阅读说明：本技术 一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器 (Transistor amplifier for combining and cancelling differential mode signals ) 是由 洪伟 唐大伟 李泽坤 周培根 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器,包括晶体管放大器包括一路差分共发射极结构放大器(1)、一路差分共基极结构放大器(2),差分共发射极结构放大器(1)的同相输入端(3)与差分共基极结构放大器(2)的同相输入端相连接,反相输入端(4)与差分共基极结构放大器的反相输入端相连接,差分共射极结构放大器(1)的同相输出端(5)与差分共基极放大器(2)的同相输出端相连接,反相输出端(6)与差分共基极结构放大器(2)的反相输出端相连接；本发明将差分共射放大器与差分共基放大器并行交错连接,同时实现了差模信号功率合成与共模信号功率抵消,具有传统结构无法实现的优异性能。(The invention discloses a transistor amplifier for combining and cancelling differential mode signals, which comprises a transistor amplifier and a differential common emitter structure amplifier, wherein the transistor amplifier comprises a differential common emitter structure amplifier (1) and a differential common base structure amplifier (2), the in-phase input end (3) of the differential common emitter structure amplifier (1) is connected with the in-phase input end of the differential common base structure amplifier (2), the reverse phase input end (4) is connected with the reverse phase input end of the differential common base structure amplifier, the in-phase output end (5) of the differential common emitter structure amplifier (1) is connected with the in-phase output end of the differential common base amplifier (2), and the reverse phase output end (6) is connected with the reverse phase output end of the differential common base structure amplifier (2); the differential common-emitter amplifier and the differential common-base amplifier are connected in a parallel and staggered mode, differential mode signal power synthesis and common mode signal power offset are achieved, and the differential common-emitter amplifier and the differential common-base amplifier have excellent performance which cannot be achieved by a traditional structure.)

一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器

技术领域

本发明涉及一种新型晶体管放大器拓扑结构，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用晶体管进行射频信号放大的放大器结构，以提升放大器带宽、增益、输入匹配、共模抑制、谐波抑制、隔离度、稳定性等指标。

背景技术

射频放大器是射频电路系统的核心模块之一，其性能直接影响军用雷达系统的探测能力、现代通信系统的通信质量、射电天文的探测范围、射频仪器设备的工作性能。随着无线电技术的进一步发展，目前的射频技术覆盖的频段已经从低频段，覆盖到毫米波频段，并正在向太赫兹频段演进。由于毫米波和太赫兹频段频带更宽，可用于传输更高的速率，从而获得更大的通信容量，国际上目前对于毫米波和太赫兹频段已经涌现出越来越多的应用，包括无线局域网、太赫兹成像、毫米波车载雷达、光谱学和遥感等，并且还尚有大量的频段未被开发和利用，这些应用使得对射频放大器的需求越来越高。

但随着频率的上升，射频放大器的性能迅速降低，对上述所有毫米波和太赫兹系统来说，高性能射频放大器的设计一直是一个难点。

传统放大器采用共射(源)、共基(栅)、共集(漏)三种结构，或将三种结构级联使用(如共射共基Cascode结构)，但由于晶体管本身的物理特性以及寄生参数的影响，三种结构均不能同时提供大带宽、高增益、高共模抑制和高隔离度等指标，必须引入复杂的外围结构并牺牲部分性能才能实现上述指标中的部分几点。

因此，需要发明一种能够大幅度减弱晶体管寄生参数影响、补偿晶体管物理特性的晶体管放大器结构，以应用于各类射频信号放大电路中，进而解决传统结构中各指标间的相互制约问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用晶体管进行信号放大的放大器结构以改善放大器带宽、增益、输入匹配、共模抑制、谐波抑制、隔离度、稳定性等指标的新型晶体管放大器结构。

技术方案：本发明的一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器包括一路差分共发射极结构放大器、一路差分共基极结构放大器，差分共发射极结构放大器(1)的同相输入端与差分共基极结构放大器的同相输入端相连接，差分共发射极结构放大器的反相输入端与差分共基极结构放大器的反相输入端相连接，差分共射极结构放大器的同相输出端与差分共基极放大器的同相输出端相连接，差分共发射极结构放大器的反相输出端与差分共基极结构放大器的反相输出端相连接；

位于共发射极结构放大器集电极和共基极结构放大器发射极的四路电流通路以提供晶体管的偏置电流I₁、偏置电流I₂、偏置电流I₃、偏置电流I₄，位于共基极结构放大器基极和共发射极放大器发射极的两路电压通路以提供晶体管的偏置电压V_bias,b、偏置电压V_bias,e,位于共发射极结构放大器(1)基极或共基极结构放大器发射极的差分输入端口V_in+、差分输入端口V_in-，位于共发射极结构放大器集电极或共基极结构放大器集电极的差分输出端口V_out+、差分输出端口V_out-。

所述的差分共发射极结构放大器由第三晶体管、第四晶体管共发射极构成，第三晶体管的基极接差分输入端口V_in-，第四晶体管的基极接差分输入端口V_in+，第三晶体管的集电极接差分输出端口V_out+，第四晶体管的集电极接差分输出端口V_out-。

所述的差分共基极结构放大器由第一晶体管、第二晶体管共基极构成，第一晶体管的发射极接差分输入端口V_in-，第二晶体管的发射极接差分输入端口V_in+，第一晶体管的集电极接差分输出端口V_out+，第二晶体管的集电极接差分输出端口V_out-。

所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管为双极结型晶体管BJT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。

所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或者高电子迁移率晶体管HEMT时，针对各晶体管的电极不同命名，所述的发射极、基极、集电极对应为源极、栅极、漏极。

