CN101573867A - 具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器 - Google Patents

具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器 Download PDF

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Abstract

提供了一种具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器。根据所述限幅放大器，通过将反馈电阻器连接到放大器级来增加最大增益，并且通过将具有源极跟随器结构的晶体管连接到放大器级并减少米勒效应来改善带宽特性。因此，可能获得作为限幅放大器的独特特性的统一增益。此外，可能获得宽带宽连同改善的增益特性。

Description

具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器
技术领域
本发明涉及一种具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器，且更具体地，涉及一种用于光学接收机的限幅放大器，其中反馈电阻器和具有源极跟随器结构(source follower structure)的晶体管被连接到放大器级，并因此可以改善增益特性和带宽特性二者。
这项工作受信息和通信部/信息技术推进研究院的IT R & D规划[2005-S-110-02，“InGaAs photo-receiver using 3-dim range/image signalprocessing IC”]支持。
背景技术
因特网和移动通信服务已经使人们能够在任何时间和任何地点接收各种多媒体服务，并且因此有线/无线通信网络的数据业务正不断地且迅速地增加。
随着数据业务的不断增加，通信服务提供者正在使用高容量传送系统来构建通信网络。具体地，预测了在这样的高容量传送系统中对光学通信系统的需求将进一步增加，并因此对诸如光学发射机/接收机之类的光学通信组件的需求也将增加。
图1A示意性图示了光学通信系统的光学接收机的构成。
如图1A所图示的，传统的光学接收机100概略地包括：其每一个包括子装置的放大器模块110以及时钟和数据恢复(CDR)模块120。在传统的用于10Gb/s或以下的光学接收机中，所述模块通常被集成在一个模块中。
放大器模块110包括：光电二极管(PD)111，用于将光信号转换为电信号；跨阻放大器(TIA)112，用于在将PD 111所转换的电流转换为电压的同时轻微地放大该信号；以及限幅放大器113，用于从TIA 112接收所放大的信号，并对它进行放大以满足下一级中的CDR模块120的输入条件。这里，限幅放大器113一般具有输出具有统一电平的信号的限幅放大功能，而与输入信号的电平无关。
换言之，在放大器模块110中，限幅放大器113用于即使在从PD接收的光功率例如从-30dBm改变到-10dBm时、也将通过PD而光电转换后的电信号放大为具有统一电平的输出信号，从而防止在CDR模块120处发生误差。因此，优选地，将限幅放大器113实现为具有最大增益和宽带宽。
图1B是图1A中示出的限幅放大器113的电路图。所述限幅放大器113包括电流源Is、第一放大器单元A1、第二放大器单元A2和缓冲单元B，其对输入信号Vin进行放大并输出具有统一电平的信号Vout。
如图1B所图示的，第一放大器单元A1可以表示为等效电路，该等效电路包括与电源电压Vdd连接的负载电阻器RD、用于输入信号放大的晶体管M1和M2、以及与晶体管M1和M2的公共源极节点连接的源极电阻器RS。使用图1B的小信号等效电路，输出信号Vout对输入信号Vin的电压增益|Av|可以用接下来的公式1来表示。
[公式1]
Figure A20078004925000051
在公式1中，|Av|指示电压增益，gm指示晶体管M1和M2的跨导，RD指示负载阻抗，和RS指示源极阻抗。
