CN102820857A

CN102820857A - 宽带高增益跨阻放大器及设计方法和放大器芯片

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Publication number: CN102820857A
Application number: CN201210210717XA
Authority: CN
Inventors: 陈莹梅; 朱磊; 王志功; 王涛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102820857B

Abstract

一种宽带高增益跨阻放大器及设计方法和放大器芯片，该跨阻放大器结构由一条提升增益的前馈通路和一条降低输入阻抗的反馈通路构成，前馈通路采用共栅-共源-共栅-共栅的设计方法，反馈通路采用一级源极跟随器的方式，为了进一步改善带宽，加入了有源电感，获得高增益、宽带宽和低噪声的性能，可以作为系统中的前置放大器。跨阻放大器芯片采用前馈和反馈通路结构，采用MOSFET、MESFET工艺，具有极小的输入电阻，拓展了带宽，同时电路具有稳定的偏置，结构简单，经过0.18um CMOS工艺验证，跨阻增益达到55dB，3dB带宽大于10GHz，功耗为32mW。

Description

宽带高增益跨阻放大器及设计方法和放大器芯片

技术领域

本发明是一种用于光纤通信等系统中接收端的低噪声跨阻前置放大器电路，对接收到的微弱信号进行宽带、高增益、低噪声放大，同时电路具有设计简单和单片集成的特点。

背景技术

光纤通信系统以其具有的大容量等特点，在网络和多媒体通信中得到了飞速的发展。在同步光纤通信系统中，光信号经过几十甚至上百公里长距离无中继传输，在接收端已经变得非常微弱。光接收机前置放大器的作用就是将光检测器输出的微弱电流脉冲信号在引入较少噪声前提下转换放大成一定幅度的电压信号。因此前置放大器的设计目标就是要获得低噪声、高灵敏度以及高增益的性能；另一方面在光纤通信等系统中，随着系统速率的提升，前置放大器在现有的工艺下还要获得尽可能宽的带宽。

发明内容

前置放大器的类型分为低阻放大器、高阻放大器和跨阻放大器，本发明的目的就是提供一种能够同时具有高增益、宽带宽和低噪声性能的接收系统中的跨阻前置放大器。

本跨阻放大器设计方法由一条提升增益的前馈通路和一条降低输入阻抗的反馈通路构成。前馈通路采用共栅-共源-共栅-共栅的结构，其特征是在前馈通路中加入了M4和M5两级共栅级，增加的两级共栅级的效果是：不仅能提高前馈电路的增益，还能同时增大整个跨阻放大器的带宽。

增加的M4和M5两级共栅级带来的另一个效果是：提高了M1管的栅电位，使得M1管获得足够的电压偏置，保证了晶体管的工作速度。

反馈通路采用源极跟随器，并采用有源电感结构作为负载进一步拓展带宽，最后输出信号out。

该跨阻放大器的连接方法是：

所述前馈通路由五只N型晶体管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶体管M9构成，（在传统的RGC结构的基础上加入了M4和M5两级共源级，并以M9作为电流源负载）。M1的栅端连接M5和M9的漏端，M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in；M2的栅端连接偏置电压Vb2，M2的漏端连接M6的源端和M3的栅端，M2的源端接M8的漏端和M1的源端；M3的栅端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端连接M4的源端，M3的源连接到地；M4的栅端连接偏置电压Vb2，M4的漏端连接M5的源端，M4的源端连接M3的漏端；M5的栅端连接电源电压VDD，M5的漏端连接M9的漏端和M1的栅端，M5的源端连接到M4的漏端；M9的栅端连接到地，M9的漏端连接到M5的漏端，M9的源端连接到电源电压VDD。

所述能够降低输入阻抗的源极跟随器构成的反馈通路由晶体管M1构成。M1的栅端连接M5和M9的漏端，M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in。

能够拓展电路带宽的有源电感负载由N型晶体管M6、M7和电阻R1、R2、R3、R4构成。M6的栅端接电阻R1，M6的漏端接电阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的栅端；电阻R1的一端接M6的栅端，R1的另一端连接电源电压VDD；电阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端连接电源电压VDD；M7的栅端接电阻R3，M7的漏端接电阻R4，M7的源端接M1的漏端和输出端out；电阻R3的一端接M7的栅端，R3的另一端连接电源电压VDD；电阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端连接电源电压VDD。

