CN100559705C - 互阻放大器 - Google Patents

Abstract

一种互阻放大器，用于将电流信号转化成电压信号，其单级放大电路包括：第一晶体管和第二晶体管，该第一、第二晶体管的栅极连接作为输入端用以输入信号，其漏极互相连接，该第一晶体管的源极接地，该第二晶体管的源极与第一电源连接，其中，该单级放大电路还包括：第三晶体管和第四晶体管，该第三晶体管的栅极和源极、第四晶体管的源极与第二晶体管的源极连接，该第三、第四晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接作为输出端用以输出信号，该第四晶体管的栅极接地，当与该互阻放大器连接的光电二极管将光信号转化成电流信号输入至该互阻放大器时，该第三、第四晶体管可通过增加第一晶体管的电流来增加光电二极管的光电转换效率。本发明具有较高的带宽，不受外部环境因素影响且具有较高的稳定度。

Description

互阻放大器

技术领域

本发明涉及光电领域，特别涉及一种互阻放大器。

背景技术

数字视盘机(DVD、VCD等)的光学头(Optical Pick-UP，OPU)是光学存储系统的主要组成部分之一，其需要光电探测集成电路(Photo DetectorIntegrated Circuit，PDIC)将光接收器、控制和反馈电路集成在同一个芯片上，用以进行光学信号探测、光电信号转换和信号放大。

请参考图1，是一种现有技术的DVD光电检测集成电路结构示意图。其中A、B、C、D、E和F是六个光电二极管，用于探测盘片的反射光信号并通过光电效应转换为微弱的电流信号，从而读取盘片的信息和聚焦、循迹伺服控制信号。与该六个光电二极管连接的各个通道主要由前置放大电路组成，用于微弱电流信号的放大和电流到输出电压信号的转换。用于光电探测集成电路中的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)放大器，以下简称CMOS放大器，其主要有三种类型：低阻抗放大器、高阻抗放大器和互阻放大器。低阻抗放大器由于性能较低而较少应用。高阻抗放大器在该三种结构中灵敏度最好，但是要求额外的电路并且限制系统的动态范围和直流响应。互阻放大器应用最为普遍，因为其很简单，在典型应用中将其设计为两级以获得更低的电压偏置。

请参考图2，是一种现有技术的采用CMOS互阻放大器的光电集成电路的结构示意图。该光电集成电路100中的光电二极管2接收探测盘片的反射光信号，产生输入电流I_in，互阻放大器1将输入电流转换成电压信号V_out。该互阻放大器1提供较高的带宽，但是额外噪声使得它的灵敏度有所降低。互阻放大器的性能的衡量标准主要是：等效输入电流噪声，频率响应特性以及稳定性等。

请参考图3，是图2中CMOS互阻放大器1的电路结构示意图。该CMOS互阻放大器1包括PMOS管M3、M6及M9和NMOS管M1、M2、M4、M5、M7、M8组成的三级CMOS反相器和由互阻R_fb构成的反馈环路。以NMOS管M1、M2和PMOS管M3组成的单级反相器举例说明。该电路单级反相器的开环直流增益定义为：

$A_1=\frac{g_{m1}+g_{m3}}{g_{m2}+g_{\mathrm{ds}1}+g_{\mathrm{ds}2}+g_{\mathrm{ds}3}}\≈\frac{g_{m1}+g_{m3}}{g_{m2}}---\left(1\right)$

同时NMOS管M1，M2和PMOS管M3的宽长比定义为：

$B=\frac{{(W/L)}_{M1}}{{(W/L)}_{M2}},$ $C=\frac{{(W/L)}_{M3}}{{(W/L)}_{M2}}---\left(2\right)$

由图3中可得出：由于互阻R_fb构成的反馈环路使得输出节点的电压等于输入节点的电压，MOS管工作在饱和区，因此跨导值为：

g_m＝2I_d/(V_gs-V_T)                                    (3)

所以得出结论：

$A_1\≈B+(1+B)\·\frac{{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}_{\mathrm{nmos}}}{{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}_{\mathrm{pmos}}}---\left(4\right)$