取决于频带ω的公式1的电压增益|Av|图示在图1C中。如图1C所图示的，如图1B所示的电路的极点示出在1/RSCS和(1+gmRS/2)/RSCS处，并且带宽是1/2πRDCL(CL指示从输出侧的角度看的负载电容)。
换言之，传统的限幅放大器不能具有最大增益和宽带宽二者，并因此大多实现为改善电压增益而不是带宽。因此，为了接收大量信息，光学接收机需要具有优良的增益特性和宽带宽的限幅放大器。
发明内容
技术问题
本发明旨在一种具有优良增益特性和宽带宽的限幅放大器。
技术解决方案
本发明的一个方面提供了一种具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器，包括：分配器，用于分配输入电压信号；放大器模块，用于接收并放大所分配的电压信号；和电流源，用于将电流供应到分配器和放大器模块。这里，所述放大器模块包括：第一放大器单元，用于放大从分配器输入的电压信号；第二放大器单元，用于再次放大第一放大器单元的输出；和反馈单元，连接到第二放大器单元的输出端，用于将第二放大器单元的输出反馈到第一放大器单元的输入端，并包括反馈电阻器和具有源极跟随器结构的晶体管。
有利效果
根据本发明，可能获得作为限幅放大器的独特特性的统一增益。此外，可能实现具有宽带宽以及改善的增益特性的限幅放大器。
附图说明
图1A示意性图示了光学通信系统的光学接收机的构成；
图1B是图1A中示出的限幅放大器的电路图；
图1C示出了取决于频带的图1B的限幅放大器的电压增益；
图2是根据本发明示范实施例的限幅放大器的电路图；
图3A和图3B图示了根据本发明示范实施例的、从频率和时间的角度看的限幅放大器的电压增益特性；
图4示出了根据本发明示范实施例的限幅放大器和传统的限幅放大器的电压增益和带宽特性之间的比较；和
图5是根据本发明另一示范实施例的限幅放大器的电路图。
*以上图中的主要符号的描述
210和510：分配器
230和530：放大器模块
Is：电流源
520：输入缓冲器
540：输出缓冲器
具体实施方式
下文中，将详细描述本发明的示范实施例。然而，本发明不限于下面公开的示范实施例，而是可以以各种类型来实现。因此，提供本示范实施例来完整公开本发明，并完全地向本领域的普通技术人员通知本发明的范围。
图2是根据本发明示范实施例的限幅放大器的电路图。
如图2所图示的，根据本发明示范实施例的限幅放大器200概略地包括：分配器SD 210，用于分配输入电压信号；放大器模块L_AMP 230，用于接收并放大所分配的电压信号；和电流源IS，用于将电流供应到分配器SD 210和放大器模块L_AMP 230。
分配器SD 210用于将单个输入电压信号分配为两个电压信号并输出它们，并包括1-1晶体管Ma1、1-2晶体管Mb1和第一至第三负载电阻器RL1、RL2和RL3。
1-1晶体管Ma1和1-2晶体管Mb1的相应栅极电极连接到输入电压端子VIN，漏极电极分别通过第一负载电阻器RL1和第二负载电阻器RL2来连接到电源电压Vdd，并且源极电极共同连接到电流源IS的3-4晶体管Mc4。并且，第三负载电阻器RL3连接在电源电压Vdd和1-2晶体管Mb1的栅极电极之间。Ma1、Mb1和Mc5通过第一至第三负载电阻器RL1、RL2和RL3来供应。三个负载电阻器RL1、RL2和RL3用于去除从PMOS晶体管生成的电容分量。
当从输入电压端子VIN输入电压信号时，该输入电压信号通过分配器SD210的1-1晶体管Ma1和1-2晶体管Mb1来分配，并输出到放大器模块L_AMP 230。这里，输出到放大器模块L_AMP 230的两个电压信号具有相同的电平和相差π。
其间，放大器模块L_AMP 230用于对从分配器SD 210输入的电压信号进行放大。所述放大器模块L_AMP 230包括：第一放大器单元231，用于放大输入电压信号；第二放大器单元233，用于再次放大第一放大器单元231的输出；和反馈单元235，连接到第二放大器单元233的输出端，以便将第二放大器单元233的输出反馈到第一放大器单元231的输入端。现在，将简单描述所述组件的构成和连接。
