。
按照本發(fā)明設(shè)計的用作分布式功率放大器的電流源的分布式有源負(fù)載的第二個有益的功能是可以使放大器的漏極線與特性阻抗一致，從而在分布式放大器的從DC直到超過60GHz的整個工作頻率范圍內(nèi)具有與加到放大器漏極線上的電阻Rd同樣的值。
實際上，對于負(fù)載匹配來說，這種分布式有源負(fù)載可以看作與一個簡單的傳輸線類似。
這個傳輸線的特性阻抗包括傳導(dǎo)線TL的阻抗和電流源T′1、T′2和T′3的等效阻抗，可以使它基本上等于電阻Rd的值，在這個例子中為50Ω。在分布式有源負(fù)載在輸入端加了電阻Rd的負(fù)載時，在分布式有源負(fù)載的輸出端，也就是在分布式放大器的輸入端，可以看到同樣的電阻值。
因此，分布式功率放大器的特性阻抗等于電阻Rd的值的漏極線始終是阻抗匹配的。
如果情況不是這樣，也就是說，如果得不到阻抗匹配或者說分布式放大器的漏極線加的不是等于電阻Rd的值的負(fù)載，就會出現(xiàn)反射和波紋，因此就會有許多能量損失掉。
為了使在分布式放大器的輸出端的阻抗匹配，可以計算出按照本發(fā)明設(shè)計的分布式有源負(fù)載的傳輸線的總長度，使得分布式有源負(fù)載的特性阻抗等于電阻Rd的值。
圖5示出了分布式有源負(fù)載其中一級的等效電路。
分布式有源負(fù)載的兩個相繼級之間的傳輸線可以模型化成一個電感線圈，而每個有源負(fù)載可以模型化成它的漏極-源極電容和漏極-源極電導(dǎo)。
按照本發(fā)明設(shè)計的分布式有源負(fù)載的特性阻抗于是可以按下式計算 上式中L為兩級之間的傳輸線的電感的值；
R表示兩級之間的電感損耗或者說線路損耗；G為有源負(fù)載的漏極-源極電導(dǎo)；以及C為考慮到有源負(fù)載所連接的傳輸線的電容后的有源負(fù)載的漏極-源極電容。
確定使特性阻抗Zc與頻率無關(guān)從而可以使分布式功率放大器在最寬的可能頻帶內(nèi)得到阻抗匹配的傳輸線的參數(shù)的條件由以下表示上面所定義的這些變量之間的關(guān)系式給出LR=CG]]>因此，通過選擇適當(dāng)?shù)腞、L、G和C的值可以產(chǎn)生一個在很寬的頻率范圍內(nèi)具有所需的恒定特性阻抗(在這個例子中為50Ω)的仿真?zhèn)鬏斁€，從而提供頻帶很寬的放大器的阻抗匹配。因此，在放大器的輸入端所看到的負(fù)載在很寬的頻帶內(nèi)幾乎是相同的。
實際上，可以用計算機輔助設(shè)計軟件來調(diào)整傳輸線的物理尺寸，以得到所需的結(jié)果。
沿傳輸線分布的級數(shù)取決于分布式有源負(fù)載必須提供的直流電流。
因此，按照本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)由于用作偏置源的有源負(fù)載的分布式特征解決了分布式功率放大器中所遇到的那些主要問題，特別是必需采用大偏流和寬帶阻抗匹配而不惡化放大器的特性的問題。
此外，與現(xiàn)有技術(shù)特別是偏置直接通過電阻Rd進行的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以用較低的偏壓為分布式功率放大器供電。
因此，這個特點不僅大大減少功率消耗和熱損耗，而且可以用標(biāo)準(zhǔn)的5V和12V的電源電壓供電。
最后，按照本發(fā)明設(shè)計的偏置系統(tǒng)是完全集成的系統(tǒng)，不需要在含有分布式功率放大器的集成電路以外再加任何模塊。
以上說明都與對一個分布式功率放大器進行偏置有關(guān)，但是所說明的系統(tǒng)也可用來對其他具有分布式結(jié)構(gòu)和寬帶甚至是低噪聲大功率的應(yīng)用中的電子電路進行偏置，顯然這并不背離本發(fā)明的專利保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種對一個電子電路進行偏置的偏置系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個與一個傳輸線串聯(lián)的電阻，所述傳輸線具有一個基本上與所述電阻相等的特性阻抗和包括一個傳導(dǎo)線和多個沿著所述傳導(dǎo)線分布的電流源。
2.如權(quán)利要求1中所提出的系統(tǒng)，其中每個電流源包括一個場效應(yīng)晶體管，它的控制極和源相連，一起接到所述傳導(dǎo)線上，使從它的漏極至它的源極的電流保持恒定。
3.如權(quán)利要求2中所提出的系統(tǒng)，其中為了使所述傳輸線的特性阻抗與頻率無關(guān)，所述傳輸線的參數(shù)確定為使它們遵從以下條件LR=CG]]>其中L為傳輸線上兩級之間的電感，R表示兩級之間的電感損耗或線路損耗，G為電流源的漏極-源極電導(dǎo)，而C為電流源的漏極-源極電容。
4.如權(quán)利要求1中所提出的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)提供的偏流是可變的。
5.一種由在權(quán)利要求1中所提出的系統(tǒng)偏置的功率放大器。
6.一種由在權(quán)利要求1中所提出的系統(tǒng)偏置的分布式功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明所提出的對一個電子電路進行偏置的偏置系統(tǒng)包括一個與一個傳輸線串聯(lián)的電阻，這個傳輸線具有一個基本上與這個電阻相等的特性阻抗和包括一個傳導(dǎo)線和多個沿著這個傳導(dǎo)線分布的電流源。這種偏置系統(tǒng)可以用來為任何類型的需要大偏流的寬帶低噪聲大功率應(yīng)用提供偏置和/或匹配。
文檔編號H03F3/60GK1395365SQ02140220
公開日2003年2月5日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
發(fā)明者威薩姆·茂贊納, 雷內(nèi)·萊菲維爾 申請人:阿爾卡塔爾公司