PMOS管M3的电流流入到NMOS管M1，M2，因此有：

${\mathrm{Kp}}_n(1+B)\·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}_{\mathrm{nmos}}^2={\mathrm{Kp}}_p\·C\·{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}_{\mathrm{pmos}}^2---\left(5\right)$

结合上面(4)、(5)两式，可以得出：

$A_1\≈B+\sqrt{(1+B)\·C}\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_p}{{\mathrm{\μ}}_n}}---\left(6\right)$

由(6)式可以得到，单级放大器的直流增益主要取决于NMOS管M1，M2和PMOS管M3，NMOS管M2的宽长比的比值，与其他各MOS管具体的宽、长无关。

因此，假定三级CMOS反相器配置相同，则三级CMOS反相器的开环增益为 $A_0\≈A_1^3,$ 从而得出互阻放大器的带宽为：

$\mathrm{BW}=\frac{1+A_0}{2\mathrm{\π}\·R_{\mathrm{fb}}{C}_T}---\left(7\right)$

其中C_T为光电二极管的电容与放大器的输入级寄生电容的并联值。

但是，该种CMOS互阻放大器1的电路具有缺陷，若给定该CMOS互阻放大器1的带宽，为得到最大的灵敏度，互阻R_fb需取最大值，由(7)式可得A₀也需取最大值。但是增益A₀的值受稳定因素的限制，A₀的增加使得高阶极点向原点移动，从而减小相位裕度。CMOS互阻放大器1的电路的带宽容易受外部环境因素如电源和过程参数等的波动影响而降低。在反馈回路中只有一个反馈电阻R_fb，在频率响应中会出现大的谐振峰，当信号频率高时电路稳定性较差。同时参考图4，是图2的给出电路输出频率响应和输出脉冲电压仿真示意图。由图4中可以看出：由于电路受到外部因素的影响导致稳定性较差，从而频率响应有较大波动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电路稳定性较高的高带宽互阻放大器。

一种互阻放大器，用于将电流信号转化成电压信号，其单级放大电路包括：第一晶体管和第二晶体管，该第一、第二晶体管的栅极连接作为输入端用以输入信号，其漏极互相连接，该第一晶体管的源极接地，该第二晶体管的源极与第一电源连接，其中，该单级放大电路还包括：第三晶体管和第四晶体管，该第三晶体管的栅极和源极、第四晶体管的源极与第二晶体管的源极连接，该第三、第四晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接作为输出端用以输出信号，该第四晶体管的栅极接地，当与该互阻放大器连接的光电二极管将光信号转化成电流信号输入至该互阻放大器时，该第三、第四晶体管可通过增加第一晶体管的电流来增加光电二极管的光电转换效率。

本发明互阻放大器的第一种改进在于：该第一晶体管是NMOS晶体管，该第二、第三和第四晶体管是PMOS晶体管。

本发明互阻放大器的第二种改进在于：该互阻放大器包括一个反馈网络，该反馈网络包括一个第五晶体管，其栅极接地，其源极和漏极分别与输出端和输入端连接，该第五晶体管可以保障该互阻放大器输出电压的稳定性。

本发明互阻放大器的第三种改进在于：该第五晶体管是PMOS晶体管。

本发明互阻放大器的第四种改进在于：该反馈网络还包括第一电容，该第一电容的两端分别与该互阻放大器的输入输出端连接，该第一电容可使该互阻放大器的频率响应平坦化。

本发明互阻放大器的第五种改进在于：该反馈网络还包括一个寄生电容补偿模块，该寄生电容补偿模块包括第六晶体管，第七晶体管和第二电容，该第六晶体管的栅极与该互阻放大器的输入端连接，其源极与该互阻放大器的输出端连接，其漏极与第二电容的一端连接；该第七晶体管的栅极与该互阻放大器的输出端连接，其源极接地，其漏极与第二电容的另一端连接，该寄生电容补偿模块可以使该互阻放大器获得足够的相位裕度以保持电路稳定。

