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    重庆时时彩对子号: 一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器.pdf

    关 键 词:
    一种 用于 接收机 噪声 放大器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410135951.X

    申请日:

    2014.04.04

    公开号:

    CN103973246A

    公开日:

    2014.08.06

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):H03F 3/45申请公布日:20140806|||专利申请权的转移IPC(主分类):H03F 3/45登记生效日:20170125变更事项:申请人变更前权利人:嘉兴禾润电子科技有限公司变更后权利人:嘉兴禾润电子科技有限公司变更事项:地址变更前权利人:314006 浙江省嘉兴市凌公塘路3339号(嘉兴科技城)综合楼A座301室变更后权利人:314006 浙江省嘉兴市凌公塘路3339号(嘉兴科技城)综合楼A座301室变更事项:申请人变更前权利人:嘉兴泰鼎光电集成电路有限公司|||实质审查的生效IPC(主分类):H03F 3/45申请日:20140404|||公开
    IPC分类号: H03F3/45; H03F1/26; H03G3/20; H04B10/60(2013.01)I 主分类号: H03F3/45
    申请人: 嘉兴禾润电子科技有限公司; 嘉兴泰鼎光电集成电路有限公司
    发明人: 莫太山; 张书磊; 沈林峰
    地址: 314006 浙江省嘉兴市凌公塘路3339号(嘉兴科技城)综合楼A座301室
    优先权:
    专利代理机构: 上海旭诚知识产权代理有限公司 31220 代理人: 郑立
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410135951.X

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2017.11.07|||2017.02.22|||2014.09.03|||2014.08.06

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||专利申请权、专利权的转移|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器,包括反向放大器(011)和反馈电阻(012);反向放大器(011)和反馈电阻(012)并联连接;反向放大器(011)是通过共源共栅输入级、差分中间级、源极跟随器输出级、直流反馈电路、NMOS管(100)和电流源(112)来实现的。本发明的跨阻放大器主要用于光接收机的前置放大器,通过自动增益控制单元控制NMOS管(100)以控制跨阻放大器的跨阻增益,解决了大信号时交流输出幅度过大导致的非线性问题,提高了动态范围;同时还解决了大信号时电路直流工作点发生严重偏移的问题,消除了直流信号;并且提出了电流注入技术,减小了噪声,有效地提高了灵敏度。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其特征在于,包括反向放大器(011)和反馈电阻(012);所述反向放大器(011)和所述反馈电阻(012)并联连接;
    所述反向放大器(011)是通过共源共栅输入级、差分中间级、源极跟随器输出级、直流反馈电路、NMOS管(100)和电流源(112)来实现的;
    所述直流反馈电路是RC低通滤波器。

    2.  如权利要求1所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述共源共栅输入级包括NMOS管(101)、NMOS管(102)和电阻(103);
    所述NMOS管(101)的栅极与输入信号(IN)、所述NMOS管(100)和所述反馈电阻(012)的MINUS端连接;源极直接接地(VGND);漏极与所述NMOS管(100)的漏极、所述NMOS管(102)的源极以及所述电流源(112)的MINUS端连接;
    所述NMOS管(102)的栅极与所述直流反馈电路相连;漏极与所述电阻(103)的MINUS端以及所述差分中间级连接;源极与所述NMOS管(100)的漏极和所述NMOS管(101)的漏极连接;
    所述电阻(103)的PLUS端接电源(VDD);MINUS端分别与所述NMOS管(102)的漏极和所述差分中间级连接。

    3.  如权利要求2所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述差分中间级包括NMOS管(104)、NMOS管(105)、电阻(106)和NMOS管(109);
    所述NMOS管(104)的栅极与所述共源共栅输入级连接;源极分别与所述NMOS管(105)的源极和所述NMOS管(109)的漏极连接;漏极与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(105)的栅极外接直流电平;源极分别与所述NMOS管(104)的源极和所述NMOS管(109)的漏极连接;漏极与所述电阻(106)的MINUS端、所述直流反馈电路以及所述源极跟随器输出级连接;
    所述电阻(106)的MINUS端分别与所述NMOS管(105)的漏极、所述直流反馈电路以及所述源极跟随器输出级连接;PLUS端与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(109)的栅极与所述源极跟随器输出级连接;漏极分别与所述NMOS管(104)的源极和所述NMOS管(105)的源极连接;源极接地(VGND)。

