專利名稱：負電阻補償的微波緩沖器的制作方法
技術領域：
本發明涉及微波緩沖電路，特別是涉及具有高輸入阻抗的單片微波緩沖放大器。
高輸入阻抗的微波緩沖放大器對于級聯的微波電路和/或部件的耦合是特別有用的。在以這種方式使用時，這類緩沖放大器把第一個微波電路或微波部件的輸出和第二個微波電路或部件的輸入相耦合以防止輸入對輸出的加載作用。
在單片微波緩沖放大器中，尤其是在場效應晶體管(FET)或雙極型晶體管各級的情況下，晶體管輸入電容對緩沖放大器輸入阻抗的影響隨著工作頻率增加到3dB滾降頻率f3dB以上時會變得比晶體管的輸入電阻更加主要。如在本專利申請中所用的那樣，術語3dB滾降頻率是指增益比放大器的標稱的直流開環增益A下降多于3dB以下時的頻率。這種增益跌落的例子示于
圖1中。在典型情況下，輸入阻抗ZIN等效于輸入電阻Ri在電氣上和輸入電容Ci并聯。隨著緩沖放大器的工作頻率增加到f3dB以上，容性電抗1/2πfCi相對于并聯電阻Ri而下降，導致輸入阻抗幅度相當大的下降。這種下降的例子也示于圖1中。從例子可以看到，在1GHz的微波頻率下這樣的緩沖放大器的輸入阻抗ZIN的幅度可以是一個很低的數值，例如2歐姆。這會對聯接到輸入端的微波電路或微波部件的輸出嚴重地加載。單片微波緩沖放大器的這種輸入特性通常會限制它們使用在這樣的一些場合，即微波電路或/和部件工作在緩沖放大器3dB滾降頻率以下的頻率上。
本發明的一個目標是提供一種單片微波緩沖放大器，它具有足夠大的正的輸入阻抗，即使在3dB滾降頻率以上也是這樣，使其在該頻率上能實際運用。
本發明的另一個目標是提供一種單片微波緩沖放大器，它具有這樣的一個輸入阻抗，在3dB滾降頻率以上的頻率下容抗分量相對于電阻分量的優勢至少能被明顯地減小。
按照本發明，單片微波緩沖放大器包括級聯的第一和第二級，每一級具有包括一個在3dB滾降頻率之上是容性電抗分量在內的輸入阻抗。在級聯的各級工作時，容性電抗分量協同作用以產生在輸入電流和輸入電壓之間的180°相移，從而使得這些部件在第一級的輸入端共同表現出一個阻值為R-的負的輸入電阻。緩沖放大器還在它的輸入端包括一個正電阻，其幅度至少等于負的輸入電阻的幅度，以便有效地抵消這個負電阻并且提供一個有足夠幅度的有效正輸入電阻來防止對耦合到輸入端的電路或部件有過分的加載。
這樣，在按照本發明的緩沖放大器中通過顯著地減少輸入阻抗的容性電抗分量而使輸入阻抗增大。另外，通過選擇能顯著地抵消負的輸入電阻的正電阻的阻值，輸入阻抗的電阻分量實際上能增大到比在常規緩沖放大器中所具有的阻值更大的值。
在優選實施例中，緩沖放大器包括阻值為R的并聯輸入電阻，此處1/R＝1/Reff＋1/R+。緩沖放大器的總輸入阻抗基本上是實數，它包括作為實數部分的輸入電阻RIN，這里1/RIN＝1/R-＋1/R+＋1/Reff，且其中R+等于并基本上抵消阻值為R-的負的輸入電阻。因此，電阻Reff就是緩沖放大器的有效輸入阻抗。
按照本發明的其它實施例在其余的權利要求中說明。
本發明的實施例將參考所附插圖利用例子來說明，在這些圖中圖1表示一個代表性的曲線圖，說明典型的單片微波緩沖放大器的電流增益對頻率的特性和輸入阻抗對頻率的特性。
圖2A和2B分別表示按照本發明的單片微波緩沖放大器的第一和第二實施例的電路圖。
圖3表示一個代表性的曲線圖，說明按照本發明的一個單片微波緩沖放大器的總輸入電阻對頻率的特性和負輸入電阻對頻率的特性。
圖4A和4B分別表示按照本發明的單片微波緩沖放大器的第三和第四實施例。
