CN102497169B - 增益自校正电路及带有该增益自校正电路的光纤跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

增益自校正电路及带有该增益自校正电路的光纤跨阻放大器，属于光通信集成电路设计领域，本发明为解决传统跨阻放大器因阈值电压的变化影响其跨阻增益的问题。本发明所述增益自校正电路对跨阻放大器的增益进行检测，根据检测结果调整形成跨阻增益的工作在线性区的MOS晶体管的栅极电压，令其栅源电压随着阈值电压变化而变化，达到降低晶体管导通电阻随加工工艺阈值电压变化的目的。带有上述增益自校正电路的光纤跨阻放大器，它包括单端放大器A和第一晶体管M1，它还包括第二晶体管M2和增益自校正电路，第二晶体管M2并联在单端放大器A的输入端与输出端之间，第二晶体管M2的栅极电压由增益自校正电路输出的增益校正电压VS控制。

Description

增益自校正电路及带有该增益自校正电路的光纤跨阻放大器

技术领域

本发明涉及一种用于光纤跨阻放大器的增益自校正技术，以降低其性能随工艺参数变化的敏感度，提高该跨阻放大器批量生产的成品率，属于光通信集成电路设计领域。

背景技术

光纤通信是以光为信息载体，光纤作为传输媒介的一种通信传输方式，具有带宽高、损耗低、受外界电磁干扰小等优点，已经成为了网络通信的主要形式。光纤通信主要由光网络、光电转换器件以及光通信集成电路等组成，其中光通信集成电路是连接光网络与用户终端之间的接口，是光纤通信网络发展的瓶颈。

光收发模块是光纤接入网的核心器件，主要包括接收模块和发射模块两部分组成。其中发射模块主要由激光驱动电路和激光二极管(LD)两部分组成，激光二极管将用户发出的电信号转变成光信号发射出去，驱动电路为激光二极管提供驱动电流以确定输出功率和速度。接收模块主要由光电二极管（PD）、跨阻放大器和限幅放大器等几部分组成，光电二极管接收网络传输的光信号并将之转换成电流信号，跨阻放大器将这个电流信号放大为电压信号，然后限幅放大器对跨阻放大器的输出信号进一步放大，变成满足用户幅度要求的数字信号。跨阻放大器是光纤通信系统模拟接收前端的核心电路，其噪声大小直接决定了接收模块的灵敏度，带宽直接决定了接收模块的信号传输速率，跨阻放大器的最大和最小输入输入信号决定了接收模块的动态范围。

跨阻放大器和光电二极管工作基本原理如图1所示，其中光电二极管接收网络传输的光信号，并将这个光信号转变成与之对应的电流信号I_IN输入到跨阻放大器。图1中的C_D是光电二极管的等效寄生电容，虚线框中部分是跨阻放大器。跨阻放大器由放大器A、反馈电阻R_F和晶体管M1共同构成。晶体管M1的栅极电压由AGC电路提供，AGC为Automatic Gain Control的简写，中文含义是自动增益控制。AGC电路的输出电压与输入电流信号I_IN的幅度相关，当输入电流信号I_IN较小时，AGC电路的输出电压为低电平，晶体管M1不导通，跨阻放大器的反馈电阻只有R_F，此时跨阻放大器的增益最大，输入噪声最小，具有较高的灵敏度。

随着输入电流信号I_IN的增强，AGC电路的输出电压逐渐升高直到升至使晶体管M1导通的触发电压，晶体管M1导通并工作在线形区，晶体管M1的导通电阻作为第二反馈电阻并联在R_F两端，降低跨阻放大器的总反馈电阻，通过降低增益来扩展输入信号的动态范围。研究结果表明，当晶体管M1开启以前，跨阻放大器的增益、带宽和输入噪声都与反馈电阻R_F直接相关，式（1）给出了该跨阻放大器的增益表达式，式（2）给出了该跨阻放大器的带宽表达式，式（3）给出了该跨阻放大器的输入噪声电流表达式即

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{I_{\mathrm{IN}}}=-\frac{A}{A+1}\frac{R_F}{1+R_F{C}_{D}s}\≈R_F---\left(1\right)$

$f_{-3\mathrm{dB}}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{A}{R_F{C}_D}---\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{{I^2}_{n,\mathrm{IN}}}=\frac{4\mathrm{KT}}{R_F}+\frac{\stackrel{\‾}{{V^2}_{n,A}}}{{R^2}_F}---\left(3\right)$