    4.  如权利要求3所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述源极跟随器输出级包括NMOS管(110)和NMOS管(111);
    所述NMOS管(110)的栅极与所述直流反馈电路和所述差分中间级连接;
    源极与输出点(OUT)、所述NMOS管(111)的漏极以及所述反馈电阻(012)的PLUS端连接;漏极与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(111)的源极直接接地(VGND);漏极与输出点(OUT)、以及所述反馈电阻(012)的PLUS端和所述NMOS管(110)的源极连接;源极直接接地(VGND)。

    5.  如权利要求4所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述RC低通滤波器包括电阻(107)和电容(108);
    所述电阻(107)的PLUS端与所述NMOS管(105)的漏极、所述电阻(106)的MINUS端以及所述NMOS管(110)的栅极连接;MINUS端与所述NMOS管(102)的栅极以及所述电容(108)的PLUS端连接;
    所述电容(108)的PLUS端与所述NMOS管(102)的栅极以及所述电阻(107)的MINUS端连接;MINUS端接地(VGND)。

    6.  如权利要求1所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述NMOS管(100)源极分别与所述输入信号(IN)、所述NMOS管(101)的栅极以及所述电阻(012)的MINUS端连接;漏极与所述NMOS管(101)漏极、所述NMOS管(102)的源极以及所述电流源(112)的MINUS端连接。

    7.  如权利要求1所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其中,所述电流源(112)PLUS端接所述电源(VDD);MINUS端分别与所述NMOS管(101)的漏极、所述NMOS管(102)的源极以及NMOS管(100)的漏极连接。

    8.  一种使用如权利要求1所述的用于光接收机的低噪声跨阻放大器的光接收机前置放大器,其中,包括跨阻放大器(01)、单转差分放大器(02)、输出驱动(03)和自动增益控制单元(04);
    所述跨阻放大器(01)的输入端连接输入信号,输出端与所述单转差分放大器(02)的输入端连接;所述单转差分放大器(02)的输出端分别与所述输出驱动(03)的输入端和所述自动增益控制单元(04)的输入端连接;所述输出驱动(03)的输出端输出信号;所述自动增益控制单元(04)的输出端与所述跨阻放大器(1)连接;
    所述自动增益控制单元(04)与所述跨阻放大器(01)的所述NMOS管(100)的栅极连接。

    9.  如权利要求8所述的光接收机前置放大器,其特征在于,还包括光电二极管偏置电压产生??椋?05)、带隙基准??椋?06)和基准产生??椋?07);所述光电二极管偏置电压产生??椋?05)与光电二极管连接;用于为光电二极管提供偏置电压;
    所述带隙基准??椋?06)和所述基准产生??椋?07)与所述电源(VDD) 连接在一起,用于提供基准电压和基准电流。

