一种分布式电流驱动电路

1.本发明属于模拟与射频放大器领域，更具体地，涉及一种分布式电流驱动电路。


背景技术：

2.电流驱动型器件指器件需要使用电流进行驱动的器件，其要求驱动器电路具有高输出电流的能力。电流驱动电路具有广泛的应用，比如应用于光通信系统的发射端，用于驱动直调激光器，实现电流信号到光信号的转换。
3.现有技术中的电流驱动电路主要有以下几种：
4.公知公用的，一种电流驱动电路为传统的分布式放大器，其采用的是基极输入集电极输出的连接方式，如图1中(a)所示，并且为了保持行波匹配特性，需要在输入网络与输出网络的一端添加匹配负载，用于吸收输入信号、部分输出信号以及来自前级或后级的反射信号。该方案可以提供增益，但由于匹配负载的存在，片上消耗了一半的调制电流，存在驱动效率较低的问题。
5.另一种电流驱动电路为电流模式逻辑(current mode logic，简称cml)方式；美国发明专利us8903254b2采用cml输出结构，如图1中(b)所示，该种结构避免了输出匹配恶化的问题，但由于片上的匹配负载会吸收调制电流，因此cml驱动器的驱动效率比较低。
6.再一种电流驱动电路为开漏极(open drain，简称od)输出方式；中国发明专利cn103178441b采用od输出结构，如图1中(c)所示，该种结构通过取消片上的匹配负载实现与cml输出相比两倍的调制电流强度。然而od输出的输出阻抗一般很高，导致驱动器输出匹配严重恶化。
7.基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的电流驱动电路做出进一步的改进设计，以解决现有技术中的电流驱动电路驱动效率低、输出匹配差的问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分布式电流驱动电路，以克服电流驱动电路中驱动能力和输出匹配之间的折衷关系，解决现有技术中的电流驱动电路驱动效率低、输出匹配差的问题；提出一种高驱动效率且具有良好输出匹配特性的电流驱动电路。
9.为实现上述目的，本发明提出了一种分布式电流驱动电路，其包括：输入传输网络、射极跟随支路、偏置跨导复用支路以及输出传输网络；
10.射极跟随支路包括n个射极跟随单元，偏置跨导复用支路包括n个偏置跨导复用单元，n为正整数，
11.输入传输网络用于接收外部输入的差分信号vinn和vinp；
12.n个射极跟随单元均用于接收由输入传输网络输出的信号vinn，并分别转化为vinn的同相电流信号；n个偏置跨导复用单元均用于接收由输入传输网络输出的信号vinp，并分别转化为vinp的反相电流信号；第i个偏置跨导复用单元还用于向第i个射极跟随单元
提供偏置电流，i取值为1到n；
13.输出传输网络用于接收由各射极跟随单元的输出端和各偏置跨导复用单元的输出端输出的电流信号，并将电流信号叠加后输出，以提高电流驱动电路的驱动效率。
14.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，一方面，由于射极跟随单元和偏置跨导复用单元分别将所接收的输入信号转化为同相和反相电流信号，而射极跟随单元和偏置跨导复用单元所接收的输入信号为差分信号，因此在射极跟随单元和偏置跨导复用单元的输出端形成同相的电流信号，输出传输网络将电流信号叠加并输出，使该电流驱动电路的驱动效率得以提高；另一方面，由于无输出匹配负载，进一步提高该电路的驱动效率；再一方面，由于射极跟随单元具有输出阻抗低的特点，偏置跨导复用单元具有输出阻抗大的特点，二者连接后电路的总输出阻抗低，使该电路具有良好的输出匹配特性。
15.作为优选的，该分布式电流驱动电路还包括输入匹配负载；输入匹配负载与输入传输网络耦合；输入匹配负载主要用于吸收来自输入端口的输入信号，改善输入匹配效果，防止信号从输入端口反射到前级。
16.作为进一步优选的，输入匹配负载为电阻。
17.作为进一步优选的，输入匹配负载为电阻和电容的串联网络。
18.作为进一步优选的，输入匹配负载的阻抗与输入传输网络的特征阻抗相等；此时电路的输入匹配特性最好，电流信号可以最大程度的流入输入传输网路。
19.作为优选的，射极跟随单元为第一双极晶体管；第一双极晶体管的基极连接输入传输网络的一输出端，第一双极晶体管的射极连接输出传输网络的输入端，第一双极晶体管的集电极接电源。
