一种复合信号放大电路和信号发生器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种复合信号放大电路和信号发生器。

背景技术

信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，信号发生器用作测试的信号源或激励源。直接数字频率合成信号发生器采用直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，简称DDS）技术，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，也可对输出电平进行调节，还可输出各种波形。而现有技术中，直接数字频率合成信号发生器的输出放大电路一般都采用集成的宽带放大器，而集成的宽带放大器输出信号幅度和大信号下带宽较低，限制了直接数字频率合成信号发生器的信号输出能力。

发明内容

本申请提供一种复合信号放大电路，解决现有技术中集成的宽带放大器在输出大信号下带宽低的问题。

第一方面，一实施例中提供一种复合信号放大电路，包括待放大电信号输入端、信号输出端、高频放大模块、低频放大模块、输出放大模块、比较积分模块和I/V转换模块；

所述高频放大模块包括第一连接端、第二连接端，所述高频放大模块的第一连接端与所述待放大电信号输入端连接，所述高频放大模块的第二连接端与所述输出放大模块连接；所述高频放大模块用于对所述待放大电信号输入端输入的待放大电信号的高频信号进行放大，并将放大后的所述待放大电信号的高频信号通过所述高频放大模块的第二连接端输出；

所述低频放大模块包括第一连接端和第二连接端；所述低频放大模块的第一连接端与所述待放大电信号输入端连接，所述低频放大模块的第二连接端与所述比较积分模块连接；所述低频放大模块用于对所述待放大电信号输入端输入的所述待放大电信号的低频信号进行放大和反相；

所述输出放大模块包括第一连接端、第二连接端、第三连接端和第四连接端；所述输出放大模块的第一连接端与所述高频放大模块的第二连接端连接，所述输出放大模块的第二连接端与所述比较积分模块连接，所述输出放大模块的第三连接端与所述I/V转换模块连接，所述输出放大模块的第四连接端与所述信号输出端连接；所述输出放大模块用于将所述高频放大模块输出的高频信号和所述比较积分模块输出的低频信号分别进行放大，并在放大后进行信号合并；

所述I/V转换模块包括第一连接端、第二连接端和第三连接端；所述I/V转换模块的第一连接端与所述输出放大模块的第三连接端连接，所述I/V转换模块的第二连接端与所述信号输出端连接，所述I/V转换模块的第三连接端与所述比较积分模块连接，所述I/V转换模块用于将所述输出放大模块的放大导通电流信号转换成电压信号，并输出给所述比较积分模块；

所述比较积分模块包括第一连接端和第二连接端；所述比较积分模块的第一连接端与所述低频放大模块的第二连接端连接，所述比较积分模块的第二连接端与所述输出放大模块的第二连接端连接；所述比较积分模块用于对所述I/V转换模块输出的电压信号和所述低频放大模块输出的低频信号进行比较积分，并将比较积分获取的比较积分结果信号输出给所述输出放大模块，以用于作为所述输出放大模块的低频负反馈信号。

一实施例中，所述高频放大模块包括电阻R111、电阻R112、电阻R113、电容C111、电容C112、三极管Q111、恒流源I111、射频放大器U111和电感L111；