    说明书

    说明书一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器
    技术领域
    本发明涉及光通信电子技术的光电集成电路OEIC(Optical ElectronicIntegrated Circuits)领域,尤其涉及一种用于光前通信系统的光接收机的带自动增益控制的低噪声跨阻放大器。
    背景技术
    随着光纤通信的快速发展,有力地推动了光通信产品的广泛应用,同时对其性能也提出了苛刻的要求。光接收机芯片作为光通信系统的重要组成部分,其性能(包括灵敏度、动态范围等)关系到光信号的传输质量。其中,跨阻放大器(Transimpedence Amp,TIA)位于接收机的最前端,是光接收机中最重要的芯片,它的噪声及动态范围性能直接决定了光接收机的灵敏度和动态范围。由此可见,跨阻放大器的性能在很大程度上决定了光接收机乃至整个光纤通信系统的性能。因此,研究设计高速、高增益、低噪声、宽动态范围的前置跨阻放大器,对于提高光接收机的性能,构建高速、大容量、长距离光纤通信系统具有重要的价值,对我国的光通信产业及集成电路产业都具有十分重要的推动作用。
    光通信系统通常用光电二极管将光脉冲信号转换为电流脉冲信号??缱璺糯笃鳎═IA)将这个电流脉冲信号转换为相应的电压脉冲信号供后续的电路放大和处理。由于在实际使用中接收的光电流的动态范围非常大,跨阻放大器也相应要求有很大的输入动态范围。因此,跨阻放大器要有相应的自动增益控制(Automatic GainControl,AGC)和直流失调调整机制,但是主流的直流失调调整电路常?;岫缘缏返脑肷阅艽床焕跋旎蛘呓峁构诟丛?。
    因此,本领域的技术人员致力于开发一种带自动增益控制和直流失调控制,但不会影响跨阻放大器噪声性能的低噪声跨阻放大器。
    发明内容
    有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种不会影响跨阻放大器噪声性能的一种用于光接收机的带自动增益控制的低噪声跨阻放大器。
    为实现上述目的,本发明提供了一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器,其特征在于,包括反向放大器(011)和反馈电阻(012);所述反向放大器(011)和所述反馈电阻(012)并联连接;
    所述反向放大器(011)是通过共源共栅输入级、差分中间级、源极跟随器输 出级、直流反馈电路、NMOS管(100)和电流源(112)来实现的;
    所述直流反馈电路是RC低通滤波器。
    进一步地,所述共源共栅输入级包括NMOS管(101)、NMOS管(102)和电阻(103);
    所述NMOS管(101)的栅极与输入信号(IN)、所述NMOS管(100)和所述反馈电阻(012)的MINUS端连接;源极直接接地(VGND);漏极与所述NMOS管(100)的漏极、所述NMOS管(102)的源极以及所述电流源(112)的MINUS端连接;
    所述NMOS管(102)的栅极与所述直流反馈电路连接;漏极与所述电阻(103)的MINUS端以及所述差分中间级连接;源极与所述NMOS管(100)的漏极和所述NMOS管(101)的漏极连接;
    所述电阻(103)的PLUS端接电源(VDD);MINUS端分别与所述NMOS管(102)的漏极和所述差分中间级连接。
    进一步地,所述差分中间级包括NMOS管(104)、NMOS管(105)、电阻(106)和NMOS管(109);
    所述NMOS管(104)的栅极与所述共源共栅输入级连接;源极分别与所述NMOS管(105)的源极和所述NMOS管(109)的漏极连接;漏极与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(105)的栅极外接直流电平;源极分别与所述NMOS管(104)的源极和所述NMOS管(109)的漏极连接;漏极与所述电阻(106)的MINUS端、所述直流反馈电路以及所述源极跟随器输出级连接;
    所述电阻(106)的MINUS端分别与所述NMOS管(105)的漏极、所述直流反馈电路以及所述源极跟随器输出级连接;PLUS端与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(109)的栅极与所述源极跟随器输出级连接;漏极分别与所述NMOS管(104)的源极和所述NMOS管(105)的源极连接;源极源极接地(VGND)。