式（3）中，K=1.38×10^-23J/K是波尔兹曼常数，T为绝对温度，是放大器A的等效输入噪声。从式（1）～（3）可以看出，增大反馈电阻R_F有利于提高跨阻增益、降低输入噪声但是也会降低其通频带。在目前广泛应用的155M跨阻放大器中，其反馈电阻R_F一般为上百千欧姆。在实际应用的光纤跨阻放大器集成电路中，其反馈电阻R_F一般不会采用线形电阻来实现。这是因为线性电阻消耗的芯片面积较大，会显著增加芯片的成本，而且其较大的寄生电容也会降低系统的带宽。因此，用于155M光纤通信跨阻放大器的反馈电阻R_F一般采用工作于线形区的MOS晶体管来实现，如图2所示，晶体管M2的导通电阻（跨阻R_{F_M2}）作为光纤跨阻放大器的反馈电阻。其中，VC为晶体管M2提供栅极电压，一般情况下VC是一个固定的具有较高电平的直流电压（多数为跨阻放大器的电源电压），且此时流过跨阻R_{F_M2}的电流很小，因此该晶体管的栅源电压与阈值电压的差值远大于漏源电压，确保晶体管M2稳定的工作在线性区，因此所述晶体管M2的跨阻R_{F_M2}表示为：

$R_{F\_M2}=\frac{L}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}W(V_{\mathrm{GS}\_M2}-V_{\mathrm{TH}})}---\left(4\right)$

这里μ_n是电子迁移率，C_OX是单位面积栅氧化层电容，W是晶体管M2的宽度，L是晶体管M2的长度，V_{GS_M2}是晶体管M2的栅源电压，V_TH是晶体管M2的阈值电压。晶体管M2的栅源电压V_{GS_M2}表示为：

V_{GS_M2}=VC-V_OUT     （5）

式（5）中，VC为固定的电平，V_OUT为输入电流很小时放大器A的输出电压，两者均不受加工过程阈值电压变化的影响。工作在线性区的MOS晶体管作为反馈电阻可以用较小的芯片面积实现较大的反馈电阻，而且其寄生电容也会比较小。但是，对于任何CMOS工艺，其晶体管阈值电压在不同生产批次的芯片之间、同一生产批次的不同圆片之间以及同一圆片上处于不同区域的芯片之间都可能有较大差距。阈值电压的变化会直接反映在光纤跨阻放大器的跨阻增益上，进而影响到接收模块的误码率和带宽，导致批量生产时产品的成品率下降，提高芯片的生产成本。

发明内容

本发明目的是为了解决传统跨阻放大器因阈值电压的变化影响其跨阻增益，进而影响到接收模块的误码率和带宽，导致批量生产时产品的成品率下降，提高芯片的生产成本的问题，提供了一种增益自校正电路及带有该增益自校正电路的光纤跨阻放大器。

本发明所述增益自校正电路包括第一PMOS晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3、误差放大器A_E、复制放大器A_D、第一NMOS晶体管MN1、参考电流源I_REF、复制电阻R_{F_D}、参考电阻R_FEF、滤波电阻RFILT和滤波电容CFILT；

第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2的源极和第三PMOS晶体管MP3的源极都连接电源VDD；第一PMOS晶体管MP1的栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极和第三PMOS晶体管MP3的栅极连接在一起，且都与第一PMOS晶体管MP1的漏极连接；

第一PMOS晶体管MP1的漏极连接参考电流源I_REF的正端，参考电流源I_REF的负端连接地线GND；

第二PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A_E的反相输入端和参考电阻R_FEF的一端；参考电阻R_FEF的另一端连接复制放大器A_D的输出端；

第三PMOS晶体管MP3的漏极同时连接误差放大器A_E的同相输入端和第一NMOS晶体管MN1的漏极，第一NMOS晶体管MN1的栅极连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，第一NMOS晶体管MN1的源极连接复制放大器A_D的输出端；

误差放大器A_E的输出端连接滤波电阻R_FILT的一端，滤波电阻R_FILT的另一端连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，滤波电阻R_FILT的另一端还与滤波电容C_FILT的一端相连，滤波电容C_FILT的另一端接地线GND；