电容C111的一端与所述高频放大模块的第一连接端连接，另一端与三极管Q111的基极连接；

三极管Q111的第一极用于一电位VCC1的输入；

恒流源I111的一端与三极管Q111的第二极连接，另一端接地GND；

电阻R111的一端与三极管Q111的第一极连接，另一端与三极管Q111的基极连接；

电阻R112的一端与三极管Q111的基极连接，另一端接地GND；

电容C112的一端与三极管Q111的第二极，另一端与射频放大器U111的输入端连接；

射频放大器U111的输出端与所述高频放大模块的第二连接端连接；

电阻R113和电感L111串联连接，串联后的一端用于所述电位VCC1的输入，另一端与射频放大器U111的输出端连接。

一实施例中，所述低频放大模块包括放大器U121、电阻R121、电阻R122和电阻R123；

电阻R121的一端与所述低频放大模块的第一连接端连接，另一端与放大器U121的负输入端连接；

电阻R122的一端与放大器U121的负输入端连接，另一端与放大器U121的输出端连接；

电阻R123的一端与放大器U121的输出端连接，另一端与所述低频放大模块的第二连接端连接；

放大器U121的正输出端接地GND。

一实施例中，所述比较积分模块包括放大器U131、电容C131和三极管Q131；

放大器U131的正输入端接地，放大器U131的负输入端与所述比较积分模块的第一连接端连接，放大器U131的输出端与三极管Q131的基极连接；

电容C131的一端与放大器U131的负输入端连接，另一端与放大器U131的输出端连接；

三极管Q131的第一极用于一电位VEE1的输入，三极管Q131的第二极与所述比较积分模块的第二连接端连接。

一实施例中，所述输出放大模块包括电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电容C201、电容C202、电容C203和三极管Q201；

电阻R201的一端与所述输出放大模块的第四连接端连接，另一端用于与一电位VCC2的输入；

电阻R202的一端与所述输出放大模块的第四连接端连接，另一端与所述输出放大模块的第三连接端连接；

电阻R203的一端与三极管Q201的第二极连接，另一端与所述输出放大模块的第二连接端连接；

电阻R204的一端与三极管Q201的基极连接，另一端用于一电位VEE2输入；

电容C201的一端与所述输出放大模块的第一连接端连接，另一端与三极管Q201的基极连接；

电容C202的一端与三极管Q201的第二极连接，另一端接地GND；

电容C203的一端与所述输出放大模块的第二连接端连接，另一端接地GND；

三极管Q201的第一极与所述输出放大模块的第三连接端连接。

一实施例中，所述I/V转换模块包括电阻R311、电阻R312、电阻R313、电阻R314、电阻R315和放大器U311；

电阻R311的一端与所述I/V转换模块的第二连接端连接，另一端与放大器U311的负输入端连接；

电阻R312的一端与所述I/V转换模块的第一连接端连接，另一端与放大器U311的正输入端连接；

电阻R313的一端与放大器U311的负输入端连接，另一端与放大器U311的输出端连接；

电阻R314的一端与放大器U311的正输出端连接，另一端接地GND；

电阻R315的一端与放大器U311的输出端连接，另一端与所述I/V转换模块的第三连接端连接。

第二方面，一实施例中提供一种信号发生器，包括控制处理单元和分别与所述控制处理单元连接的输入单元、存储单元、波形生成单元、输出放大单元、输出衰减单元、输出控制单元和显示单元，一实施例中，所述输出放大单元包括第一方面所述的复合信号放大电路。

依据上述实施例的复合信号放大电路，包括待放大电信号输入端、信号输出端、高频放大模块、低频放大模块、输出放大模块、比较积分模块和I/V转换模块。高频放大模块用于对待放大电信号输入端输入的待放大电信号的高频信号进行放大，并将放大后的待放大电信号的高频信号输出给输出放大模块。低频放大模块用于对待放大电信号输入端输入的待放大电信号的低频信号进行放大和反相。输出放大模块用于将高频放大模块输出的高频信号和比较积分模块输出的低频信号分别进行放大，并在放大后进行信号合并。I/V转换模块用于将输出放大模块的放大导通电流信号转换成电压信号，并输出给比较积分模块。比较积分模块用于对I/V转换模块输出的电压信号和低频放大模块输出的低频信号进行比较积分，并将比较积分获取的比较积分结果信号输出给输出放大模块，以用于作为输出放大模块的低频负反馈信号。由于对待放大电信号采用高低频分开放大后再合并放大的方式，并通过电流型负反馈稳定直流和低频信号，使得复合信号放大电路的输出大信号的幅度和带宽得到提高，同时具有优异的直流和低频特性。

附图说明

图1为一种实施例中的复合信号放大电路的结构连接示意图；

图2为一种实施例中的复合信号放大电路的电路示意图；

图3为一种实施例中的信号发生器的结构连接示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

在本发明实施例中的复合信号放大电路，由于对待放大电信号采用高低频分开放大后，再合并放大，使得复合信号放大电路的输出大信号的带宽得到提高，同时具有优异的直流和低频特性。