    进一步地,所述源极跟随器输出级包括NMOS管(110)和NMOS管(111);
    所述NMOS管(110)的栅极与所述直流反馈电路和所述差分中间级连接;源极与输出点(OUT)、所述NMOS管(111)的漏极以及所述反馈电阻(012)的PLUS端连接;漏极与所述电源(VDD)连接;
    所述NMOS管(111)的源极直接接地(VGND);漏极与输出点(OUT)、以及所述反馈电阻(012)的PLUS端和所述NMOS管(110)的源极连接;源极直接接地(VGND)。
    进一步地,所述RC低通滤波器包括电阻(107)和电容(108);
    所述电阻(107)的PLUS端与所述NMOS管(105)的漏极、所述电阻(106)的MINUS端以及所述NMOS管(110)的栅极连接;MINUS端与所述NMOS管 (102)的栅极以及所述电容(108)的PLUS端连接;
    所述电容(108)的PLUS端与所述NMOS管(102)的栅极以及所述电阻(107)的MINUS端连接;MINUS端接地(VGND)。
    进一步地,所述NMOS管(100)源极分别与所述输入信号(IN)、所述NMOS管(101)的栅极以及所述电阻(012)的MINUS端连接;漏极与所述NMOS管(101)漏极、所述NMOS管(102)的源极以及所述电流源(112)的MINUS端连接。
    进一步地,所述电流源(112)PLUS端接所述电源(VDD);MINUS端分别与所述NMOS管(101)的漏极、所述NMOS管(102)的源极以及NMOS管(100)的漏极连接。
    一种使用了用于光接收机的低噪声跨阻放大器的光接收机前置放大器,其中,包括跨阻放大器(01)、单转差分放大器(02)、输出驱动(03)和自动增益控制单元(04);
    所述跨阻放大器(01)的输入端连接输入信号,输出端与所述单转差分放大器(02)的输入端连接;所述单转差分放大器(02)的输出端分别与所述输出驱动(03)的输入端和所述自动增益控制单元(04)的输入端连接;所述输出驱动(03)的输出端输出信号;所述自动增益控制单元(04)的输出端与所述跨阻放大器(1)连接;
    所述自动增益控制单元(04)与所述跨阻放大器(01)的所述NMOS管(100)的栅极连接。
    在本发明的一个较佳实施例中,所述光接收机前置放大器还包括光电二极管偏置电压产生??椋?05)、带隙基准??椋?06)和基准产生??椋?07);
    所述光电二极管偏置电压产生??椋?05)与光电二极管连接;用于为光电二极管提供偏置电压;
    所述带隙基准??椋?06)和所述基准产生??椋?07)与所述电源(VDD)连接在一起,用于提供基准电压和基准电流。
    在本发明的较佳实施方式中,输入信号是由光电二极管感应光信号而得到的电流脉冲信号。反向放大器011与跨阻,即反馈电阻012构成跨阻放大器01,跨阻放大器将电流脉冲信号转换并放大为一定幅度的电压脉冲信号;单转差分放大器02将该单端电压信号转化为双端差分信号;再经过输出驱动03最终输出,输出驱动03输出电阻50Ω,便于传输线匹配??缱璺糯笃?1采用并联反馈结构,即反向放大器011与反馈电阻(跨阻)012并联的形式,该结构具有低输入电阻、低输出阻抗等优点而被广泛采用。自动增益控制单元04在输入信号较大时,可以降低跨阻放大器的跨阻增益,使大信号时交流输出电压的幅度仍保持在输出摆幅要求范围内,提高动态范围。
    本发明的用于光接收机的带自动增益控制的低噪声跨阻放大器,达到了以下几点的有益效果:
    (1)本发明通过自动增益控制解决了大信号时交流输出幅度过大导致的非线性问题,提高了动态范围:NMOS管100通过两方面降低跨阻增益:一方面,一部分交流电流流过NMOS管100,减小了流过跨阻012的交流信号电流,降低了输出幅度;另一方面,NMOS管100降低了反向放大器011的增益,也降低了跨阻增益。通过这两方面,相对于单方面的调节跨阻阻值或者放大器增益的方式,此种结构能更为有效地调节跨阻增益,显著地提高了动态范围;
    (2)本发明通过差分中间级(NMOS管104、NMOS管105、NMOS管106、NMOS管109)、RC低通滤波器(电阻107、电容108)及共栅极NMOS管102和负载电阻103等组成的直流反馈环路,解决了大信号时电路直流工作点发生严重偏移的问题。该环路是负反馈,再加上NMOS管100管为均值电流提供流通路径,达到了直流消除的功能,使流过跨阻012的直流电流很小,因此稳定了输出直流工作点,提高了动态范围;
