CN100499360C - 带自动增益控制的集成跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光通信领域中的带自动增益控制的集成跨阻放大器，其包括主放大器单元，用于放大输入的信号，初始增益设定电路，作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应晶体管M6连接，自动增益控制电路，也作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应管M7连接。根据本发明的放大器不仅包含了大动态范围的AGC功能，而且也减小了工艺参数变化对其的影响。

Description

带自动增益控制的集成跨阻放大器

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光通信领域中的带自动增益控制的集成跨阻放大器。

背景技术

国内外研究者对集成TIA(跨阻放大器)作了大量的研究，但用于光通信领域的TIA必须带有AGC(自动增益控制)，以接收大动态范围的光电流信号。而带AGC的集成TIA在目前的研究结果中鲜有报导。本发明解决了光通信集成TIA设计应用中的两个问题：1.该TIA包含大动态范围的AGC功能。2.该TIA较少地依赖于集成电路制造工艺的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带自动增益控制的集成跨阻放大器，其包含了大动态范围的AGC功能，也减小了工艺参数变化对其的影响。

本发明提供的一种带自动增益控制的集成跨阻放大器，包括：主放大器单元，用于放大输入的信号；初始增益设定电路，作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应晶体管M6连接；自动增益控制电路，也作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应管M7连接；两个N型场效应晶体管M6和M7都作为可变电阻工作于三极管区。

附图说明

图1是根据本发明的TIA的电路结构；

图2是初始增益设定电路的原理图；

图3是AGC电路的原理图。

具体实施方式

图1是根据本发明提出的TIA的电路结构。本结构除了主放大器单元外还包含两个反馈环路，一个是作为初始增益设定环路，另一个作为AGC环路。

两个NMOS(N型场效应晶体管)M6和M7都作为可变电阻工作于三极管区。电阻值等于

$R_{\mathrm{on}}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}---\left(1\right)$

式中V_GS，V_TH，μ_n，C_ox，L，W分别为NMOS管的栅源电压，开启电压，载流子的活性，栅氧化层的单位电容，沟道长度和沟道宽度。

这样，工作于三极管区的NMOS晶体管可以有很大的电阻变化范围，用作放大器的反馈电阻后，可以实现大动态范围的AGC控制。

转化为电信号后的光信号包含有直流分量，并且其直流分量的大小与信号电平的高低成比例。信号电平的大小通过控制回路经由R1和C1组成的低通滤波器而检测到。

图2是根据本发明的初始增益设定电路的原理图。A2和A1是普通的差分放大器，用作电压跟随器。A2，M11，M12，M14，M15，M16，R5组成偏置电路。A1，M5，M2，M1组成初始增益补偿电路，他们产生一个带补偿的Vinit电压加在M6的栅极上。其中M11，M12，M14，M15，M16，M2，M1，M5均为场效应晶体管。M5和M16起调整管作用，大小适当即可，分别与A1和A2构成电压跟随器。

Vref是从带隙基准参考电压源而来的基准参考电压。M1，M11，M12设计为同样的大小。M14，M15也是同样的大小。M2 and M6也一样。除了M6工作于三极管区外，所有其它MOS管都工作于饱和区。故

I_M14＝I_M15＝I_R5＝I_M2    (2)

V_R5＝Vref＝R₅I_R5       (3)

V_R3＝Vds_M4＝R₅I_R5　    (4)

同时 $I_{M2}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2---\left(5\right)$

所以 $V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}=\sqrt{\frac{{2I}_{M2}}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}}}=\sqrt{\frac{{2V}_{\mathrm{ref}}}{R_5{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}}}---\left(7\right)$

式中V_GS，V_TH，I_M2，μ_n，C_ox，L，W分别为MOS M2的栅源电压，开启电压，漏极电流，载流子的活性，栅氧化层的单位电容，沟道长度和沟道宽度。