复制放大器A_D的输入端和输出端之间并联复制电阻R_{F_D}。

带有上述增益自校正电路的光纤跨阻放大器，它包括单端放大器A和第二NMOS晶体管M1，它还包括第三NMOS晶体管M2和增益自校正电路，

单端放大器A的输入端接收光电二极管转换的光电流信号I_IN，单端放大器A的输出端输出放大的电压信号V_OUT；

第二NMOS晶体管M1并联在单端放大器A的输入端与输出端之间，第二NMOS晶体管M1的栅极由自动增益电路的输出电平AGC控制；

第三NMOS晶体管M2并联在单端放大器A的输入端与输出端之间，第三NMOS晶体管M2的栅极电压由增益自校正电路输出的增益校正电压VS控制。

所述增益自校正电路中的复制放大器A_D是根据光纤跨阻放大器中的单端放大器A复制获得，所述复制放大器A_D与单端放大器A的尺寸相同，并且复制放大器A_D的输出电压V_{D_OUT}与单端放大器A的输出电压V_OUT相等。

所述增益自校正电路中的第一NMOS晶体管MN1与光纤跨阻放大器中的第三NMOS晶体管M2尺寸完全相同，并且第一NMOS晶体管MN1的导通电阻R_{ON_MN1}与第三NMOS晶体管M2的导通电阻R_{F_M2}相等。

本发明的优点：本发明设计了片上的自动检测电路对跨阻放大器的增益进行检测，根据检测结果调整形成跨阻增益的工作在线性区的MOS晶体管的栅极电压，令其栅源电压随着阈值电压变化而变化，达到降低晶体管导通电阻随加工工艺阈值电压变化的目的。实现光纤跨阻放大器的增益自校正，以提高批量生产时满足性能指标的产品的成品率。

与传统的光纤跨阻放大器相比，决定微弱信号输入情况下的跨阻大小的晶体管的栅极电压由增益自动校正电路产生，该增益自动校正电路的输出电压会随着加工过程晶体管的阈值电压而发生同相变化，减小加工工艺阈值电压变化对跨阻放大器增益、带宽和噪声等关键因素的影响，提高批量生产时满足性能指标的产品的成品率。

本发明的具体效果已经通过最坏情况下的电路仿真结果验证。加工过程的晶体管阈值电压变化可以在仿真中由工艺角（Process Corner）变化来体现，典型情况下（typical）晶体管的阈值电压为0.7V，其偏差为零。当晶体管导通变快时，所有晶体管的阈值电压都减小，这是工艺角的FF模式，其阈值电压较典型情况下减小20%左右；反之则为SS模式，其阈值电压较典型情况增加20%左右。因此，在未应用增益自校正电路以前跨阻放大器中，形成反馈电阻的工作于线性区的晶体管的栅极电压由固定的电平提供，其导通电阻在工艺角的FF、Typical和SS情况下值分别为110K欧姆、148K欧姆和205K欧姆。与典型情况下的跨阻值相比，FF情况下的跨阻减少了19%，而SS情况下跨阻则增大了38.5%。应用了增益自校正电路后，则形成反馈电阻的工作于线性区的晶体管的栅极电压VS由增益自校正电路提供，其值将随着工艺阈值电压变化而同相变化，以降低晶体管阈值电压变化对跨阻增益变化的影响。表1给出了工艺角变化情况下仿真得到的增益自校正电路输出电压VS和跨阻放大器的跨阻增益结果及变化率。从表1可以看出，当工艺晶体管阈值电压变大（工艺角SS情况）时，增益自校正电路的输出电压也会较典型情况下增高120mV左右，而阈值电压增加的幅度则是140mV，因此跨阻增益仍会较典型情况下升高11K欧姆，变化率为+7.4%。在FF情况下，增益自校正电路输出电压将降低125mV,跨阻增益减小8K欧姆，变化率为-5.4%。

表1工艺角变化情况下自校正电路输出电压和跨阻增益及其变化率

附图说明

图1是背景技术中线性电阻作为反馈的跨阻放大器和光电二极管的工作原理框图；

图2是背景技术中传统以晶体管为反馈电阻的跨阻放大器的原理框图；

图3是本发明所述具有增益自校正功能的跨阻放大器的原理框图；

图4是增益自校正电路的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式所述增益自校正电路包括第一PMOS晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3、误差放大器A_E、复制放大器A_D、第一NMOS晶体管MN1、参考电流源I_REF、复制电阻R_{F_D}、参考电阻R_FEF、滤波电阻R_FILT和滤波电容C_FILT；

第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2的源极和第三PMOS晶体管MP3的源极都连接电源VDD；第一PMOS晶体管MP1的栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极和第三PMOS晶体管MP3的栅极连接在一起，且都与第一PMOS晶体管MP1的漏极连接；

第一PMOS晶体管MP1的漏极连接参考电流源I_REF的正端，参考电流源I_REF的负端连接地线GND；

第二PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A_E的反相输入端和参考电阻R_FEF的一端；参考电阻R_FEF的另一端连接复制放大器A_D的输出端；