圖2A表示按照本發明的緩沖放大器的第一實施例，它包括兩個級聯的雙極型晶體管級。在第一級，晶體管Q1以射極跟隨器的接法電連接到電阻R1，該電阻電連接到發射極上。在第二級，晶體管Q2電連接成共發射極接法。晶體管Q1的基極電連接到緩沖放大器的一個輸入端IN，晶體管Q2的集電極則電連接到緩沖放大器的一個輸出端OUT。緩沖放大器還包括和電源電壓V+和V-相連接的端子，其中的一個一般是處于地電位。
組合的第一和第二級有一輸入電容，在高于f3dB的頻率時，該電容約為CIN=C1gm1R1+C2β1----------(1)]]>這里gml是第一級的跨導，C1和C2分別是晶體管Q1和Q2的基極對發射極的電容，β1則是晶體管Q1的電流增益系數。
輸入電容CIN要明顯地小于電容C1和C2的并聯組合，因為β1和gmlR1的每一個一般都要比1大許多。容抗對緩沖放大器輸入阻抗的大部分作用被轉化成為一個負的輸入電阻，這個電阻在3dB滾降頻率以上的頻率時約為R-=-gm2(2πf)2C1C2-------------------(2)]]>這里f是工作頻率。
由于R-的值是負的，緩沖放大器在不加補償的情況下會不穩定。但是，通過在第一級的輸入端上在電氣上并聯接一個電阻R，該電阻具有這樣的阻值以使1R=1Reff+1R------(3)]]>這里使R+的幅度等于R-的幅度，則緩沖放大器的輸入電阻將轉換成阻值為Reff的實的正電阻。
總的輸入電阻RIN等效于三個電阻R+、R-、Reff的并聯組合，這里1RIN=1Reff+1R-+1R----------(4)]]>由于R+＝-R-，這兩個值互相抵消，上式簡化為RIN＝Reff(5)舉例來說，如果R-在預定的工作頻率(例如1GHz)等于-270歐姆，并且在這一頻率下希望有效輸入電阻RIN＝Reff＝+230歐姆，則電阻R+的值應等于270歐姆，而并聯電阻R的值則如等式(3)所規定的應為約+125歐姆。
圖2B表示按照本發明的緩沖放大器的第二實施例。這個實施例和第一個相似，不過電阻R在電氣上和第一級的輸入相串聯。在這種情況下 R＝Reff＋R+(6)并且使串聯電阻R的阻值等于+500歐姆。請注意，當R是串聯而不是并聯連接時，為了得到同樣的正輸入電阻RIN需要一個更大的R值。
圖3以圖表的形式說明對于由圖2A所表明的緩沖放大器在如上所計算的R值時作為頻率的函數的負輸入電阻R+和有效輸入電阻RIN＝Reff。請注意，和圖1相比，有效輸入電阻RIN在107赫時約為其3倍。在高于108赫的頻率時，有效輸入電阻仍保持為正值而且實際上是增加的，一直到接近緩沖放大器的設計工作頻率1GHz附近達到頂峰，而不是如圖1所示的在1GHz時下降到約2歐姆的數值。對于具有相同的R值的圖2B實施例，輸入電阻和負輸入電阻的曲線和圖3所示的曲線將是相似的但不完全相同。
圖4A表示按照本發明的緩沖放大器的第三實施例，它包括第一雙極型晶體管級并且和第二電容級相級聯。第一級基本上和第一實施例的第一級相同。但是第二級僅僅包括一個電容值為C′2的電容，它電連接到第一級的輸出端并接到緩沖放大器的輸出端。
和第一實施例相似，第三實施例的組合的第一和第二級具有負的輸入電阻，它在3dB滾降頻率以上的頻率時約為R-=-gm1(2πf)2C1C2'-------(7)]]>輸入電容則約為CIN=C1gm1R1+C2'β1-------(8)]]>這里gml是第一級的跨導而C1則是晶體管Q1的基極對發射極的電容。電阻R的值和第一實施例一樣由使用式(3)來確定。
圖4B表示按照本發明的緩沖放大器的第四實施例。這個實施例和第三例相似，但是電阻R像第二實施例一樣，在電氣上是和第一級的輸入串聯的。類似地，在這種情況下要用式(6)來確定電阻R的阻值。