本发明互阻放大器的第六种改进在于：该第六晶体管和第七晶体管均为PMOS晶体管。

本发明互阻放大器的第七种改进在于：该第二电容两端连接第二电压源。

本发明互阻放大器的第八种改进在于：该互阻放大器采用0.6μmCMOS工艺。

本发明互阻放大器的第九种改进在于：该第五晶体管的等效电阻值是12kΩ，第一～第七晶体管均为最小的沟道长度，第一电容的值为1pf。

相较于现有技术，本发明第三晶体管和第四晶体管可以提高输入端的电压，从而提高与本发明互阻放大器连接的光电二极管正负两极之间的反向电压，从而提高光电二极管的光电转换效率。现有技术图3中的电路的带宽容易受电源和过程参数波动的影响，而本发明通过增加第四晶体管来消除这些外部环境因素的影响。本发明通过增加反馈环路中的第二电容和寄生电容补偿模块，可以获得更加平坦的频率响应，从而提高电路的稳定性。

附图说明

图1是一种现有技术的DVD光电检测集成电路结构示意图。

图2是一种现有技术的采用CMOS互阻放大器的光电集成电路的结构示意图。

图3是图2中CMOS互阻放大器1的电路结构示意图。

图4是图2的给出电路输出频率响应和输出脉冲电压仿真示意图。

图5是采用本发明CMOS互阻放大器的光电集成电路的结构示意图。

图6是图5中的互阻放大器10的电路结构示意图。

图7是图6中的寄生电容补偿模块81的具体结构示意图。

图8是图6中的输出频率响应和输出脉冲电压仿真示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，进一步说明本发明。

请参考图5，是采用本发明CMOS互阻放大器的光电集成电路的结构示意图。该光电集成电路200包括光电二极管20和包括反馈网络8的互阻放大器10，该光电二极管20接收探测盘片的反射光信号，产生输入电流I_in，互阻放大器10将输入电流转换成电压信号V_out。

请一并参考图6和图7，图6是图5中的互阻放大器10的电路结构示意图。图7是图6中的寄生电容补偿模块81的具体结构示意图。该互阻放大器10包括三级CMOS反相器和反馈网络8。该第一级CMOS反相器5包括NMOS管M11和PMOS管M12、M13及M14，该PMOS管M12、M13和M14的源极和漏极分别连接，且相应的源极与电源Vcc连接，PMOS管M13的栅级接地，PMOS管M14和NMOS管M11的栅极连接并作为该互阻放大器10的输入端输入电流I_pd，PMOS管M13的漏极为该第一级CMOS反相器5的输出端。同理，该第二级CMOS反相器6的结构与第一级CMOS反相器5的结构相同，其包括NMOS管M15和PMOS管M16、M17及M18，PMOS管M16、M17及M18的源极和漏极分别连接，且相应的源极与电源Vcc连接，PMOS管M17的栅级接地，PMOS管M18和NMOS管M15的栅极连接并与第一级CMOS反相器5的输出端PMOS管M13的漏极连接。同理，该第三级CMOS反相器7的结构与第一级、第二级CMOS反相器6的结构相同，其包括NMOS管M19和PMOS管M20、M21及M22，PMOS管M20、M21及M22的源极和漏极分别连接，且相应的源极与电源Vcc连接，PMOS管M21的栅级接地，PMOS管M22和NMOS管M19的栅极连接并与第二级CMOS反相器6的输出端PMOS管M17的漏极连接。该PMOS管M21的漏极作为该互阻放大器10的输出端输出电压Vout。该反馈网络8包括电容C_fb、PMOS管M_fb和寄生电容补偿模块81。该PMOS管M_fb的栅极接地，漏极和源极与电容C_fb的两端及该寄生电容补偿模块81的输入端和输出端连接。该寄生电容补偿模块81包括PMOS管Mc1、Mc2和电容Cc。该PMOS管Mc1的栅极为输入端与PMOS管M14的栅极连接，其源极与PMOS管Mc2的栅极连接，其漏极与电容Cc的一端连接并与电源I₁连接。该PMOS管Mc2的源极接地，漏极与电容Cc的另一端连接并与电源I₁连接。

