CN103023444B - 跨阻放大器及其电流转换电压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨阻放大器及其电流转换电压方法，此跨阻放大器包含：一共栅极放大器，以接收来自第一电路节点的第一电流并输出第二节点；及耦接第二节点的负载电路，负载电路包含二极管连接式MOS(金氧半导体场效应晶体管)，此跨阻放大器还包含偏压电路，以输出实质固定电流至第一电路节点。

Description

跨阻放大器及其电流转换电压方法
技术领域
本发明关于一种跨阻放大器及其电流转换电压方法。
背景技术
跨阻放大器(TIA，transimpedanceamplifiers)广泛使用于光通信。跨阻放大器接收电流式输入信号并输出电压式信号。现有的跨阻放大器100如图1所示。跨阻放大器100包含一偏压电路110，其包含电流源111以产生由电路节点101流至电路节点VSS的实质固定电流Ib；一共栅极放大器120，其包含NMOS(shortforn-typemetal-oxidesemiconductorfieldeffecttransistor，N型通道金属氧化半导体场效晶体管)121，其中栅极端耦接偏置电压VB，源极端耦接电路节点101，漏极端耦接电路节点102；以及一负载电路130，其包含耦接于电路节点VDD及电路节点102之间的电阻131。本揭示全文中，VSS表示第一实质固定电位节点，其通常是指接地节点；VDD表示第二实质固定电位节点，其通常是指电源供应节点。电流式输入信号注入于电路节点101，而电压式输出信号产生于电路节点102。输入电流以Ii表示，电阻131的电阻值以R表示。
应注意的是，电流源的输出电流是实质固定的，除非输出电压变化的太快或太多。假设输入电流够小且变化够慢，共栅极放大器120于电路节点102的输出电流Io大约为Ib-Ii，因此输出电压将大约为VDD-(Ib-Ii)·R，说明了跨阻放大器100的小信号增益近似于与R相等。然而，假设输入电流改变太快速，电流源111可能无法维持一固定输出电流。也就是说，跨阻放大器100的增益具有带限性(bandlimited)。为了提高跨阻放大器100的速度，共栅极放大器120必须具有更高的转导值(transconductance)，其需要更高的偏压电流，亦即更大的偏压电流Ib。然而，由于VDD与VSS之间的电压差限制了有限的电压余量(headroom)，偏压电流提高，电阻131的电阻值必须更小。如此将抑制跨阻放大器100具有高增益，因为跨阻放大器100的增益与电阻131的电阻值成正比。总结上述，基于有限的电压余量，跨阻放大器100的增益受到严格限制，因为试图增加跨阻放大器100的速度时，负载电路130占用的电压余量与偏压电流Ib成正比。
有需要提出具有更多电压余量的跨阻放大器，以于增加速度时可提高增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨阻放大器及其电流转换电压方法。
本发明的一实施例提供一种跨阻放大器，包含一共栅极放大器以及一二极管连接式晶体管。共栅极放大器接收来自一第一电路节点的第一电流，并输出第二电流至一第二电路节点。二极管连接式晶体管耦接第二电路节点，二极管连接式晶体管的栅极端经由一电阻耦接至二极管连接式晶体管的漏极端。
在一实施例中，二极管连接式晶体管的漏极端耦接至第二电路节点，且二极管连接式晶体管的源极端耦接至一实质固定电位节点。
在一实施例中，二极管连接式晶体管的源极端耦接至第二电路节点，且二极管式金氧半导体场效应晶体管的漏极端耦接至一实质固定电位节点。
在一实施例中，跨阻放大器更包含一偏压电路，输出一实质固定电流至第一电路节点，其中一电流式输入注入于第一电路节点。于此，偏压电路可为一电流源。
在一实施例中，跨阻放大器更包含一偏压电路以及一电流镜。偏压电路输出一实质固定电流至一第三电路节点，其中一电流式输入注入于第三电路节点。电流镜接收来自于第三电路节点的一第三电流，并输出第一电流至第一电路节点。
在一些实施例中，电流镜可包含一第一晶体管以及一第二晶体管，其中第一晶体管及第二晶体管具有相同宽长比，以致于第一电流与第三电流实质相等。
在一些实施例中，电流镜可包含一第一晶体管以及一第二晶体管，跨阻放大器的增益与第一晶体管的宽长比及第二晶体管的宽长比相对应。