在任何一個實施例中，電阻R既可用無源部件也可用有源部件來構成。例如，它可以用一個或多個無源的電阻來構成，也可以用一個或多個諸如二極管或晶體管這樣的有源部件來構成，它們具有和第一和/或第二級的電阻特性相類似的隨溫度和/或隨偏置條件而變的正向導通電阻特性。
在第三和第四實施例中的電容C′2也可以用無源或有源的部件構成。作為有源部件結構的一個例子，C′2可以是下一級的輸入電容。
在本發明的范圍內也可以有別的替換的實施例。例如，電阻R1可以用一個或多個無源的和/或有源的部件構成。作為有源部件的例子，電阻R1可以是一個正向偏置的二極管或晶體管的結。此外，在緩沖放大器的工作頻率下沒有明顯的阻抗的部件，例如，和電阻R相串聯的直流隔斷電容，可以包含在緩沖放大器中。作為另外一個替換方案，緩沖放大器可以經過有源和/或無源部件連接到電源電壓上。
本發明并不局限于使用雙極型晶體管的實施方案，因為FET(場效應管)也可使用。
權利要求
1.一種用于在預定的3dB滾降頻率之上的頻率下工作的單片微波緩沖放大器，所述緩沖放大器包括級聯的第一和第二級，每一級都含有包括容性電抗分量的輸入阻抗，在第一和第二級工作時它們協同產生一個180°的相移，從而使得所述電抗分量作為一個負的輸入電阻而共同出現在第一級的輸入端，所述緩沖放大器還在它的輸入端包括一個正電阻，它的幅度至少能抵消所述的負的輸入電阻。
2.如權利要求1中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，該正電阻在電氣上和第一級的輸入端并聯連接。
3.如權利要求1中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，該正電阻在電氣上和第一級的輸入端串聯連接。
4.如權利要求3中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，其中的正電阻幅度要比負的輸入電阻幅度大得多。
5.如權利要求2中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，該負輸入電阻的阻值為R，該正電阻的阻值為R，此處1/R＝1/Reff＋1/R+，緩沖放大器的總的輸入電阻基本上等于RIN，此處的1/RIN＝1/Reff＋1/R+＋1/R-，此處R+約等于并基本上抵消阻值為R-的負輸入電阻，且此處的Reff是緩沖放大器的有效輸入電阻。
6.如權利要求3或4中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，該負輸入電阻的阻值為R-，正電阻的阻值為R，此處R＝Reff+R+，緩沖放大器的總的輸入電阻基本上等于RIN，此處RIN＝Reff＋R+＋R-，此處R+大致等于并基本上抵消阻值為R-的負輸入電阻，且此處Reff是緩沖放大器的有效輸入電阻。
7.如權利要求1、2、3、4、5或6中的一個單片微波緩沖放大器，其特征在于，緩沖放大器的輸入阻抗基本上等于所述緩沖放大器的輸入電阻。
全文摘要
一種單片微波緩沖放大器適合于增大它在微波頻率下的輸入阻抗。在緩沖放大器的第一和第二級中的容性阻抗共同地在第一級的輸入端表現為一個負電阻。補償的正電阻電連接到第一級的輸入端以抵消該負電阻并提供一個足夠高的電阻性輸入阻抗。
文檔編號H03F1/00GK1149942SQ95193354
公開日1997年5月14日 申請日期1995年4月12日 優先權日1994年4月20日
發明者S·王, J·加西亞 申請人:菲利浦電子有限公司