以下详细推导光电流I_pd和输出电压V_out之间的关系：

$T\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{{\∂V}_{\mathrm{out}}}{{\∂I}_{\mathrm{pd}}}=\frac{R_{\mathrm{fb}}/(1+\mathrm{j\ω}{R}_{\mathrm{fb}}{C}_{\mathrm{fb}})}{1+\frac{1}{A_d\left(\mathrm{j\ω}\right)}(1+\frac{R_{\mathrm{fb}}/(1+\mathrm{j\ω}{R}_{\mathrm{fb}}{C}_{\mathrm{fb}})}{1/\mathrm{j\ω}{C}_T})}---\left(8\right)$

其中，C_T是光电二极管的电容C_PD和互阻放大器的输入级的寄生电容C_in之和，考虑放大器的开环频率响应A_d(jω)＝A₀/(1+(jω/ω_c)，其中ω_c是截至频率(-3dB)，A₀是开环中频增益，因此可以得到：

$T\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{R_{\mathrm{fb}}}{1+\mathrm{j\ω}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}Q}-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}}---\left(9\right)$

其中，ω₀和Q分别定义为：

$Q\≡\frac{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{fb}}(C_{\mathrm{fb}}+C_T)}{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}}}{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}+R_{\mathrm{fb}}(C_{\mathrm{fb}}+\frac{C_{\mathrm{fb}}+C_T}{A_0})}\≈\frac{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{fb}}{C}_T}{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}}}{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}+R_{\mathrm{fb}}(C_{\mathrm{fb}}+\frac{C_T}{A_0})}---\left(10\right)$

${\mathrm{\ω}}_0\≡\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}{R_{\mathrm{fb}}(C_{\mathrm{fb}}+C_T)}}\≈\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}{R_{\mathrm{fb}}{C}_T}}$

为了得到最大得平坦响应(Butterworth)， $Q=1/\sqrt{2},$ 代入(10)式可以得到：

$C_{\mathrm{fb}}\≈\sqrt{\frac{{2C}_T}{R_{\mathrm{fb}}{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}}-\frac{C_T}{A_0}---\left(11\right)$

(11)式给出了一个比需要的值大的C_fb，以获得动态的稳定性。为了增加带宽，可以选择稍低的C_fb值，选择相位裕度为45°，(8)式也可以写为：

其中

如果 $|-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}+\frac{\mathrm{j\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{0}Q}|=1,$

可以满足相位裕度45°的要求，电路是稳定的。

当时：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PR}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q}---\left(13\right)$

当 $|-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}+\frac{\mathrm{j\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{0}Q}|=1$ 时：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PR}}^4+\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{Q^2}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{PR}}^2-{\mathrm{\ω}}_0^4=0---\left(14\right)$

由(13)，(14)两式可得 $Q=\sqrt[4]{2},$ 此时可以得到：

$C_{\mathrm{fb}}\≈\sqrt{\frac{C_T}{\sqrt{2}{R}_{\mathrm{fb}}{\mathrm{\ω}}_c{A}_0}}-\frac{C_T}{A_0}---\left(15\right)$

因此实现一个互阻放大器时，C_fb值应该在给出的(11)式和(15)式之间。

相较于现有技术，本发明补偿电容用PMOS管Mc1、Mc2来实现，产生一个有效的负阻抗，它的值取为输入电容的一半。通过引入补偿电容，电路的带宽可得到提高。PMOS管M12、M13，M16、M17、M20和M21可以提高与互阻放大器10连接的光电二极管20输入节点的电压，从而提高加在光电二极管20正负两极之间的反向电压，增加光电二极管的光电转换效率，其实现的方式是通过增加流过NMOS管M11，M15和M19的电流来完成。

同时，NMOS管M13，M17和M21可以消除电源和过程参数波动这些外部环境因素的影响，其具体实现方式是：PMOS管M13，M17和M21的栅级接地，因此V_SG＝V_S＝V_cc，PMOS管M13，M17和M21工作在线性区。设电源电压降低，则V_SG降低，流过M13，M17和M21各管的电流减小，电压V_SD降低，使得输出电压升高，由于反馈网络8的存在而使得升高的输入电压又降低下来，因此保证输出电压的稳定。