20.作为进一步优选的，与输出传输网络输入端起始端口相连的第一双极晶体管的输出阻抗与输出传输网络的特征阻抗相等；此时电路的输出匹配特性最好，电流信号可以最大程度的流入输出传输网路。
21.作为进一步优选的，偏置跨导复用单元为第二双极晶体管；第二双极晶体管的基极连接输入传输网络的另一输出端，第二双极晶体管的集电极连接第一双极晶体管的射级，第二双极晶体管的射极接地。
22.作为进一步优选的，偏置跨导复用单元还包括第三双极晶体管；第三双极晶体管的基极接电源，第三双极晶体管的射极与第二双极晶体管的集电极相连，第三双极晶体管的集电极与第一双极晶体管的射极相连。
23.作为进一步优选的，射极跟随单元为第一场效应晶体管；第一场效应晶体管的栅极连接输入传输网络的一输出端，第一场效应晶体管的源极连接输出传输网络的输入端，第一场效应晶体管的漏极接电源。
24.作为进一步优选的，偏置跨导复用单元为第二场效应晶体管；第二场效应晶体管的栅极连接输入传输网络的另一输出端，第二场效应晶体管的漏极连接第一场效应晶体管的源级，第二场效应晶体管的源极接地。
25.作为优选的，输入传输网络和输出传输网络均为传输线。
26.作为优选的，输入传输网络和输出传输网络为多个电感的串联网络。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
27.1.通过射极跟随单元和偏置跨导复用单元将所接收的差分输入信号转化并输出
同相的电流信号，再通过输出传输网络将同相电流信号叠加，使该电流驱动电路的驱动效率得以提高；通过取消输出匹配负载，进一步提高该电路的驱动效率；通过利用射极跟随单元输出阻抗低、偏置跨导复用单元输出阻抗大的特点，二者连接后电路总输出阻抗低，使该电路具有良好的输出匹配特性。
28.2.作为上述方案的一个改进，通过在电路中设置输入匹配负载，吸收来自输入端口的输入信号，改善输入匹配效果，防止信号从输入端口反射到前级；通过将输入匹配负载的阻抗与输入传输网络的特征阻抗设置为相等，进一步优化该电路的输入匹配。
29.3.作为上述方案的进一步改进，通过使与输出传输网络输入端起始端口相连的射极跟随单元的输出阻抗与输出传输网络的特征阻抗相等，进一步优化该电路的输出匹配。
附图说明
30.图1为传统的几种电流驱动电路的结构；
31.图2为本发明的分布式电流驱动电路结构；
32.图3为本发明实施例一的结构图；
33.图4为本发明实施例二的结构图；
34.图5为本发明实施例三的结构图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.为解决现有技术中的电流驱动电路驱动效率低、带宽低、输出匹配差的问题，本发明提供了一种分布式电流驱动电路，可应用于驱动直调激光器等电流驱动型器件的场景。
37.本发明整体基于分布式放大器的电路架构，同时改进了分布式放大器需要输出匹配负载，效率低的问题。
38.本发明的增益单元采用的是射极跟随电路，采取基极输入射级输出的连接方式，吸收了射极跟随电路低输出阻抗的优点，使电路具有良好的输出匹配特性。
39.本发明同时具有cml电路的良好输出匹配特性的优点以及od电路的高效率输出优点，同时也克服了cml电路驱动效率低和od方式输出匹配差的缺陷。
40.如图2中所示，本发明的分布式电流驱动电路包括输入传输网络、射极跟随支路、偏置跨导复用支路以及输出传输网络；其中，
41.射极跟随支路包括n个射极跟随单元，偏置跨导复用支路包括n个偏置跨导复用单元，n为正整数，
42.输入传输网络用于接收外部输入的差分信号vinn和vinp；
43.n个射极跟随单元均用于接收由输入传输网络输出的信号vinn，并分别转化为vinn的同相电流信号；n个偏置跨导复用单元均用于接收由输入传输网络输出的信号vinp，并分别转化为vinp的反相电流信号；第i个偏置跨导复用单元还用于向第i个射极跟随单元提供偏置电流，i取值为1到n；
44.输出传输网络用于接收由各射极跟随单元的输出端和各偏置跨导复用单元的输
出端输出的电流信号，并将电流信号叠加后输出，以提高电流驱动电路的驱动效率。