本发明的一实施例另提供一种跨阻放大器电流转换电压方法，包含：接收来自一第一电路节点的一第一电流；利用一共栅极放大器，放大该第一电流而输出一第二电流至一第二电路节点；以及利用耦接于该第二电路节点的一负载电路，转换该第二电流为在该第二电路节点的一电压式输出，该负载电路包含一二极管式金氧半导体场效应晶体管，其中该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一栅极端经由一电阻耦接至该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一漏极端。
在一实施例中，二极管式金氧半导体场效应晶体管的漏极端耦接第二电路节点，且二极管式金氧半导体场效应晶体管的源极端耦接一实质固定电位节点。
在一实施例中，二极管式金氧半导体场效应晶体管的源极端耦接第二电路节点，且二极管式金氧半导体场效应晶体管的漏极端耦接一实质固定电位节点。
在一实施例中，跨阻放大器电流转换电压方法更包含：注入一电流式输入于第一电路节点；以及利用一电流源产生一实质固定电流至第一电路节点。
在一实施例中，跨阻放大器电流转换电压方法更包含：注入一电流式输入于一第三电路节点；利用一电流源产生一实质固定电流至第三电路节点；以及利用一电流镜转换来自第三电路节点的一第三电流为第一电流。
在一实施例中，电流镜包含二极管连接式结构的第一金氧半导体场效应晶体管，以转换第三电流为一电压信号；以及共源极放大器结构的第二金氧半导体场效应晶体管，以转换电压信号为第一电流。
在一实施例中，跨阻放大器电流转换电压方法更包含：通过调整第二金氧半导体场效应晶体管的宽长比相对于第一金氧半导体场效应晶体管的宽长比间的比率，以调整电流镜的增益。
本发明提出具有更多电压余量的跨阻放大器及电流转换电压的方法，以于增加跨阻放大器速度时可提高增益。
附图说明
图1为现有的跨阻放大器。
图2A为根据本发明一实施例的跨阻放大器。
图2B为图2A的跨阻放大器的变形。
图3为另一实施例的跨阻放大器。
其中，附图标记说明如下：
100跨阻放大器；
101电路节点；
102电路节点；
110偏压电路；
111电流源；
120共栅极放大器；
121NMOS；
130负载电路；
131电阻；
200A跨阻放大器；
201第一电路节点；
202第二电路节点；
210偏压电路；
220共栅极放大器；
221NMOS；
230A负载电路；
230B负载电路；
231APMOS；
231BNMOS；
232电阻；
300跨阻放大器；
301第一电路节点；
302第二电路节点；
303第三电路节点；
310偏压电路；
311电流源；
320共栅极放大器；
321NMOS；
330负载电路；
331PMOS；
332电阻；
340电流镜；
341第一NMOS；
342第二NMOS；
VB偏压节点(偏置电压)；
VDD电源供应节点(第二实质固定电位节点)；
VSS接地节点(第一实质固定电位节点)；
I1第一电流；
I2第二电流；
I3第三电流；
Ib实质固定电流(偏压电流)；
Ii输入电流；
Io输出电流。
具体实施方式
以下举出不同实施例以详细说明本发明的内容，并以图式作为辅助说明。本发明的实施例已详细描述而足以供普通技术人员实施该些或其他实施例。不同的实施例之间并非必然彼此独立，一些实施例可以与一个或更多的其他实施例结合而成为新的实施例。因此，以下详细说明并非用以限制本发明。
图2A为根据本发明一实施例的跨阻放大器200A。跨阻放大器200A于第一电路节点201接收的一电流式输入，并于第二电路节点202输出一电压式输出。跨阻放大器200A包含共栅极放大器220。一实施例，该共栅极放大器220包括一NMOS(N型通道金属氧化半导体场效晶体管)221用以接收来自第一电路节点201的第一电流I1并输出第二电流I2至第二电路节点202，其中NMOS221的栅极端耦接偏压节点VB(或称偏置电压VB)，NMOS221的源极端耦接第一电路节点201，NMOS221的漏极端耦接第二电路节点202；跨阻放大器200A并包含一负载电路230A，其具有二极管连接式结构的PMOS(P型通道金属氧化半导体场效晶体管)231A，以接收第二电流I2并于第二电路节点202输出输出电压，其中PMOS231A的源极端耦接电源供应节点VDD(或称第二实质固定电位节点VDD)，PMOS231A的漏极端耦接第二电路节点202，PMOS231A的栅极端经由电阻232耦接PMOS231A的漏极端。