首先，第一放大器单元231包括2-1晶体管Ma3和2-2晶体管Mb3。2-1晶体管Ma3和2-2晶体管Mb3的栅极电极分别连接到分配器SD 210的输出端，它们的漏极电极分别连接到2-3晶体管Ma2和2-4晶体管Mb2的栅极，并且它们的源极电极共同连接到电流源IS的3-9晶体管Mc9。
第二放大器单元233包括2-3晶体管Ma2和2-4晶体管Mb2。2-3晶体管Ma2和2-4晶体管Mb2的漏极电极分别连接到2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2的栅极，并且它们的源极电极共同连接到电流源IS的3-10晶体管Mc10。
反馈单元235包括：第一反馈电阻器Rf1和第二反馈电阻器Rf2；和2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2，具有其中源极电压和相位与栅极电压和相位相同的源极跟随器结构。在2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2的漏极电极与2-3晶体管Ma3和2-4晶体管Mb3的栅极电极之间，分别连接了反馈电阻器Rf1和Rf2。
其间，放大器模块L_AMP 230还包括用于调整第一放大器单元231和第二放大器单元233的增益的第四负载电阻器RL4和第五负载电阻器RL5。第四负载电阻器RL4和第五负载电阻器RL5分别连接在2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2的栅极电极与电源电压Vdd之间。
本发明的最显著的特性在于：通过将反馈电阻器Rf1和Rf2连接到放大器模块L_AMP 230中的放大器级的一侧并将具有源极跟随器结构的2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2连接到另一侧，来构造限幅放大器，从而改善电压增益特性和带宽特性二者。从这点看，现在将详细描述根据本发明示范实施例的限幅放大器的操作。
首先，由第一放大器单元231和第二放大器单元233所放大的相应电压信号被输入到反馈单元235的2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2，并因此具有源极跟随器结构的2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2将输入电压信号按照现在的样子输出到反馈电阻器Rf1和Rf2。
这里，电压增益|Av|可通过接下来的公式2来表示。
[公式2]
| Av | = g m 3 R L ( 1 / g ms + R f ) 2 ( 1 / g m 2 + R L ) = g m 3 R j
在公式2中，|Av|指示电压增益，gm2指示2-3晶体管Ma2和2-4晶体管Mb2的跨导，gm3指示2-1晶体管Ma3和2-2晶体管Mb3的跨导，gms指示2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2的跨导，RL指示源极阻抗，以及Rf指示反馈阻抗。
如从公式2可以看出的，放大器模块L_AMP 230的电压增益与2-1晶体管Ma3和2-2晶体管Mb3的跨导gm3以及反馈阻抗Rf成正比，并因此可以使用具有大阻抗值的反馈电阻器来增加最大增益。
然而，当以这个方式而使用反馈电阻器来改善最大增益时，通过由反馈电阻器Rf1和Rf2导致的米勒效应改善了增益特性，但是减少了带宽。
为了解决这个问题，本发明使用具有源极跟随器结构的2-5晶体管MS1和2-6晶体管MS2来减少由反馈电阻器Rf1和Rf2导致的米勒效应，从而扩大了带宽。结果，可能实现具有改善的带宽特征连同改善的电压增益特性的限幅放大器。
图3A和图3B图示了根据本发明示范实施例的、从频率和时间的角度看的限幅放大器的电压增益特性。
如图3A中图示的，在根据本发明示范实施例的限幅放大器中，极点位于1/Rs(Cs+Cms3)和(1+gmRs/2)/RS(CaS+Cms3)处，从而极点的值在频域中增加。这样，根据本发明示范实施例的限幅放大器具有比传统限幅放大器更大的带宽。此外，从图3B可以看出，根据本发明示范实施例的限幅放大器一直输出具有统一电平的电压信号，而与输入电压信号无关。