45.通过上述各个部件的连接，一方面，由于射极跟随单元和偏置跨导复用单元分别将所接收的输入信号转化为同相和反相电流信号，而射极跟随单元和偏置跨导复用单元所接收的输入信号为差分信号，因此在射极跟随单元和偏置跨导复用单元的输出端形成同相的电流信号，输出传输网络将电流信号叠加，使该电流驱动电路的驱动效率得以提高；同时，由于无输出匹配负载，进一步提高了该电路的驱动效率；另一方面，由于射极跟随单元输出阻抗低，偏置跨导复用单元输出阻抗大，二者连接后电路的总输出阻抗低，使该电路具有良好输出匹配特性。
46.下面分别介绍本发明的三个实施例。
47.实施例一
48.图3为本发明实施例一的结构图；如图3中所示：
49.在实施例一中，输入传输网络为特征阻抗为z1，电长度为e1的输入传输线，其包括两个输入端口，分别接收外部输入的差分信号vinn和vinp；在一些实施例中，输入传输网络还可以为多个电感的串联网络。
50.在实施例一中，射极跟随支路包括由第一双极晶体管q1-q3构成的三个射极跟随单元；在一些实施例中，射极跟随单元的数量可以为一个、两个或多于三个；在实施例一中，第一双极晶体管q1-q3的基极为射极跟随单元的输入端，分别与输入传输线相连，并接收输入传输线输出的vinn信号；第一双极晶体管q1-q3的射极为射极跟随单元的输出端，分别与输出传输线相连，向输出传输线输出信号vinn的同相电流；第一双极晶体管q1-q3的集电极均接直流电源vcc；第一双极晶体管q1-q3用于实现vinn电压信号到同相电流信号的转换。
51.在一些实施例中，当输入传输网络为多个电感的串联网络时，每个射极跟随单元的输入端连接于相邻电感之间。
52.在实施例一中，偏置跨导复用支路包括由第二双极晶体管q4-q6构成的三个偏置跨导复用单元；在一些实施例中，偏置跨导复用单元的数量可以为一个、两个或多于三个；在实施例一中，第二双极晶体管q4-q6的基极为偏置跨导复用单元的输入端，分别与输入传输线相连，并接收输入传输线输出的vinp信号,该vinp信号与vinn信号为差分信号；第二双极晶体管q4-q6的集电极为偏置跨导复用单元的输出端，分别与输出传输线相连，向输出传输线输出信号vinp的反相电流，可以理解，该电流与第一双极晶体管q1-q3射极输出的电流同相；第二双极晶体管q4-q6的射极接地；第二双极晶体管q4-q6既用于为q1-q3提供电流偏置，又同时为vinp提供跨导，实现电压vinp到反相电流信号的转换。
53.在一些实施例中，当输入传输网络为多个电感的串联网络时，每个偏置跨导复用单元的输入端连接于相邻电感之间。
54.在实施例一中，输出传输网络为特征阻抗为z0，电长度为e0的输出传输线；输出传输线的输入端接收来自第一双极晶体管q1-q3射极和来自第二双极晶体管q4-q6集电极的电流信号，并实现各电流信号的叠加，实现电路输出电流放大。
55.在一些实施例中，输出传输网络还可以为多个电感的串联网络，每个射极跟随单元的输出端或每个偏置跨导复用单元的输出端分别连接于相邻电感之间。
56.在实施例一中，第一双极晶体管q1和第二双极晶体管q4与输出传输网络输入端起始端口相连，第一双极晶体管q1的输出阻抗zout1选取为与输出传输线的特征阻抗相等，即
zout1＝z0；第二双极晶体管晶体管q4的输出阻抗zout2趋近无穷大，因此第一双极晶体管q1与第二双极晶体管晶体管q4的总输出阻抗为z0，起到片上匹配电阻的作用，可以吸收来自输出端口的反射信号，提高输出匹配特性，同时由于输出节点没有片上匹配电阻，因此该电流驱动电路的电流驱动效率是cml电路的两倍。
57.在实施例一中，还设置有输入匹配负载，用于吸收来自输入端口的输入信号，改善输入匹配效果，防止信号从输入端口反射到前级；输入匹配负载与输入传输网络耦合；输入匹配负载的输出端接交流地；在实施例一中，输入匹配负载为终端电阻r1，电阻r1的阻值与输入传输线的特征阻抗z1相等，此时电路的输入匹配特性最好，电流信号可以最大程度的流入输入传输网路；在一些实施例中，输入匹配负载还可以是电阻和电容的串联网络。
58.实施例一的工作原理为：对于输入的信号vinn，经过第一双极晶体管q1的转换，因为基极与射极同相位，因此可以形成与vinn同相的调制电流imod1；而对于输入的信号vinp，经过第二双极晶体管晶体管q4的转换，因为基极与集电极反相位，因此可以形成与vinp反相的调制电流imod4；由于vinp与vinn为差分信号，因此imod1与imod4同相，在q1和q4的连接端口处可以形成imod1+imod4的同相叠加电流信号；同理，q2和q5、q3和q6同样形成同相叠加信号，最终输出电流可表示为：