跨阻放大器200A还包含偏压电路210，其包含电流源211，以产生由第一电路节点201流至接地节点VSS(或称第一实质固定电位节点VSS)的实质固定电流Ib。传统的二极管连接式PMOS的漏极端直接连接栅极端。然而，在跨阻放大器200A中，以电阻232耦接PMOS231A的漏极端与栅极端。使用电阻232的用意在于隔离PMOS231A的漏极端与栅极端，以减少于第二电路节点202的电容性负载。如果漏极端并非以电阻232隔离而是直接连接至栅极端，于PMOS231A的栅极端的寄生电容将造成大量的电容性负载于第二电路节点202，并降低电路速度。
提升跨阻放大器200A的速度可增加偏压电流Ib(或称实质固定电流Ib)。不像图1的跨阻放大器100的负载电路130包含电阻，且负载电路130占用的电压余量与偏压电流成比例；在图2A的跨阻放大器200A中，负载电路230A包含二极管连接式PMOS，当偏压电流增加时，归功于二极管连接式结构的性质，负载电路230A占用的电压余量仅适度地增加。因此，跨阻放大器200A的速度可免于牺牲太多增益而获得提升。另一个实施例的跨阻放大器200B如图2B所示，负载电路230A以另一负载电路230B取代，负载电路230B包含二极管连接式结构的NMOS231B，在此，NMOS231B的漏极端耦接电源供应节点VDD，NMOS231B的源极端耦接第二电路节点202，NMOS231B的栅极端经由电阻232耦接NMOS231B的漏极端。
图3所示为另一实施例的跨阻放大器300。跨阻放大器300包含：共栅极放大器320，其具有NMOS321以接收来自第一电路节点301的第一电流I1并输出第二电流I2至第二电路节点302，其中NMOS221的栅极端耦接偏压节点VB，NMOS321的源极端耦接第一电路节点301，NMOS321的漏极端耦接第二电路节点302；跨阻放大器300并包含负载电路330，其具有二极管连接式结构的PMOS331，以接收第二电流I2并于第二电路节点302输出输出电压，其中PMOS331的源极端耦接电源供应节点VDD，PMOS331的漏极端耦接第二电路节点302，PMOS331的栅极端经由电阻332耦接PMOS331的漏极端。跨阻放大器300还包含偏压电路310，其包含电流源311，以产生由电源供应节点VDD流至第三电路节点303的实质固定电流Ib(或称偏压电流Ib)；跨阻放大器300并包含电流镜340，以接收来自第三电路节点303的第三电流I3，并输出第一电流I1至第一电路节点301。电流镜340包含二极管连接式结构的第一NMOS341，以转换第三电流为电压信号，并包含共源极放大器结构的第二NMOS342，以转换电压信号为第一电流。电流镜的原理为本领域之普通技术人员所熟知，于此不再重复赘述。电流式输入Ii注入于第三电路节点303。若第一NMOS341的规格与第二NMOS342的规格一致，则第一电流I1将与第三电流I3大致相同，其实质上等同于Ib+Ii。于此情形下，跨阻放大器300的功能等同于跨阻放大器200A，除了电流式输入Ii的极性相反之外，因使用电流镜的缘故。
因使用电流镜，图3的跨阻放大器300相较于图2A的跨阻放大器200A的优点是跨阻放大器的增益的适应性更高，因为电流镜的增益可通过适当地选择宽长比(width-to-lengthratio，W/L)不同于第一NMOS341的宽长比的第二NMOS342来调整。例如，若第二NMOS342的长度与第一NMOS341的长度相同，但宽度为二倍，则第二NMOS342的宽长比为第一NMOS341的宽长比的二倍，因此第一电流I1将大致为第三电流I3的二倍。于此情况下，可实现二倍的电流增益，且跨阻放大器的总增益为二倍，因使用电流镜的缘故。在另一个未示于图中的实施例中，负载电路330以另一包含二极管连接式结构的NMOS的负载电路来取代，在此NMOS的漏极端耦接于电源供应节点VDD，NMOS的漏极端耦接第二电路节点302，NMOS的栅极端经由电阻耦接NMOS的漏极端。
在图2A的跨阻放大器200A、图2B的跨阻放大器200B及图3的跨阻放大器300的实施例中，使用MOS晶体管。在这些实施例中，合适的话，NMOS可以NPNBJT(NPN型双结型晶体管)取代，或者PMOS可以PNPBJT(PNP型双结型晶体管)取代。共基极BJT放大器可取代共栅极MOS，因其功能相似。且，共射极BJT放大器可取代共源极MOS，因其功能相似。同样地，二极管连接式PNPBJT可取代二极管连接式PMOS，二极管连接式NPNBJT可取代二极管连接式NMOS。