图4示出了根据本发明示范实施例的限幅放大器和传统的限幅放大器的电压增益和带宽特性之间的比较。如图4所图示的，与传统的限幅放大器相比，根据本发明示范实施例的限幅放大器可以具有更大的带宽以及更高的电压增益。
图5是根据本发明另一示范实施例的限幅放大器的电路图，它还包括：输入缓冲器D_IN，用于调整输入到放大器模块L_AMP 530的输入信号的电平；和输出缓冲器D_OUT，用于调整从放大器模块L_AMP 530输出的输出信号的电平，并改善回波损耗特性。根据本发明另一示范实施例的限幅放大器以与图2中所示的限幅放大器相同的方式进行操作，并因此将不重复其详细描述。
如上所述，根据本发明示范实施例的限幅放大器使用与放大器级连接的反馈电阻器和源极跟随器结构的晶体管，而可以具有优良的增益特性和宽带宽。
尽管已经参考本发明的特定示范实施例而示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种具有改善的增益和带宽特性的限幅放大器，包括：
分配器，用于分配输入电压信号；
放大器模块，用于接收并放大所分配的电压信号；和
电流源，用于将电流供应到分配器和放大器模块，
其中所述放大器模块包括：
第一放大器单元，用于放大从分配器输入的电压信号；
第二放大器单元，用于再次放大第一放大器单元的输出；和
反馈单元，连接到第二放大器单元的输出端，用于将第二放大器单元的输出反馈到第一放大器单元的输入端，并包括反馈电阻器和具有源极跟随器结构的晶体管。
2.根据权利要求1的限幅放大器，其中所述分配器包括1-1和1-2晶体管，所述1-1和1-2晶体管的相应栅极电极连接到输入电压端子，它们的相应漏极电极连接到电源电压，并且它们的源极电极共同连接到电流源。
3.根据权利要求2的限幅放大器，其中所述分配器还包括用于去除从1-1和1-2晶体管生成的电容分量的第一至第三负载电阻器，第一负载电阻器连接在电源电压和1-1晶体管的漏极电极之间，第二负载电阻器连接在电源电压和1-2晶体管的漏极电极之间，并且第三负载电阻器连接在电源电压和1-2晶体管的栅极电极之间。
4.根据权利要求1的限幅放大器，其中所述第一放大器单元包括2-1和2-2晶体管，并且所述第二放大器单元包括2-3和2-4晶体管。
5.根据权利要求1的限幅放大器，其中所述反馈单元包括第一反馈电阻器和第二反馈电阻器、以及具有源极跟随器结构的2-5和2-6晶体管。
6.根据权利要求4的限幅放大器，其中所述第一放大器单元中的2-1和2-2晶体管的栅极电极分别连接到分配器的输出端，其漏极电极分别连接到所述第二放大器单元中的2-3和2-4晶体管的栅极，并且其源极电极共同连接到电流源。
7.根据权利要求4的限幅放大器，其中所述第二放大器单元中的2-3和2-4晶体管的漏极电极分别连接到2-5和2-6晶体管的栅极，并且其源极电极共同连接到电流源。
8.根据权利要求5的限幅放大器，其中所述第二放大器单元中的2-3和2-4晶体管的漏极电极分别连接到2-5和2-6晶体管的栅极，并且其源极电极共同连接到电流源。
9.根据权利要求1的限幅放大器，其中，所述放大器模块还包括用于调整第一放大器单元和第二放大器单元的增益的第四负载电阻器和第五负载电阻器，并且第四负载电阻器和第五负载电阻器分别连接在反馈单元中的2-5和2-6晶体管的栅极电极与电源电压之间。
10.根据权利要求5的限幅放大器，其中，所述放大器模块还包括用于调整第一放大器单元和第二放大器单元的增益的第四负载电阻器和第五负载电阻器，并且第四负载电阻器和第五负载电阻器分别连接在反馈单元中的2-5和2-6晶体管的栅极电极与电源电压之间。
11.根据权利要求1的限幅放大器，其中所述放大器模块的最大电压增益随着反馈电阻器的阻抗值的增加而增加。
12.根据权利要求1的限幅放大器，其中通过反馈单元中的2-5和2-6晶体管来减少由于反馈电阻器导致的米勒效应。
13.根据权利要求5的限幅放大器，其中通过反馈单元中的2-5和2-6晶体管来减少由于反馈电阻器导致的米勒效应。
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