專利名稱：在并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2－級(jí)大帶寬放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速發(fā)送系統(tǒng)，尤其涉及在并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器。
背景技術(shù)：
在諸如包含在即將問(wèn)世的10Gb/s以太網(wǎng)中的高速發(fā)送系統(tǒng)之類的高速發(fā)送系統(tǒng)中，在沿媒體發(fā)送后的信號(hào)衰減十分嚴(yán)重，并且在接收部分中在執(zhí)行任何操作(A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)串行化(serializtion)，...等)前需要進(jìn)行放大。由于比特在單信道上發(fā)送前在發(fā)射部分被串行化，所以這些系統(tǒng)的放大電路必須以盡可能高的速度工作。結(jié)果，對(duì)在這些高速發(fā)送系統(tǒng)的接收端的放大電路增加了帶寬和增益限制。
由于雙極型器件的較高的Ft(轉(zhuǎn)換頻率)，所以現(xiàn)有放大電路基于優(yōu)于MOSFET器件的雙極型器件。增益和帶寬之間的常規(guī)折衷方案一般要求以共射連接的并且與輸出晶體管的集電極上的阻性負(fù)載串聯(lián)的雙極型晶體管進(jìn)行放大的多個(gè)級(jí)聯(lián)級(jí)。如圖1所示，已知的改進(jìn)是在從一級(jí)到前一級(jí)中放置并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D1，這里顯示了由10表示的現(xiàn)有放大器，該放大器包括僅僅由兩個(gè)雙極型晶體管Q1和Q2形成的兩個(gè)級(jí)，其中為了方便起見Q1和Q2串聯(lián)。晶體管Q1的集電極連接到晶體管Q2的基極。輸入信號(hào)Vin通過(guò)輸入端11施加到輸入晶體管Q1的基極，同時(shí)在連接到輸出晶體管Q2的集電極的輸出端12上獲得輸出信號(hào)Vout。并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)13包括電壓分壓器，該分壓器包括電阻器R1和R2以及與負(fù)載電阻器Rf串聯(lián)的稱為反饋晶體管的雙極型晶體管Q3，其中Q3以發(fā)射極跟隨器配置。反饋晶體管Q3通過(guò)所述電阻器Rf在節(jié)點(diǎn)14向晶體管Q1和Q2的連接節(jié)點(diǎn)注入反饋信號(hào)Vf，其中該連接節(jié)點(diǎn)由15表示。在該節(jié)點(diǎn)15的電壓由Vc表示。在正常操作中，當(dāng)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)14和15合并，而且Vf和Vc相等。僅當(dāng)使反饋結(jié)構(gòu)13不工作時(shí)，例如，切斷節(jié)點(diǎn)14和15的連線時(shí)(在下面將要適當(dāng)描述)，才能有所區(qū)別。放大器10在正電壓Vcc和地Gnd之間偏置。在1994年5月的《固態(tài)電路》的IEEE期刊第29卷第5號(hào)中的，K.lshii等人的文章“使用硅雙極技術(shù)的高比特速率、高輸入靈敏度判斷電路(High-Bit-rate，High-Input-Sensitivity Decision CircuitUsing Si Bipolar Technology)”中描述了相似的電路。
該并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)是有用的，因?yàn)槠浣档土溯斎刖w管Q1的集電極-基極電容值，所述電容值是由于高頻時(shí)的帶寬滾降而引起的。不用多說(shuō)，放大器10的總帶寬仍由第二級(jí)限制，即輸出晶體管Q2，因?yàn)榫w管Q2的集電極電容值很大。而且，晶體管Q2的增益與電阻器R1和R2的值以及彼此獨(dú)立變化的跨導(dǎo)十分相關(guān)。最后因?yàn)榉答伣Y(jié)構(gòu)13的增益的確常常大于1，所以放大器10常常是不穩(wěn)定的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種在反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器，其顯著擴(kuò)展輸出晶體管Q2的帶寬，以及放大器的總帶寬。
本發(fā)明的另一方面是提供一種在反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器，其中輸出晶體管Q2的增益被較好地控制，從而放大器的總增益被較好地控制。
本發(fā)明的另一方面是提供一種在反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器，其中為了更好的穩(wěn)定性，反饋環(huán)的增益被調(diào)節(jié)為低于1。