[0059][0060]
由于普通射极跟随器的偏置晶体管只提供直流偏置电流，没有信号输入，因此普通射极跟随器的输出电流为：
[0061][0062]
因此，应用本发明实施例一结构的分布式电流驱动电路其电流调制效率明显大于普通的射极跟随器结构。
[0063]
实施例二
[0064]
图4为本发明实施例二的结构图；如图4中所示，实施例二的输入传输网络、输出传输网络、射极跟随支路以及输入匹配负载均与实施例一中相同；
[0065]
与第一实施例相比，实施例二在偏置跨导复用支路增加了第三双极晶体管q7-q9；其中，第三双极晶体管q7-q9的基级均连接直流电压vb，第三双极晶体管q7-q9的射极分别与第二双极晶体管q4-q6的集电极相连，第三双极晶体管q7-q9的集电极分别与第一双极晶体管q1-q3的射极相连；
[0066]
增加的第三双极晶体管q7-q9的主要作用是：1)当需要提高输出节点的共模电平时，共模电平在第三双极晶体管q7-q9与第二双极晶体管q4-q6之间形成分压，避免共模电平直接作用在第二双极晶体管q4-q6上而导致晶体管击穿，从而起到对第二双极晶体管q4-q6的保护作用；2)第三双极晶体管q7-q9与第二双极晶体管q4-q6分别组成了cascode放大结构，公知公用的，cascode输出阻抗更高，更加趋近于无穷大，因此可以起到进一步提高电路输出阻抗的作用；当被驱动的器件需要输入较高的共模电压时可以采用实施例二的电路方式。
[0067]
实施例三
[0068]
图5为本发明实施例三的结构图；如图5中所示，实施例三的输入传输网络、输出传
输网络以及输入匹配负载均与实施例一及实施例二中相同；与实施例一不同地，实施例三的射极跟随支路和偏置跨导复用支路使用了场效应晶体管作为有源器件；
[0069]
在实施例三中，射极跟随支路包括由第一场效应晶体管nm1-nm3构成的三个射极跟随单元；第一场效应晶体管nm1-nm3的栅极为射极跟随单元的输入端，分别与输入传输线相连，并接收输入传输线输出的vinn信号；第一场效应晶体管nm1-nm3的源极为射极跟随单元的输出端，分别与输出传输线相连，向输出传输线输出信号vinn的同相电流；第一场效应晶体管nm1-nm3的漏极均接直流电源vcc；第一场效应晶体管nm1-nm3用于实现vinn电压信号到同相电流信号的转换。
[0070]
在实施例三中，偏置跨导复用支路包括由第二场效应晶体管nm4-nm6构成的三个偏置跨导复用单元；第二场效应晶体管nm4-nm6的栅极为偏置跨导复用单元的输入端，分别与输入传输线相连，并接收输入传输线输出的vinp信号,该vinp信号与vinn信号为差分信号；第二场效应晶体管nm4-nm6的漏极为偏置跨导复用单元的输出端，分别与输出传输线的输入端相连，向输出传输线输出信号vinp的反相电流，可以理解，该电流与第一场效应晶体管nm1-nm3源极输出的电流同相；第二场效应晶体管nm4-nm6的源极接地；第二场效应晶体管nm4-nm6既用于为nm1-nm3提供电流偏置，又同时为vinp提供跨导，实现电压vinp到反相电流信号的转换。
[0071]
在实施例三中：对于输入信号vinn，经过第一场效应晶体管nm1的转换，形成与vinn同相的调制电流imod1；对于输入信号vinp，经过第二场效应晶体管nm4的转换，形成与vinp反相的调制电流imod4；由于vinp与vinn为差分信号，因此imod1与imod4同相，在第一场效应晶体管nm1和第二场效应晶体管nm4的连接端口处可以形成imod1+imod4的同相叠加电流信号；同理，nm2和nm5、nm3和nm6同样形成同相叠加信号，最终输出电流可表示为：
[0072][0073]
同实施例一中所述，应用本发明实施例三结构的分布式电流驱动电路其电流调制效率明显大于普通的射极跟随器结构。
[0074]
综上，本发明提供的分布式电流驱动电路具有高驱动效率、宽带以及具有良好输出匹配特性的特点，尤其适用于驱动电流驱动型器件的应用场合。
[0075]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。