第三PMOS晶体管MP3的漏极同时连接误差放大器A_E的同相输入端和第一NMOS晶体管MN1的漏极，第一NMOS晶体管MN1的栅极连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，第一NMOS晶体管MN1的源极连接复制放大器A_D的输出端；

误差放大器A_E的输出端连接滤波电阻R_FILT的一端，滤波电阻R_FILT的另一端连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，滤波电阻R_FILT的另一端还与滤波电容C_FILT的一端相连，滤波电容C_FILT的另一端接地线GND；

复制放大器A_D的输入端和输出端之间并联复制电阻R_{F_D}。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，滤波电阻R_FILT选用线性电阻或工作于线性区的MOS晶体管，滤波电容C_FILT选用线性电容或MOS电容。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，带有如实施方式一所述增益自校正电路的光纤跨阻放大器，它包括单端放大器A和第二NMOS晶体管M1，它还包括第三NMOS晶体管M2和增益自校正电路，

单端放大器A的输入端接收光电二极管转换的光电流信号I_IN，单端放大器A的输出端输出放大的电压信号V_OUT；

第二NMOS晶体管M1并联在单端放大器A的输入端与输出端之间，第二NMOS晶体管M1的栅极由自动增益电路的输出电平AGC控制；

第三NMOS晶体管M2并联在单端放大器A的输入端与输出端之间，第三NMOS晶体管M2的栅极电压由增益自校正电路输出的增益校正电压VS控制。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述复制放大器A_D是根据单端放大器A复制获得，所述复制放大器A_D与单端放大器A的尺寸相同，并且复制放大器A_D的输出电压V_{D_OUT}与单端放大器A的输出电压V_OUT相等。

图3增益自校正电路中的放大器A_D与图2中的单端放大器A尺寸完全相同，复制电阻R_{F_D}并联在复制放大器A_D的输入端与输出端之间，确保复制放大器A_D的输出电压V_{D_OUT}与图2中单端放大器A的输出电压V_OUT相等，且复制放大器A_D和单端放大器A随工艺阈值电压的变化趋势也完全相同。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式三作进一步说明，第一NMOS晶体管MN1与第三NMOS晶体管M2尺寸完全相同，并且第一NMOS晶体管MN1的导通电阻R_{ON_MN1}与第三NMOS晶体管M2的导通电阻R_{F_M2}相等。

NMOS晶体管MN1与图2中的第二晶体管M2尺寸完全相同，NMOS晶体管MN1的栅极电压由增益自校正电路输出的增益校正电压VS控制，NMOS晶体管MN1的源极电压V_{D_OUT}与第二晶体管M2的源极电压直流电平V_OUT相等，因此NMOS晶体管MN1的导通电阻R_{ON_MN1}与第二晶体管M2的导通电阻R_{F_M2}相等，等于光纤跨阻放大器的跨阻增益，即

$R_{\mathrm{ON}\_\mathrm{MN}1}=R_{F\_M2}=\frac{L}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}W(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}---\left(6\right)$

其中：

μ_n是电子迁移率，

C_OX是单位面积栅氧化层电容，

W是NMOS晶体管MN1的宽度，

L是第一NMOS晶体管MN1的长度，

V_TH是NMOS晶体管MN1阈值电压，

V_{GS_M2}是NMOS晶体管MN1的栅源电压差，并根据式（7）求得：

V_GS=VS-V_{D_OUT}                    （7）

式（7）中，V_{D_OUT}为复制放大器A_D输出端电压。由于没有直流电流流过复制电阻R_{F_D}，因此其输入端与输出端电压大小基本相等，不受阈值电压变化的影响。

参考电流源I_REF为第一PMOS晶体管MP1提供基准电流，该基准电流经过第二PMOS晶体管MP2镜像得到电流I_REF1，经过第三PMOS晶体管MP3镜像得到电流I_REF2，并经过参考电阻R_FEF和NMOS晶体管MN1转变为两个直流电压VN和VP。其中VN与误差放大器A_E的负端相连，为误差放大器提供基准电压，其值可以表示为