根據(jù)本發(fā)明，描述一種在反饋結(jié)構(gòu)中使用二極管的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器，該放大器包括由以共發(fā)射極配置的第一和第二雙極型晶體管形成的兩個(gè)放大級(jí)，晶體管串聯(lián)以便第一晶體管的集電極和第二晶體管的基極形成連接節(jié)點(diǎn)并且它們的發(fā)射極連接到第一電源電壓；輸入端，其接收連接到所述第一晶體管基極的輸入信號(hào)；輸出端，其連接到提供輸出信號(hào)的所述第二晶體管的集電極；并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，包括所述第二雙極型晶體管的集電極和第二電源電壓之間串聯(lián)的兩個(gè)二極管的一個(gè)支路，以及在以發(fā)射極跟隨形式配置的第三雙極型晶體管的另一支路，第三雙極型晶體管發(fā)射極串聯(lián)有負(fù)載電阻器，第三雙極型晶體管的集電極連接到第二電源電壓并且基極連接到所述二極管的公共節(jié)點(diǎn)上，所述第三雙極型晶體管在所述第一和第二雙極型晶體管的所述連接節(jié)點(diǎn)注入反饋信號(hào)。
在所附的權(quán)利要求書中闡明了被認(rèn)為是本發(fā)明特性的新穎特征。但是，最好結(jié)合附圖參照下面示出的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述來(lái)了解本發(fā)明自身及其其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出了使用包含兩個(gè)電阻器組成的分壓器的并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有大帶寬2-級(jí)放大器。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的圖1的、以并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的放大器。
圖3示出了現(xiàn)有和改進(jìn)放大器的增益-頻率響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明，通過(guò)降低輸出晶體管Q2的集電極電容并為每級(jí)分配基本相同的帶寬，來(lái)改善圖1中所示的放大器?，F(xiàn)在來(lái)看圖2，其中改進(jìn)的放大器電路由20表示，通過(guò)將兩個(gè)電阻器R1和R2替換為兩個(gè)二極管連接的雙極型器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目的，其中雙極型器件由D1和D2標(biāo)記并且可以為相同的器件。令人驚訝的是，這些為非線性元件的二極管D1和D2比完全線性的電阻器執(zhí)行得更好。兩個(gè)二極管D1和D2的更低的阻抗也是非常有助于獲得期望的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)最小化在晶體管Q2的集電極上加載的電容并且改善第二級(jí)的帶寬。在兩個(gè)二極管之間的公共節(jié)點(diǎn)用作電阻分壓器的中間接頭來(lái)同樣偏置晶體管Q3的基極。但是，反饋率現(xiàn)在由二極管的跨導(dǎo)率(gm)設(shè)定。對(duì)于1mA偏置，標(biāo)準(zhǔn)二極管的gm常規(guī)值在25Ohm-1范圍內(nèi)。因此，等于1/gm的“動(dòng)態(tài)阻抗”低于用于正確偏置現(xiàn)有放大器10的反饋晶體管Q3的阻抗值，其中現(xiàn)有放大器10的反饋晶體管Q3的阻抗值在50到200Ohm的范圍內(nèi)。
假設(shè)放大晶體管Q1和Q2以及反饋器件Q3和Rf相同，并且調(diào)整器件R1/R2和D1/D2的參數(shù)來(lái)在任一情況中獲得最大的帶寬。如圖3所示的曲線31和32表示放大器10和20各自的頻率響應(yīng)。因此，在相同運(yùn)行條件下，在大于20GHz的范圍上，改進(jìn)的放大器20顯著擴(kuò)展現(xiàn)有放大器10的帶寬，即，至少擴(kuò)展為原來(lái)的兩倍。此外，如圖3所示，在20GHz，就增益的改善而言，其大于10dB。假設(shè)R1＝R2＝R并且D1＝D2＝D，下面的表1給出兩個(gè)放大器的模擬結(jié)果，從而能比較其各自的性能。
表1

從表1顯然可見，改進(jìn)的放大器20具有明顯更高的帶寬(以很小的增益降低為代價(jià))，因此證明提出的解決方案的優(yōu)點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，通過(guò)其它的參數(shù)調(diào)整，也可以獲得更高的增益并具有相似的帶寬。受益于二極管加載到輸出晶體管Q2的集電極的第二級(jí)具有比阻性負(fù)載大10倍左右的帶寬。申請(qǐng)人的發(fā)明也注意到在表1和圖3種無(wú)法看出的改進(jìn)的放大器20的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有放大器的第一級(jí)中的增益峰值比改進(jìn)的放大器的大兩倍(在8GHz為8dB相對(duì)于在16GHz為1dB)。