实施例一 ：

请参考图1，为一种实施例中复合信号放大电路的结构连接示意图，包括待放大电信号输入端IN、信号输出端OUT、高频放大模块10、低频放大模块20、输出放大模块30、比较积分模块40和I/V转换模块50。高频放大模块10包括第一连接端、第二连接端，高频放大模块10的第一连接端与待放大电信号输入端IN连接，高频放大模块10的第二连接端与输出放大模块30连接。高频放大模块10用于对待放大电信号输入端IN输入的待放大电信号的高频信号进行放大，并将放大后的待放大电信号的高频信号通过高频放大模块10的第二连接端输出给输出放大模块30。低频放大模块20包括第一连接端和第二连接端，低频放大模块20的第一连接端与待放大电信号输入端IN连接，低频放大模块20的第二连接端与比较积分模块40连接。低频放大模块20用于对待放大电信号输入端IN输入的待放大电信号的低频信号进行放大和反相。输出放大模块30包括第一连接端、第二连接端、第三连接端和第四连接端，输出放大模块30的第一连接端与高频放大模块10的第二连接端连接，输出放大模块30的第二连接端与比较积分模块40连接，输出放大模块30的第三连接端与I/V转换模块50连接，输出放大模块30的第四连接端与信号输出端OUT连接。输出放大模块30用于将高频放大模块10输出的高频信号和比较积分模块40输出的低频信号分别进行放大，并在放大后进行信号合并。I/V转换模块50包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，I/V转换模块50的第一连接端与输出放大模块30的第三连接端连接，I/V转换模块50的第二连接端与信号输出端OUT连接，I/V转换模块50的第三连接端与比较积分模块40连接，I/V转换模块50用于将输出放大模块30的放大导通电流信号转换成电压信号，并输出给比较积分模块40。比较积分模块40包括第一连接端和第二连接端，比较积分模块40的第一连接端与低频放大模块20的第二连接端连接，比较积分模块40的第二连接端与输出放大模块30的第二连接端连接，比较积分模块40用于对I/V转换模块50输出的电压信号和低频放大模块20输出的低频信号进行比较积分，并将比较积分获取的比较积分结果信号输出给输出放大模块30，以用于作为输出放大模块30的低频负反馈信号。

请参考图2，为一种实施例中的复合信号放大电路的电路示意图，一实施例中，高频放大模块10包括电阻R111、电阻R112、电阻R113、电容C111、电容C112、三极管Q111、恒流源I111、射频放大器U111和电感L111。电容C111的一端与高频放大模块10的第一连接端连接，另一端与三极管Q111的基极连接。三极管Q111的第一极用于一电位VCC1的输入。恒流源I111的一端与三极管Q111的第二极连接，另一端接地GND。电阻R111的一端与三极管Q111的第一极连接，另一端与三极管Q111的基极连接。电阻R112的一端与三极管Q111的基极连接，另一端接地GND。电容C112的一端与三极管Q111的第二极，另一端与射频放大器U111的输入端连接。射频放大器U111的输出端与高频放大模块10的第二连接端连接。电阻R113和电感L111串联连接，串联后的一端用于电位VCC1的输入，另一端与射频放大器U111的输出端连接。

一实施例中，低频放大模块20包括放大器U121、电阻R121、电阻R122和电阻R123。电阻R121的一端与低频放大模块20的第一连接端连接，另一端与放大器U121的负输入端连接。电阻R122的一端与放大器U121的负输入端连接，另一端与放大器U121的输出端连接。电阻R123的一端与放大器U121的输出端连接，另一端与低频放大模块20的第二连接端连接。放大器U121的正输出端接地GND。