VN=V_{D_OUT}+I_REF1×R'_REF            （8）

式中，I_REF1是流过第二PMOS晶体管MP2的镜像电流，R'_REF是参考电阻R_REF的阻值。

而误差放大器A_E正端电压VP的大小可以根据流过NMOS晶体管MN1的电流和其导通电阻计算出来，即

VP=V_{D_OUT}+I_REF2×R_{ON_MN1}        （9）

式中，I_REF2为流过第三PMOS晶体管MP3的镜像电流，R_{ON_MN1}为NMOS晶体管MN1的导通电阻，

当加工过程晶体管阈值电压减小或者增大时，根据式（6）可以计算得到NMOS晶体管MN1的导通电阻也会发生同相变化，因此误差放大器A_E同相输入端电压VP也会随着NMOS晶体管MN1导通电阻R_{ON_MN1}而发生同相变化。误差放大器A_E将其同相端VP和反相端VN输入电压的差值进行放大，其放大结果经过滤波电阻R_FILT和滤波电容C_FILT滤除交流信号，产生增益校正电压VS，对图3中第二晶体管M2的导通电阻进行动态调整，实现光纤跨阻放大器的增益自校正。

Claims (5)

1.增益自校正电路，其特征在于，所述增益自校正电路包括第一PMOS晶体管（MP1）、第二PMOS晶体管（MP2）、第三PMOS晶体管（MP3）、误差放大器（A_E）、复制放大器（A_D）、第一NMOS晶体管（MN1）、参考电流源（I_REF）、复制电阻（R_{F_D}）、参考电阻（R_FEF）、滤波电阻（R_FILT）和滤波电容（C_FILT）；

第一PMOS晶体管（MP1）的源极、第二PMOS晶体管（MP2）的源极和第三PMOS晶体管（MP3）的源极都连接电源VDD；第一PMOS晶体管（MP1）的栅极、第二PMOS晶体管（MP2）的栅极和第三PMOS晶体管（MP3）的栅极连接在一起，且都与第一PMOS晶体管（MP1）的漏极连接；

第一PMOS晶体管（MP1）的漏极连接参考电流源（I_REF）的正端，参考电流源（I_REF）的负端连接地线GND；

第二PMOS晶体管（MP2）的漏极同时连接误差放大器（A_E）的反相输入端和参考电阻（R_FEF）的一端；参考电阻（R_FEF）的另一端连接复制放大器（A_D）的输出端；

第三PMOS晶体管（MP3）的漏极同时连接误差放大器（A_E）的同相输入端和第一NMOS晶体管（MN1）的漏极，第一NMOS晶体管（MN1）的栅极连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，第一NMOS晶体管（MN1）的源极连接复制放大器（A_D）的输出端；

误差放大器（A_E）的输出端连接滤波电阻（R_FILT）的一端，滤波电阻（R_FILT）的另一端连接增益自校正电路的增益校正电压VS输出端，滤波电阻（R_FILT）的另一端还与滤波电容（C_FILT）的一端相连，滤波电容（C_FILT）的另一端接地线GND；

复制放大器（A_D）的输入端和输出端之间并联复制电阻（R_{F_D}）。

2.根据权利要求1所述的增益自校正电路，其特征在于，滤波电阻（R_FILT）选用线性电阻或工作于线性区的MOS晶体管，滤波电容（C_FILT）选用线性电容或MOS电容。

3.带有如权利要求1所述的增益自校正电路的光纤跨阻放大器，它包括单端放大器（A）和第二NMOS晶体管（M1），其特征在于，它还包括第三NMOS晶体管（M2）和增益自校正电路，

单端放大器（A）的输入端接收光电二极管转换的光电流信号（I_IN），单端放大器（A）的输出端输出放大的电压信号V_OUT；

第二NMOS晶体管（M1）并联在单端放大器（A）的输入端与输出端之间，第二NMOS晶体管（M1）的栅极由自动增益电路的输出电平AGC控制；

第三NMOS晶体管（M2）并联在单端放大器（A）的输入端与输出端之间，第三NMOS晶体管（M2）的栅极电压由增益自校正电路输出的增益校正电压VS控制。

4.根据权利要求3所述的带有增益自校正电路的光纤跨阻放大器，其特征在于，所述复制放大器（A_D）是根据单端放大器（A）复制获得，所述复制放大器（A_D）与单端放大器（A）的尺寸相同，并且复制放大器（A_D）的输出电压V_{D_OUT}与单端放大器（A）的输出电压V_OUT相等。

5.根据权利要求3所述的带有增益自校正电路的光纤跨阻放大器，其特征在于，第一NMOS晶体管（MN1）与第三NMOS晶体管（M2）尺寸完全相同，并且第一NMOS晶体管（MN1）的导通电阻（R_{ON_MN1}）与第三NMOS晶体管（M2）的导通电阻（R_{F_M2}）相等。

Images