电流源的具体实施方式为本领域普通技术人员所熟知，于此不再重复赘述。
虽然具体实施例已图示并说明如上，本领域的普通技术人员可作任何的调整来实现相同目的而替代所示的具体实施例。本发明包含了在此所讨论的实施例的更动及润饰。所述的实施例之间可彼此替换和/或结合。可以理解的是，上面的描述是为了说明而非限制本发明，于此所用的用语或术语也是为了说明的目的。

Claims (11)

1.一种跨阻放大器，包含：
一共栅极放大器，接收来自一第一电路节点的一第一电流，并输出一第二电流至一第二电路节点；
一二极管连接式晶体管，耦接该第二电路节点，该二极管连接式晶体管的一栅极端经由一电阻耦接至该二极管连接式晶体管的一漏极端；
一偏压电路，输出一实质固定电流至一第三电路节点，其中一电流式输入注入于该第三电路节点；以及
一电流镜，接收来自于该第三电路节点的一第三电流，并输出该第一电流至该第一电路节点。
2.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中该二极管连接式晶体管的该漏极端耦接至该第二电路节点，且该二极管连接式晶体管的一源极端耦接至一实质固定电位节点。
3.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中该二极管连接式晶体管的一源极端耦接至该第二电路节点，且该二极管式金氧半导体场效应晶体管的该漏极端耦接至一实质固定电位节点。
4.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中该偏压电路为一电流源。
5.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中该电流镜包含一第一晶体管以及一第二晶体管，其中该第一晶体管及该第二晶体管具有相同宽长比，以致于该第一电流与该第三电流实质相等。
6.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中该电流镜包含一第一晶体管以及一第二晶体管，该跨阻放大器的增益与该第一晶体管的宽长比及该第二晶体管的宽长比相对应。
7.一种跨阻放大器电流转换电压方法，包含：
接收来自一第一电路节点的一第一电流；
利用一共栅极放大器，放大该第一电流而输出一第二电流至一第二电路节点；
利用耦接于该第二电路节点的一负载电路，转换该第二电流为在该第二电路节点的一电压式输出，该负载电路包含一二极管式金氧半导体场效应晶体管，其中该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一栅极端经由一电阻耦接至该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一漏极端；
注入一电流式输入于一第三电路节点；
利用一电流源产生一实质固定电流至该第三电路节点；以及
利用一电流镜转换来自该第三电路节点的一第三电流为该第一电流。
8.如权利要求7所述的跨阻放大器电流转换电压方法，其中该二极管式金氧半导体场效应晶体管的该漏极端耦接该第二电路节点，且该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一源极端耦接一实质固定电位节点。
9.如权利要求7所述的跨阻放大器电流转换电压方法，其中该二极管式金氧半导体场效应晶体管的一源极端耦接该第二电路节点，且该二极管式金氧半导体场效应晶体管的该漏极端耦接一实质固定电位节点。
10.如权利要求7所述的跨阻放大器电流转换电压方法，其中该电流镜包含：
二极管连接式结构的一第一金氧半导体场效应晶体管，以转换该第三电流为一电压信号；以及
共源极放大器结构的一第二金氧半导体场效应晶体管，以转换该电压信号为该第一电流。
11.如权利要求10所述的跨阻放大器电流转换电压方法，更包含通过调整该第二金氧半导体场效应晶体管的宽长比相对于该第一金氧半导体场效应晶体管的宽长比间的比率，以调整该电流镜的增益。
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