采用上述方法得到的放大器是包括：前馈通路、反馈通路和有源电感负载；所述前馈通路由五只N型晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M9构成；所述反馈通路由源极跟随器构成，该反馈通路包括所述N型晶体管M1；所述有源电感负载，它由N型晶体管M6、M7和电阻R1、R2、R3、R4构成；

晶体管M1的栅端连接晶体管M5和M9的漏端，晶体管M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in；

M2的栅端连接偏置电压Vb2，M2的漏端连接M6的源端和M3的栅端，M2的源端接M8的漏端和M1的源端；

M3的栅端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端连接M4的源端，M3的源连接到地；

M4的栅端连接偏置电压Vb2，M4的漏端连接M5的源端，M4的源端连接M3的漏端；

M5的栅端连接电源电压VDD，M5的漏端连接M9的漏端和M1的栅端，M5的源端连接到M4的漏端；

M9的栅端连接到地，M9的漏端连接到M5的漏端，M9的源端连接到电源电压VDD；

M1的栅端连接M5和M9的漏端，M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in；

M6的栅端接电阻R1，M6的漏端接电阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的栅端；

电阻R1的一端接M6的栅端，R1的另一端连接电源电压VDD；

电阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端连接电源电压VDD；

M7的栅端接电阻R3，M7的漏端接电阻R4，M7的源端接M1的漏端和输出端out；

电阻R3的一端接M7的栅端，R3的另一端连接电源电压VDD；

电阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端连接电源电压VDD。

该跨阻放大器的工作原理是：

前馈通路由三级放大电路构成，第一级为M2构成的共源放大器，设增益为A1；第二级为M3、M4和M5构成的共源—共栅—共栅放大器，设增益为A2；第三级为M1构成的共源放大器，设增益为A3。输入端总电容为Cin，，输出阻抗为Zout。放大器的跨阻增益Z_TIA近似表达如下：

Z_{TIA} \approx \frac{Z_{out}}{1 + {sC}_{in} \cdot Z_{out} / A_{1} A_{2} A_{3}}

电路中唯一的高阻抗电路结点为第二级的输出点，即M5的漏极，晶体管M5仅驱动其漏电容外加M1栅电容作为负载，M9因为尺寸较小，其漏电容可以忽略，这一办法可以减少在该高阻抗电路节点处的总电容负载。由于该跨阻放大器位于光接收机的前端，输入节点处的总电容C_in包括光检测器的寄生电容、M1和M2的源端电容、M8的漏电容，因此输入节点为电路的主极点。

如果把两个相同的共源放大器级联，它们的增益会相乘，而由此产生的电路带宽会下降35％。但是从上式可以看到，若使|A₂A₃|＞＞1且A₂A₃的极点频率远高于A₁的主极点频率，|A₂A₃|值越大，主极点的时间常数越小，增大了电路的带宽。

该跨阻放大器采用并联峰化电感技术进一步增大带宽。峰化电感不需要高Q值，可以用来优化低寄生电容，大型螺旋电感往往占用大量的芯片面积，而且连接不同模块的RF信号将需要长金属线，这会增加这些结点上的负载电容，进而降低电路的速度。因此该跨阻放大器采用MOS管实现的有源电感结构，占有的面积也小。