一实施例中，比较积分模块40包括放大器U131、电容C131和三极管Q131。放大器U131的正输入端接地，放大器U131的负输入端与比较积分模块40的第一连接端连接，放大器U131的输出端与三极管Q131的基极连接。电容C131的一端与放大器U131的负输入端连接，另一端与放大器U131的输出端连接。三极管Q131的第一极用于一电位VEE1的输入，三极管Q131的第二极与比较积分模块40的第二连接端连接。比较积分模40用于对I/V转换模块50的输出信号和低频放大模块20的输出信号进行比较积分，并输出至输出放大模块30，由此形成低频信号的电流型负反馈环路。

一实施例中，输出放大模块30包括电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电容C201、电容C202、电容C203和三极管Q201。电阻R201的一端与输出放大模块30的第四连接端连接，另一端用于与一电位VCC2的输入。电阻R202的一端与输出放大模块30的第四连接端连接，另一端与输出放大模块30的第三连接端连接。电阻R203的一端与三极管Q201的第二极连接，另一端与输出放大模块30的第二连接端连接。电阻R204的一端与三极管Q201的基极连接，另一端用于一电位VEE2输入。电容C201的一端与输出放大模块30的第一连接端连接，另一端与三极管Q201的基极连接。电容C202的一端与三极管Q201的第二极连接，另一端接地GND。电容C203的一端与输出放大模块30的第二连接端连接，另一端接地GND。三极管Q201的第一极与输出放大模块30的第三连接端连接。

一实施例中，I/V转换模块50包括电阻R311、电阻R312、电阻R313、电阻R314、电阻R315和放大器U311。电阻R311的一端与I/V转换模块50的第二连接端连接，另一端与放大器U311的负输入端连接。电阻R312的一端与I/V转换模块50的第一连接端连接，另一端与放大器U311的正输入端连接。电阻R313的一端与放大器U311的负输入端连接，另一端与放大器U311的输出端连接。电阻R314的一端与放大器U311的正输出端连接，另一端接地GND。电阻R315的一端与放大器U311的输出端连接，另一端与I/V转换模块50的第三连接端连接。

在本申请实施例中，复合信号放大电路包括高频放大模块、低频放大模块、输出放大模块、I/V转换模块和比较积分模块。高频放大模块和低频放大模块用于对待放大电信号的高频和低频分开放大，输出放大模块用于将分开放大后的待放大电信号的高频放大信号和比较积分模块输出的低频信号分别放大后再合并，以获取复合放大电信号作为输出。I/V转换模块将输出放大模块的电流信号转换成电压信号，比较积分模块将低频放大模块的输出信号和I/V转换模块的输出电压信号进行比较积分，由此形成低频信号的电流型负反馈环路。由于对待放大电信号采用高低频分开放大后，再合并放大，并通过电流型负反馈稳定直流和低频信号，使得复合信号放大电路的输出大信号的幅度和带宽得到提高，同时具有优异的直流和低频特性。

一实施例中，本申请还公开了一种信号发生器，包括如上所述的复合信号放大电路。在本申请一实施例中的复合放大器电路以及使用该电路的信号发生器具有高带宽、高增益、高幅度输出的特性，解决信号发生器采用集成芯片的宽带放大器输出大信号带宽低的问题。

在本申请一实施例中，高频放大模块的电容C111用于隔离待放大信号的直流和低频信号，电阻R111和R112对电位VCC1进行分压，得到的电压作为三极管Q111的基极的静态工作电压。恒流源I111为三极管Q111提供静态工作电流。电容C111、电阻R111、电阻R112、三极管Q111、恒流源I111构成了一个交流耦合的射随器。电容C112和电容C201用于隔离直流和低频电信号，避免射随器的输出端和输出放大模块的输入端的静态工作电压对射频放大器U111产生影响。射频放大器U111对输入的高频信号进行电压放大。电压源VCC1通过电阻R113和电感L111为射频放大器提供静态工作电压与电流。