    (3)本发明用于消除直流信号,提高动态范围的直流反馈环路,结构相对简单,并且和差分中间级(NMOS管104、NMOS管105、NMOS管106、NMOS管109)共用电路,解决了传统直流消除电路的复杂性;
    (4)本发明提出了电流注入技术,向NMOS管101注入额外的一路电流,在不影响增益与带宽的基础上增大了NMOS管101的跨导,减小了噪声,有效地提高了灵敏度;
    (5)本发明可以应用于众多光接收机系统的前置电路,包括GePON、千兆以太网及光纤通道等。
    以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
    附图说明
    图1是本发明的一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器的电路结构示意图;
    图2是应用了本发明跨阻放大器的光接收机前置放大器芯片的电路结构示意图;
    图3是应用了本发明跨阻放大器的光接收机前置放大器的另一较佳实施例的电路结构示意图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的?;し段Р?限于下述的实施例。
    本发明的应用于光接收机的低噪声跨阻放大器的电路结构具体如图1所示,包括反向放大器011、反馈电阻012。反馈电阻012连接在反向放大器011的输出OUT和输入IN之间,反向放大器011由三级放大电路以及直流反馈电路组成。
    其中反相放大器011是通过共源共栅输入级、差分中间级、源极跟随器输出级、RC低通滤波器、NMOS管100、和电流源112来实现的:
    共源共栅输入级包括NMOS管101、NMOS管102和电阻103:
    NMOS管101的栅极与输入信号IN、NMOS管100和反馈电阻012的MINUS端连接;源极直接接地VGND;漏极与NMOS管100的漏极、NMOS管102的源极以及电流源112的MINUS端连接;
    NMOS管102的栅极与电阻107的MINUS端以及电容108的PLUS端连接;漏极与电阻103的MINUS端以及NMOS管104的栅极连接;源极与NMOS管100的漏极和NMOS管101的漏极连接;
    电阻103的PLUS端接电源VDD;MINUS端分别与NMOS管102的漏极和NMOS管104的栅极连接。
    差分中间级包括NMOS管104、NMOS管105、电阻106和NMOS管109:
    NMOS管104的栅极与电阻103的MINUS端以及NMOS管102的漏极连接;源极分别与NMOS管105的源极和NMOS管109的漏极连接;漏极与电源VDD连接;
    NMOS管105的栅极外接直流电平;源极分别与NMOS管104的源极和NMOS管109的漏极连接;漏极与电阻106的MINUS端、电阻107的PLUS端以及NMOS管110的栅极连接;
    电阻106的PLUS端接电源VDD;MINUS接NMOS管105的漏极、电阻107的PLUS端、NMOS管110的栅极;
    NMOS管109栅极与NMOS管111的栅极连接;源极接地VGND;漏极与NMOS管104的源极和NMOS管105的源极连接。
    源极跟随器输出级包括NMOS管110和NMOS管111:
    NMOS管110源极与输出点OUT、NMOS管111的漏极以及反馈电阻012的PLUS端连接;漏极与电源VDD连接;栅极接NMOS管的105漏极、电阻106的MINUS端以及电阻107的PLUS端;
    NMOS管111的源极直接接地VGND;漏极与输出点OUT和NMOS管110的源极连接;栅极与NMOS管109的栅极连接。
    RC低通滤波器包括电阻107和电容108:
    电阻107的PLUS端与NMOS管105的漏极、电阻106的MINUS端以及NMOS管110的栅极连接;MINUS端与NMOS管102的栅极以及电容108的PLUS端连 接;
    电容108的PLUS端与NMOS管102的栅极以及电阻107的MINUS端连接;MINUS端接地VGND。