反馈网络8中增加电容C_fb和寄生电容补偿模块81可以产生一个零点以获得足够的相位裕度，因此可以保持整个电路的稳定。

请参考图8，是图6中的输出频率响应和输出脉冲电压仿真示意图。本发明采用0.6μmCMOS工艺，给定条件为：所有MOS管均为最小的沟道长度，光电二极管20的结电容为1pf，该PMOS管M_fb的等效电阻值为12kΩ，负载电容C_fb的值为1pf。因此，本发明最大优点是可以获得高带宽同时能实现最小的芯片面积。由图中可以看出，本发明电路具有平坦的频率响应和较高的稳定度。

本发明电路还有其他设计方案，由于本发明中要求将输入的微安级电流信号转换为上百毫伏的电压信号，因此反馈电阻的阻值需要上百K欧姆，如果采用多晶硅或扩散电阻，产生的相移会很大。一个有效的方法是采用工作在线性区的MOS管，于是有多种选择，不仅仅可以采用PMOS管Mc1、Mc2，Mc1、Mc2也可以是NMOS管或者PMOS管和NMOS管并联的形式，虽然NMOS管和PMOS管具有相同的单位结电容，但NMOS管的大信号特性较差，大的输入电流信号会增加电阻值，容易导致NMOS管进入饱和区；通过将NMOS管和PMOS管并联可以消除这种影响，但又使寄生电容加倍，从而增加延迟。因此采用PMOS管Mc1、Mc2是最优选的实施方式。

本发明互阻放大器200不仅仅可以采用三级MOS管反相器，也可以采用单级或者更多级CMOS管反相器。

本发明互阻放大器不仅仅可以应用于数字视盘机(DVD、VCD等)的光学头，而且还可以应用于其他通信系统中，例如医用仪器或科学仪器等。

以上对本发明所提供的互阻放大器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种互阻放大器，用于将电流信号转化成电压信号，其单级放大电路包括：第一晶体管和第二晶体管，该第一、第二晶体管的栅极连接作为输入端用以输入信号，其漏极互相连接，该第一晶体管的源极接地，该第二晶体管的源极与第一电源连接，其特征在于：该单级放大电路还包括：第三晶体管和第四晶体管，该第三晶体管的栅极和该第二、第三和第四晶体管的漏极相连接并作为输出端用以输出信号，该第三、第四晶体管的源极和该第二晶体管的源极连接并连接到该第一电源，该第三晶体管的栅极和源极、第四晶体管的源极与第二晶体管的源极连接，该第三、第四晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接作为输出端用以输出信号，该第四晶体管的栅极接地，当与该互阻放大器连接的光电二极管将光信号转化成电流信号输入至该互阻放大器时，该第三、第四晶体管可通过增加第一晶体管的电流来增加光电二极管的光电转换效率，该第一晶体管是NMOS管，该第二、第三和第四晶体管是PMOS管。

2.如权利要求1所述的互阻放大器，其特征在于：该互阻放大器包括一个反馈网络，该反馈网络包括一个第五晶体管，其栅极接地，其源极和漏极分别与输出端和输入端连接，该第五晶体管可以保障该互阻放大器输出电压的稳定性。

3.如权利要求2所述的互阻放大器，其特征在于：该反馈网络还包括第一电容，该第一电容的两端分别与该互阻放大器的输入输出端连接，该第一电容可使该互阻放大器的频率响应平坦化。

4.如权利要求2或3所述的互阻放大器，其特征在于：该反馈网络还包括一个寄生电容补偿模块，该寄生电容补偿模块包括第六晶体管，第七晶体管和第二电容，该第六晶体管的栅极与该互阻放大器的输入端连接，其源极与该互阻放大器的输出端连接，其漏极与第二电容的一端连接；该第七晶体管的栅极与该互阻放大器的输出端连接，其源极接地，其漏极与第二电容的另一端连接，该寄生电容补偿模块可以使该互阻放大器获得足够的相位裕度以保持电路稳定。

5.如权利要求4所述的互阻放大器，其特征在于：该第六晶体管和第七晶体管均为PMOS晶体管。

6.如权利要求5所述的互阻放大器，其特征在于：该第二电容两端连接第二电源。

7.如权利要求1或6所述的互阻放大器，其特征在于：该互阻放大器采用0.6μmCMOS工艺。

8.如权利要求5所述的互阻放大器，其特征在于：该第五晶体管的等效电阻值是12kΩ，第一电容的值为1pf。

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