既然M2，M6的大小一致，同时Vgs_M2＝Vgs_M6，代入等式(7)，则M6的等效电阻是

$R_{M6}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}=\sqrt{\frac{R_5}{{2V}_{\mathrm{ref}}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}}}---\left(8\right)$

R₅，μ_n，C_ox，L，W都有可能随着工艺参数的变化而浮动。但是从等式(8)看来，R_M6的等效电阻是上述变量的平方根的函数。例如，L的20％的变化只会引起R_M610％的变化。这样工艺参数变化的影响被大大地减弱了。

图3是根据本发明的AGC电路的原理图。A2，M11，M12，M14，M15，M16，R5组成的偏置电路与图2所示的偏置电路相同。M18，M19，M20，R6构成放大器A3。A3采样C1上的电压而得到初始偏置电压Vagc，然后反馈回M7的栅极。这样，TIA的增益被输入信号的大小而自动控制。

在这个图中，TIA0仅仅是为A3提供直流偏置电压。TIA0与TIA是相同的，只不过使用了一个固定的反馈电阻R7。所以无论工艺参数如何变化，当输入信号的幅度为零时，A3的两个输入端都会保持平衡。A2，R5和M11-M17组成A3偏置电路。这样，AGC的启动电压就由M7栅极上的初始电压来决定。

M11，M12，M13设计为同样的大小。M14，M15，M17和M18也是同样的大小。除了M7工作于三极管区外，所有其它MOS管都工作于饱和区。

I_M14＝I_M15＝I_R5＝I_M17＝I_M18＝2I_R6         (9)

And V_R5＝Vref＝R₅I_R5                     (10)

V_R6＝R₆I_R6                               (11)

所以M7栅极上的初始电压

$\mathrm{Vagc}=\mathrm{VDD}-R_6{I}_{R6}$

$=\mathrm{VDD}-\frac{R_6}{{2R}_5}\mathrm{Vref}---\left(12\right)$

可见，Vagc只与VDD，Vref及R6和R5之比相关。若R6和R5成比例变化时，AGC的初始偏置电压将保持稳定。

因此，TIA的初始增益及AGC的初始偏置电压较少地依赖于制造工艺参数的变化。这样的电路结构可以有效地应用于光通信TIA。

Claims (8)

1、一种带自动增益控制的集成跨阻放大器，其特征在于该放大器包括：

主放大器单元，用于放大输入的信号；

初始增益设定电路，作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应晶体管M6连接；

自动增益控制电路，也作为主放大器单元的反馈环路，与作为反馈电阻的N型场效应管M7连接；

两个N型场效应晶体管M6和M7都作为可变电阻工作于三极管区。

2、根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述初始增益设定电路中包括差分放大器A1和A2，用作电压跟随器，其中A2，M11，M12，M14，M15，M16，R5组成偏置电路，A1，M5，M2，M1组成初始增益补偿电路，以产生一个带补偿的电压加在M6的栅极上。

3、根据权利要求1至2任何一个所述的放大器，其特征在于：场效应晶体管M1，M11，M12大小相等，M14与M15相等，M2与M6相等。

4、根据权利要求3所述的放大器，其特征在于：除M6外的N型场效应晶体管都工作于饱和区。

5、根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述自动增益控制电路包括放大器A3以及A3的偏置电路，M18，M19，M20，R6构成放大器A3，A2，R5和M11-M17组成了A3偏置电路，放大器A3用于将初始偏置电压反馈回N型场效应晶体管M7的栅极。

6、根据权利要求5所述的放大器，其特征在于：放大器单元TIA0与主放大器单元TIA相同的，但是使用了一个固定的反馈电阻R7，TIA0为放大器A3提供直流偏置电压。

7、根据权利要求5或6所述的放大器，其特征在于：M11，M12，M13大小相等，M14，M15，M17和M18也大小相等。

8、根据权利要求7所述的放大器，其特征在于：除了N型场效应晶体管M6和M7工作于三极管区外，所有其它N型场效应晶体管都工作于饱和区。

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