此外，第二級(jí)的增益由現(xiàn)有解決方案中的gmQ2×(R1+R2)乘積定義，其中g(shù)mQ2是晶體管Q2的跨導(dǎo)。在提議的電路中，增益變?yōu)間mQ2×(gmD1-1+gmD2-1)，其中g(shù)mD1和gmD2是約等于2的二極管D1和D2的跨導(dǎo)。通常，二極管D1和D2是相同的器件并且由將與晶體管Q2相同的參數(shù)的雙極型晶體管的基極-集電極短路而形成，來(lái)匹配晶體管Q2。結(jié)果，因?yàn)橄嗤淖匀黄ヅ?，與放大器10的現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，在全處理范圍上具有較少的變化。下面的表2示出了現(xiàn)有和改進(jìn)的放大器關(guān)于統(tǒng)計(jì)性能的比較。
表2

由于上述的良好的元件匹配控制改進(jìn)的放大器20的第二級(jí)增益的變化，所以工藝和不匹配變化帶來(lái)的增益和帶寬的標(biāo)準(zhǔn)方差較低。如表2所示，關(guān)于增益和帶寬的標(biāo)準(zhǔn)方差(σ)大約降低了40％。這很大程度上有利于改善制造成品率。
通過(guò)比較Q1的集電極上的反饋信號(hào)Vf和Vc可以分析出電路10和20的穩(wěn)定性開且計(jì)算反饋環(huán)增益Vf/Vc的值。到這里，斷開在節(jié)點(diǎn)14和15之間反饋環(huán)。這可以表示為Vf/Vc＝(Vf/Vm)×(Vm/Vout)×(Vout/Vc)，其中Vm是兩個(gè)電阻器(圖1)或兩個(gè)二極管(圖2)的公共節(jié)點(diǎn)的電壓，并且Vout是晶體管Q2的集電極的輸出信號(hào)。對(duì)于典型發(fā)射極跟隨級(jí)來(lái)說(shuō)，Vf/Vm比率大約等于0.9。對(duì)于電路10，Vm/Vout比率等于R1(R1+R2)，對(duì)于電路20，Vm/Vout比率等于gmD1-1/(gmD1-1+gmD2-1)，同時(shí)Vout/Vc比率分別等于gmQ2×(R1+R2)和gmQ2×(gmD1-1+gmD2-1)。
在簡(jiǎn)化后，對(duì)于現(xiàn)有電路10，Vf/Vout比率具有0.9×gmQ2×R1的值，對(duì)于本發(fā)明的改進(jìn)的電路20，Vf/Vout比率為0.9。第一表達(dá)式可能產(chǎn)生大于1的值，并因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)階段和制造階段中的不穩(wěn)定性，其中工藝的變化可能增加gmQ2或R1的值。由于環(huán)路增益總小于1，改進(jìn)的電路20不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。
盡管已參照本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將理解的是，可在不背離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明宗旨和范圍的前提下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的修改。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器(20)，該放大器包括由以共發(fā)射極配置的第一和第二雙極型晶體管(Q1，Q2)形成的兩個(gè)放大級(jí)，晶體管串聯(lián)以便第一晶體管的集電極和第二晶體管的基極形成連接節(jié)點(diǎn)并且它們的發(fā)射極連接到第一電源電壓(GND)；輸入端(11)，其接收連接到所述第一晶體管的基極的輸入信號(hào)(Vin)；輸出端(12)，其連接到提供輸出信號(hào)(Vout)的所述第二晶體管的集電極；并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)(13’)，包括所述第二雙極型晶體管的集電極和第二電源電壓(Vcc)之間的串聯(lián)的兩個(gè)二極管(D1，D2)的一條支路，以及在以發(fā)射極跟隨器配置的第三雙極型晶體管(Q3)的另一條支路，第三雙極型晶體管(Q3)的集電極連接到第二電源電壓并且第三雙極型晶體管(Q3)的基極連接到所述二極管的公共節(jié)點(diǎn)上，其中負(fù)載電阻器(Rf)與第三雙極型晶體管(Q3)的發(fā)射極串聯(lián)，所述第三晶體管在所述第一和第二雙極型晶體管的所述連接節(jié)點(diǎn)(15)注入反饋信號(hào)(Vf)。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)2-級(jí)大帶寬放大器，其中每個(gè)二極管由與所述第二晶體管基本相同的、集電極-基極短路的雙極型晶體管構(gòu)成，以與之匹配。
全文摘要
公開一種改進(jìn)2－級(jí)大帶寬放大器，該放大器包括由以共發(fā)射極配置的第一和第二雙極型晶體管(Q1，Q2)形成的兩個(gè)放大級(jí)，晶體管串聯(lián)并且它們的發(fā)射極連接到第一電源電壓(Gnd)。經(jīng)由輸入端(11)，輸入信號(hào)(V
文檔編號(hào)H03F3/343GK1672324SQ03817827
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者伯特蘭·加比拉德, 菲利普·吉拉德, 米歇爾·里維爾, 法布里斯·沃伊辛 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司