输出放大模块是由电阻R204、电阻R201、电阻R202、电阻R203、三极管Q201、电容C203、C202构成共发射极放大器。输出放大模块一端连接到射频放大模块的输出，一端连接到比较积分模块的输出端。电位VEE2通过电阻R204为三极管Q201提供基极的静态工作电压。电位VCC2通过电阻R201为三极管Q201提供静态工作电流。电阻R201的另一端连接到信号输出端，同时用于确定输出放大模块的输出阻抗。电阻R202用作电流采样电阻，I/V转换器连接在电阻R202的两端，以获取三极管Q201的工作电流。电阻R203用作Q201的发射极电阻，与电阻R201共同确定输出放大模块的放大倍数。电容C202和电容C203用于频率响应补偿。

I/V转换模块用于将输出放大模块中三极管Q201的工作电流信号转换成电压信号，并输出给比较积分模块。I/V转换器的两个输入端分别连接到输出放大模块中电阻R202的两端。电阻R312和电阻R311将电阻R202一端中的电压信号进行分压后连接到放大器U311的同相输出端。电阻R311的一端连接到电阻R202的另一端，另一端连接到放大器U311的反相输入端。电阻R313用作放大器U311的负反馈电阻。其中，R313/R311=R314/R312。电阻R315的一端连接到放大器U311的输出端，另一端连接到比较积分模块的输入端。

低频放大模块是由电阻R121、电阻R122、电阻R123和运算放大器U121构成的反相器，对输入的直流和低频信号进行反相放大。电阻R121的一端连接到信号输入，另一端连接到放大器U121的反相输入端，电阻R122用作放大器U121的负反馈电阻，跨接在放大器U121的反相输入端和输出端之间。电阻R121和电阻R122共同确定了低频放大模块的放大倍数。放大器U121的同相输入端连接到地。R123的一端连接到放大器U121的输出端，另一端连接到比较积分模块的输入端。一实施例中，复合信号放大电路还包括偏置调节模块，该偏置调节模块由可调电阻构成，用于对输出信号的直流偏置进行调节。可调电阻的一端连接到一电位VCC3，另一端连接到比较积分模块的第一连接端。比较积分模块由运算放大器U131、电容C131和三极管Q131构成，其中，电容C131用作积分电容，运算放大器U131为集成运算放大器。比较积分模块对其输入的信号进行积分后连接到输出放大模块的一输入端。集成运算放大器U131的的反相输入端用作比较积分模块的输入端，同相输入端连接到地。积分电容C131跨接在集成运算放大器U131的输出端和反相输入端之间。集成运算放大器U131的输出端连接到三极管Q131的基极，三极管Q131的集电极连接到电位VEE2，发射极用作比较积分模块的输出，并连接到输出放大模块的一输入端。

复合信号放大电路的高频放大倍数G

G

在设计电路时将直流和低频放大倍数G

在本申请一实施例中，由于使用射频放大器对复合电信号的高频信号进行放大，从而使得整个复合电信号放大器在输出大信号下依旧具有非常高的带宽。又由于使用I/V转换器将输出放大器的工作电流转换成电压，并与经低频放大模块放大后的信号进行求和并积分处理，积分之后的信号连接回输出放大模块，从而实现直流和低频与高频信号的叠加。同时保证了输出阻抗在低频和高频时均为R201。一实施例中，本申请射频放大器U111、运算放大器U121、运算放大器U131和运算放大器U311为集成电路运算发大器。

实施例二

请参考图3，为一种实施例中信号发生器的结构连接示意图，包括输入单元1、存储单元2、控制处理单元3、波形生成单元4、输出衰减单元5、输出放大单元6、输出控制单元7和显示单元8。控制处理单元3分别与输入单元1、存储单元2、波形生成单元4、输出放大单元5、输出衰减单元6、输出控制单元7和显示单元8。其中，输出放大单元6包括实施例一种所述的复合信号放大电路。控制处理单元3和存储单元2是整个信号发生器的主控单元，实现对其他模块的配置与监控功能。波形生成单元4是信号发生器的核心，实现波形的生成，以及信号从数字域到模拟域的转换。输出衰减单元5、输出放大单元6和输出控制单元7主要实现对模拟信号的调理功能，包括滤波和幅度控制等。输入单元7和显示单元8构成了信号发生器的人机接口。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。