一种采用前述放大器电路的片上宽带高增益跨阻放大器芯片，除了采用上述电路外，采用MOSFET、MESFET工艺来实现。

有益效果：

A)本发明采用M1和M2的源端作为输入节点，使电路具有极小的输入电阻，拓展了带宽。

B）该结构通过M3-M5将M1管的栅电位抬高，使M1管的直流电位能方便地调节，更好地工作在饱和区。

C）M3-M5第二级采用M9管构成的电流源作为负载，使得第二级的增益完全取决于M3-M5各级增益。

D）M6-M7和R1-R4构成了有源电感结构来拓展电路的带宽。

E）该电路已经过0.18um CMOS工艺验证，跨阻增益达到55dB，3dB带宽大于10GHz，功耗为32mW。

附图说明：

图1是实施例中宽带高增益跨阻放大器电路示意图。

具体实现方式：

下面结合附图1与具体实施方式对本技术方案作进一步说明。

一种宽带高增益前置放大器电路的设计方法，采用前馈和反馈结构和有源电感补偿的方式来获得高增益和宽的带宽。

片上宽带高增益跨阻放大器电路的设计方法，由一条提升增益的前馈通路和一条降低输入阻抗的反馈通路构成。前馈通路采用共栅-共源-共栅-共栅的结构，其改进是在前馈通路中加入了M4和M5两级共栅级，增加的两级共栅级的特点在于：它不仅能提高前馈电路的增益，还能同时增大整个跨阻放大器的带宽。增加的M4和M5两级共栅级带来的另一个优点在于：它提高了M1管的栅电位，使得M1管获得足够的电压偏置，保证了晶体管的工作速度。反馈通路采用源极跟随器，并采用有源电感结构作为负载进一步拓展带宽，最后输出信号out。

该跨阻放大器的连接方法是：

能够提升增益的前馈通路由由五只N型晶体管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶体管M9构成，在传统的RGC结构的基础上加入了M4和M5两级共源级，并以M9作为电流源负载。M1的栅端连接M5和M9的漏端，M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in；M2的栅端连接偏置电压Vb2，M2的漏端连接M6的源端和M3的栅端，M2的源端接M8的漏端和M1的源端；M3的栅端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端连接M4的源端，M3的源连接到地；M4的栅端连接偏置电压Vb2，M4的漏端连接M5的源端，M4的源端连接M3的漏端；M5的栅端连接电源电压VDD，M5的漏端连接M9的漏端和M1的栅端，M5的源端连接到M4的漏端；M9的栅端连接到地，M9的漏端连接到M5的漏端，M9的源端连接到电源电压VDD。

能够降低输入阻抗的源极跟随器构成的反馈通路由晶体管M1构成。M1的栅端连接M5和M9的漏端，M1的漏端连接M7的源端和输出端out，M1的源端连接到M2的源端和M8的漏端以及输入端in。

本单芯片放大器（放大器芯片）以采用MOSFET、MESFET工艺来实现。

本技术方案具有高增益、宽带宽和结构简单的特点，经过0.18um CMOS工艺验证，跨阻增益达到55dBΩ，3dB带宽大于10GHz，功耗为32mW。在芯片中采用有源电感结构的并联峰化技术来拓展带宽，有源电感占用的面积较小，降低了芯片成本。该前置跨阻放大器可以应用于光纤通信系统中，与光检测器相集成，实现光电集成（OEIC）芯片。

Claims

1.一种跨阻放大器的设计方法，其特征是设计采用前馈通路和反馈通路构成该跨阻放大器；对于前馈通路，设计采用共栅-共源-共栅-共栅的结构；对于反馈通路，设计采用源极跟随器；采用有源电感结构作为负载即有源电感负载；

所述前馈通路由五只N型晶体管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶体管M9构成；在晶体管M3共源级放大器的基础上，加入了晶体管M4、M5两级共栅级，并以晶体管M9作为电流源负载；

所述反馈通路由源极跟随器构成，该反馈通路包括所述N型晶体管M1；

所述有源电感结构由N型晶体管M6、M7和电阻R1、R2、R3、R4构成；

所述前馈电路的连接方法如下：

M3的栅端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端连接M4的源端，M3的源接地；

M9的栅端接地，M9的漏端连接到M5的漏端，M9的源端连接到电源电压VDD；

所述反馈通路的连接方方法如下：

所述有源电感负载的连接方法如下：

电阻R1的一端接M6的栅端，R1的另一端连接电源电压VDD；

电阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端连接电源电压VDD；

电阻R3的一端接M7的栅端，R3的另一端连接电源电压VDD；

电阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端连接电源电压VDD。

2.一种权利要求1所述方法设计得到的跨阻放大器，其特征是包括：前馈通路、反馈通路和有源电感负载；所述前馈通路由五只N型晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M9构成；所述反馈通路由源极跟随器构成，该反馈通路包括所述N型晶体管M1；所述有源电感负载，它由N型晶体管M6、M7和电阻R1、R2、R3、R4构成；

电阻R1的一端接M6的栅端，R1的另一端连接电源电压VDD；

电阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端连接电源电压VDD；

电阻R3的一端接M7的栅端，R3的另一端连接电源电压VDD；

电阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端连接电源电压VDD。

3.一种跨阻放大器芯片，其特征是采用权利要求2所述跨阻放大器电路，并采用MOSFET和MESFET工艺实现该电路。