所述差分共发射极放大器的两个基极、差分共基极放大器的两个发射极通过连线分别与同相输入端、反相输入端连接，或通过电容或其他电路元件进行交流连接；差分共发射极结构放大器的两个集电极、差分共基极结构放大器的两个集电极通过连线分别与同相输出端、反相输出端连接，或通过电容或其他元件进行交流连接。

所述位于差分共发射极结构放大器集电极和差分共基极结构放大器发射极的四路电流通路的晶体管的偏置电流I₁、偏置电流I₂、偏置电流I₃、偏置电流I₄，通过电阻、电感、传输线、变压器、巴伦或可以提供电压或电流偏置的元件实现。

所述位于差分共基极结构放大器基极和差分共发射极结构放大器发射极的两路电压通路的偏置电压V_bias,b、偏置电压V_bias,e，通过电阻、电感、传输线、变压器、巴伦或可以提供电压或电流偏置的元件实现。

有益效果：

1)大幅改善晶体管放大器的带宽、增益、输入匹配、共模抑制、谐波抑制、隔离度、以及稳定性性能。

2)对晶体管没有特殊的要求，可以选用双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等各种类型晶体管。

3)适合于射频接收机、雷达、射电望远、射频仪器等各种放大器应用场合。

附图说明

图1(a)是本发明中的差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器拓扑结构原理图(使用双极结型晶体管)；图1(b)是本发明中的差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器拓扑结构原理图(使用N型金属氧化物半导体晶体管或高电子迁移率晶体管)；

图2是将本发明应用在一个宽带差分放大器中的电路原理图，并使用巴伦提供电流偏置；

图3是将本发明应用在一个宽带差分放大器中的指标与相同偏置下的传统共射差分放大器、传统共基放大器的性能指标对比结果。其中(a)为输入匹配S11参数、(b)为反向隔离S12参数、(c)为正向增益S21参数、(d)为输出匹配S22参数、(e)为稳定性因子K参数、(f)为共模稳定性因子K_CM参数、(g)为最大增益MaxGain参数、(h)为输入匹配S11与输出匹配S22在Smith圆图中的结果。各指标均远优于或相近于传统放大器结构。

图中有：差分共发射极结构放大器1、差分共基极结构放大器2、差分共发射极结构放大器的同相输入端3、差分共发射极结构放大器的反相输入端4、差分共发射极结构放大器的同相输出端5、差分共发射极结构放大器的反相输出端6、偏置电流I₁7、偏置电流I₂8、偏置电流I₃9、偏置电流I₄10、偏置电压V_bias,b 11、偏置电压V_bias,e 12、差分输入端口V_in+13、差分输入端口V_in-14、差分输出端口V_out+15、差分输出端口V_out-16；第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4；第一晶体管的集电极c₁、第二晶体管的集电极c₂、第三晶体管的集电极c₃、第四晶体管M4的集电极c₄。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明

如图1(a)所示，本发明的基本结构是一种差模信号相合与共模信号相消的晶体管放大器拓扑结构。图中上方第一晶体管M1、第二晶体管M2构成差分共基放大器结构，下方第三晶体管M3、第四晶体管M4构成差分共射放大器结构，差分共发射极结构放大器1的同相输入端3与差分共基极结构放大器2的同相输入端相连接，差分共发射极结构放大器1的反相输入端4与差分共基极结构放大器的反相输入端相连接，差分共射极结构放大器1的同相输出端5与差分共基极放大器2的同相输出端相连接，差分共发射极结构放大器1的反相输出端6与差分共基极结构放大器2的反相输出端相连接、位于共发射极放大器集电极和共基极放大器发射极的四路电流通路即偏置电流I₁7、偏置电流I₂8、偏置电流I₃9、偏置电流I₄10提供晶体管的偏置电流、位于共基极放大器基极和共发射放大器发射极的两路电压通路即偏置电压V_bias,b 11、偏置电压V_bias,e 12,以提供晶体管的偏置电压、位于共发射极放大器基极或共基极放大器发射极的差分输入端口V_in+13、差分输入端口V_in-14构成差分输入端口、位于共发射极放大器集电极或共基极放大器集电极的差分输出端口V_out+15、差分输出端口V_out-16构成差分输出端口。

如图1(b)所示，当所使用的晶体管不是双极结型晶体管BJT时，可以将图1(a)中的BJT更换为对应的晶体管(例如N型金属氧化物半导体场效应晶体管或高电子迁移率晶体管)；所述的第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或者高电子迁移率晶体管HEMT时，针对各晶体管的电极不同命名，所述的发射极、基极、集电极对应为源极、栅极、漏极。

图2是将本发明应用在一个宽带差分放大器中的电路原理图，该原理图还使用了通过巴伦提供电流偏置的方法；

图3是将本发明应用在一个宽带差分放大器中的指标与相同偏置下的传统共射差分放大器、传统共基放大器的性能指标对比结果。从图3(a)中可以看出，使用本发明后，放大器的输入匹配S11在全频带低于-35dB，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(b)中，放大器的反向隔离S12在全频带均最低，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(c)中，放大器的正向增益S21在全频带均最高，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(d)中，放大器的输出匹配S22在全频带均最低，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(e)中，放大器的稳定性因子K在全频带均大于1，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(f)中，放大器的共模稳定性因子K_CM在全频带均远大于1，远优于传统共射结构与传统共基结构；图3(g)中，放大器的最大增益MaxGain在全频带与传统共射结构与传统共基结构相当；图3(h)中，放大器的输入匹配S11在全频带均位于Smith圆图中心，带宽达到全频带。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。