    NMOS管100NMOS管100作为自动增益调整管,跨在输入管101的栅极和漏极之间,工作在线性区,等效为一个由栅电压控制的可调电阻,用来调节跨阻增益;源极分别与输入信号IN、NMOS管101的栅极以及电阻012的MINUS端连接;漏极与NMOS管101漏极、NMOS管102的源极以及电流源112的MINUS端连接。
    电流源112的PLUS端接电源VDD;MINUS端分别与NMOS管101的漏极、NMOS管102的源极以及NMOS管100的漏极连接。
    本发明的应用于光接收机的低噪声跨阻放大器是光接收机前置放大器芯片的一部分,其中光接收机前置放大器芯片具体如图2所示,包括低噪音放大电路包括跨阻放大器01、单转差分放大器02、输出驱动03和自动增益控制单元04。其中,输入信号是由光电二极管05感应光信号而得到的电流脉冲信号。反向放大器011与跨阻,即反馈电阻012构成跨阻放大器01,跨阻放大器将电流脉冲信号转换并放大为一定幅度的电压脉冲信号;单转差分放大器02将该单端电压信号转化为双端差分信号;再经过输出驱动03最终输出,输出驱动输出电阻50Ω,便于传输线匹配。图2中跨阻放大器01、单转差分放大器02、输出驱动03和自动增益控制单元04共同构成整个前置放大器10。其中,OUTP和OUTN表示输出。
    图2中的跨阻放大器01采用并联反馈结构,即反向放大器011与反馈电阻(跨阻)012是并联的形式,该结构具有低输入电阻、低输出阻抗等优点而被广泛采用。自动增益控制单元04在输入信号较大时,可以降低跨阻放大器的跨阻增益,使大信号时交流输出电压的幅度仍保持在输出摆幅要求范围内,提高动态范围。
    限制跨阻放大器动态范围的原因有两个:
    第一,随着输入信号的增大,交流输出电压幅度过大,超出了输出摆幅的限制;
    第二,跨阻放大器的输入信号存在非零均值,均值电流流过跨阻,当均值电流过大时会产生较大的压降,导致输出直流电平发生严重偏移,使放大器偏离正常工作区域。
    自动增益控制单元04可以解决由第一个原因造成的问题。由第二个原因造成的过载仍然限制了跨阻放大器的动态范围。这就需要采用直流消除(DCCancellation)来抑制平均电流对放大器直流工作点的影响。
    本发明的NMOS管100作为自动增益调整管,用来调节跨阻增益,其栅极控制电压由图2中的自动增益控制单元04生成。差分中间级(NMOS管104、NMOS管105、NMOS管106和NMOS管109)的输出经过RC低通滤波器(电阻107、电容108)之后作为共栅管102的栅极偏置电压。NMOS管104、NMOS管105、 NMOS管106、电阻107、电容108和NMOS管109形成了直流反馈环路,在大信号时可以起到稳定电路直流工作点的作用,这个反馈环路就是该发明自带的直流消除功能单元,其结构相对简单,并且与差分中间级共用一部分电路(NMOS管104、NMOS管105、NMOS管106、NMOS管109)。注入电流源112的引入增大了输入管101的跨导,减小了整个跨阻放大器的输入噪声。
    自动增益控制单元04用于检测单转差分放大器02的输出差分信号之间的交流信号幅度,自动增益控制单元04的输出接NMOS管100的栅极。详细的自动增益控制单元04电路这里不具体给出。
    按照自动增益控制单元04是否激活可以将跨阻放大器01的工作区域分可分为“激活”区域和“非激活”区域:
    (1)“非激活”区域:
    输入电流信号较小时,信号幅度和均值电流都较小,自动增益控制单元04和直流消除消除功能单元不工作,跨阻放大器01处在线性工作区。此时调整管100的栅极控制电压保持自动增益控制单元04的最小输出电压,调整管100处于截止状态,增益控制未激活。没有电流(直流与交流)通过调整管100,电流全部流过跨阻012。自动增益控制单元04不工作,差分中间级只用于放大功能。在小信号时,自动增益控制单元04和直流消除都未被激活,跨阻放大器01工作在“非激活”区域。
    “非激活”区域的噪声性能决定了跨阻放大器01的灵敏度,要减小输入噪声必须增大输入管101的跨导。放大流经NMOS管101、NMOS管102和电阻103路径的偏置电流,可以增大NMOS管101的跨导,但是这种方式有两个缺点:1.要增大流经电阻103的电流必须减小电阻103的阻值,导致前置放大器的增益下降,带宽下降;2.流经NMOS管102的电流增大使得NMOS管102的跨导增大,将增大输入噪声。
    为了克服这两个缺点,本发明采用了电流注入技术。使用电流源112向NMOS管101额外注入一路电流,这样NMOS管101的大部分偏置电流将由电流源112提供,流经NMOS管102和电阻103的只有一小部分偏置电流。那么在不损失增益和带宽的条件下减小了噪声,提高了灵敏度。
    (2)“激活”区域:
    当输入电流信号增大到一定程度,跨阻放大器01由于输出交流幅度过大或者输出直流工作点严重偏移而失真,此时必须工作在“激活”区域才能保证跨阻放大器01继续处于正常的工作状态。
    自动增益控制单元04根据信号大小产生NMOS管100的栅极控制电压,调节其等效阻值,信号越大,栅极控制电压越大,等效电阻越小。在“激活”区域,NMOS管100导通,工作在线性区,此时,有电流流过NMOS管100,包括直流 和交流。
    在大信号时,输入交流信号的一部分流过NMOS管100,减小了通过跨阻012的交流信号,输出信号幅度相应变小,降低了跨阻增益;同时NMOS管100的等效电阻降低了共源共栅输入级的增益,也就降低了反向放大器011的增益,因此整个环路增益也随信号增大而减小,环路稳定性不随信号增大而恶化。输入信号越大,NMOS管100栅极控制电压越大,流过NMOS管100的交流电流信号所占的比例越大,等效电阻越小,跨阻放大器01的跨阻增益越小。总之,通过NMOS管100的控制,降低了跨阻增益,解决了交流输出幅度过大对动态范围的影响。
    在NMOS管100调节跨阻增益的同时,为直流消除单元提供了输入均值电流的流通路径。大信号时,由于直流负反馈环(NMOS管104、NMOS管105、NMOS管106、电阻107、电容108、NMOS管109)的作用,均值电流的很大一部分流过NMOS管100,只有很小一部分流过跨阻012,跨阻012上的压降就很小。并且输入信号越大,流过NMOS管100的直流的比例也越大,使跨阻012上的压降相对稳定,输出直流电平保持在正常范围内。直流反馈环路完成了输入电流信号的直流消除功能,相对稳定了电路的直流工作点,解决了大信号时直流工作点偏移造成的跨阻放大器的非线性问题。
    本发明的跨阻放大器电路结构具有宽动态范围、高灵敏度的优点,同时节约了芯片功耗和面积,可以应用在高性能光接收机系统的前置跨阻放大器芯片中,位于芯片的最前端,完成将光电流信号转化为电压信号的功能,它是整个跨阻放大器芯片最核心的???。
    本发明的一个具体的实施例如图3所示。300是外接的光电二极管,实线方框中是前置放大器整体芯片的组成,其??樽槌晌?01即图2所示的本发明的跨阻放大器,302是单转差分电路,303是输出驱动电路,304是自动增益控制???,305是光电二极管偏置电压产生???,306是带隙基准???、307为基准产生???。其中,VDD是电源,GND表示接地,OUTP和OUTN表示输出。
    在本实施例中,跨阻放大器电路301应用于前置放大器整体芯片的最前端,是最核心的???,其输入端接光电二极管300的阳极,而光电二极管300的阴极接光电二极管偏置电压产生???05,光电二极管偏置电压产生???05为光电二极管300提供偏置电压,使得光电二极管300处于反偏状态,感应光信号的强度生成相应幅度的电流脉冲信号??缱璺糯笃?01接收该电流信号,将其转化并放大为一定幅度的电压脉冲信号。该电压脉冲信号输出到后续的单端转差分电路302转化为差分信号,差分信号有利于抑制共模噪声,同时便于后续处理。差分信号再经过输出驱动电路303最终输出,输出驱动电路303的目的是提高驱动能力,同时与传输线匹配。自动增益控制???04根据信号的大小产生电压控制信号,该控制信号提供给跨阻放大器301来实现增益控制。此外,带隙基准???06和基准产生???07 为电路提供基准电压和基准电流。
    本发明有效地解决了动态范围、灵敏度等相关问题,提出了一种新的跨阻放大器电路的结构,其宽动态范围、高灵敏度的性能优点,以及节约功耗和面积的优势,可以应用于高性能光接收机系统(GePON、千兆以太网、光纤通道等)的前置跨阻放大器芯片中。
    以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的?;し段?。

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    本文标题:一种用于光接收机的低噪声跨阻放大器.pdf
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