CN103746667B - 一种低噪声宽带光纤跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，属于光纤通信接收机系统技术领域，包括输入级，伪输入级，宽带放大单元，宽带输出级，直流消除环路；伪输入级结构与输入级相同，宽带放大单元主要由两个二极管和一个Cherry‑Hooper放大器组成，宽带输出级主要由六个NPN管和两个电阻组成，直流消除环路主要由两个低通滤波器LPF，一个误差放大器ERR_AMP和一个NPN管组成；本发明具有可降低光纤跨阻放大器噪声，提高光纤跨阻放大器带宽，消除前端光电二极管直流成分等诸多优点。

Description

一种低噪声宽带光纤跨阻放大器

技术领域

本发明属于光纤通信接收机系统技术领域，涉及一种低噪声宽带光纤跨阻放大器。

背景技术

随着社会的发展，信息交换量与日俱增。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通信异军突起，发展十分迅速，已成为信息高速公路的主体。这种通信方式以其巨大的可用带宽、传输距离远、极低的传输损耗等优点，已经成为有线信道最主要的传输方式。跨阻放大器位于光纤通信系统接收机的最前端，将光检测器产生的微弱电流信号转换为满足要求的电压信号，其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。首先光纤跨阻放大器的带宽决定了整个光接收机的带宽，且其噪声特性决定了光接收机的灵敏度，决定了光发射机和光接收机之间光纤延伸的最大长度。它的很多指标，诸如噪声、带宽、增益、可靠性等，都直接影响接收机的速度和灵敏度。所以，低噪声宽带光纤跨阻放大器是光纤通信接收机系统设计的关键技术之一。

现有的跨阻放大器主要有两种实现形式，第一种是电流模TIA，电路结构如图1所示，该结构采用电流镜的形式，由于MOS管M1的二极管接法，大大减小了从I_in端看进去的输入阻抗（近似为1/g_m1），从I_out端输出的电流则放大了g_m2:g_m1倍，其输出I_out通过电阻负载则可转化为电压信号。其优点是具有较低的输入阻抗，可以有效地隔离光电二极管的寄生电容；缺点是该技术产生的输入等效噪声电流通常较大，这会严重恶化光接收机的灵敏度。

现有的另一种跨阻放大器的实现形式是采用电阻并联反馈结构来实现较低的输入阻抗，如图2所示，电路采用电阻反馈，低频时的等效输入阻抗近似为R_f/A₀，A₀为图示放大器的开环增益。2007年06月06日公开了一种跨导放大器的发明专利申请，其公开号为CN1977473A，采用的就是电阻并联负反馈这种结构。该结构的优点是结构简单，易于实现；缺点是噪声、增益、带宽等均存在折衷，无法在获得较大带宽的前提下，保证增益、噪声等其它性能参数。

综上所述，跨阻放大器的实现，若采用电流模的结构，虽然可以做到较大的带宽，但噪声性能无法保证；若采用电阻并联反馈结构，为了保证足够的带宽，就必须牺牲一定的噪声性能。因此要做到真正的低噪高带宽，只有设计出新的电路结构。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，采用电容构成反馈通路，有效地降低了输入等效噪声电流；通过同比例地减小电容C₁、C₂可保证在跨阻增益不变的情况下，提高放大器的带宽；二极管D1、D2、D4、D5，以及宽带输出级中Q5、Q6的巧妙使用，保证了电路的稳定性。

本发明提出的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：包括输入级，与该输入级对应的伪输入级，与输入级和伪输入级相连接的宽带放大单元，宽带输出级以及直流消除环路；所述的输入级由NPN管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R₁、R₂，电容C₁、C₂，以及二极管D1、D2、D3组成；所述的伪输入级电路结构与输入级结构完全相同；所述的宽带放大单元由二极管D4、D5和典型的Cherry-Hooper放大器组成；所述的宽带输出级由NPN管Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10，电阻R3、R4组成；所述的直流消除环路由两个相同的低通滤波器LPF，一个误差放大器ERR_AMP和一个NPN管Q11组成。在输入级中，光电流信号I_in输入到Q1的基极，Q1的发射极接GND1，Q1的集电极接Q2的发射极，Q2的基极连接直流偏置Ve，集电极为输入级的输出out1,其一方面通过R₁连接至VDD1，另一方面连接至Q3的基极，Q3的集电极通过电阻R₂连接至VDD1，Q3的发射极连接二极管D3的阳极，D3的阴极又分三条支路，第一条支路通过C₁连接至GND1；第二条支路通过C₂、D1、D2组成的并联网络反馈回输入端I_in，该并联网络的结构为C₂一端连接D1的阴极和D2的阳极，另一端连接D1的阳极和D2的阴极；第三条支路连接至Q4的集电极，Q4的发射极接GND1，基极接偏置电压Vb。在宽带放大单元中，输入级电路的输出out1分别连接D4的阳极、D5的阴极，以及Cherry-Hooper放大器的正输入端；D4的阴极、D5的阳极，以及Cherry-Hooper放大器的负输入端则与伪输入级的输出out2相连。在宽带输出级中，上一级宽带放大单元的正输出端连接Q5的基极，负输出端连接Q6的基极，Q5的集电极与Q6的集电极连接至VDD2，Q5的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q8的基极，Q6的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q9的基极，Q7的基极连接偏置电压Va，发射极连接至GND2，Q8的集电极一方面通过电阻R3连接至VDD2，另一方面构成整体电路的负输出端OUT-，其发射极一方面连接Q10的集电极，另一方面通过LPF组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP的正输入端，Q9的集电极一方面通过电阻R4连接至VDD2，另一方面构成整体电路的正输出端OUT+，其发射极一方面连接至Q10的集电极，另一方面通过LPF组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP的负输入端，Q10的发射极连接至GND2，基极接偏置电压Vc。在直流消除环路中，误差放大器ERR_AMP的输出连接Q11的基极，Q11的发射极接GND2，集电极连接至整体电路的输入端I_in。

本发明的这种改进的光纤跨阻放大器的设计方案与传统的设计方案相比具有以下几个明显的优点：

（1）本发明最重要的是输入级所采用反馈形式由电容实现，与采用电阻反馈技术相比，有效地降低了光纤跨阻放大器的等效输入噪声电流；通过同比例地减小电容C₁、C₂可保证在跨阻增益不变的情况下，提高放大器的带宽。

（2）本发明中输入级与伪输入级构成伪差分结构，可增强电路的抗干扰能力，抑制共模干扰。

（3）本发明中巧妙地使用了二极管D1、D2、D4、D5，保证了整体电路的稳定性。

（4）本发明中输入级与伪输入级共用一组VDD和GND，后续的其它电路共用另一组VDD和GND；起到了衬底隔离的效果，有助于提高放大器的噪声性能。

（5）宽带输出级由两级构成，第一级Q5、Q6起到隔离宽带放大单元与整体电路输出的作用；第二级将Q8、Q9的集电极作为整体电路输出，发射极作为DC消除环路的输入，好处在于既可对电路输出简单放大，又将输出与后面的DC消除环路隔离开，避免跨阻放大器后续负载对其产生干扰。

附图说明

图1为现有的电流模跨阻放大器拓扑结构示意图；

图2为现有的电阻并联反馈跨阻放大器拓扑结构示意图；

图3为本发明的低噪声宽带光纤跨阻放大器拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明提出的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，包括五部分：输入级100，伪输入级200，宽带放大单元300，宽带输出级400和直流消除环路500，各部分的具体电路结构和连接关系说明如下：

输入级100由NPN管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R₁、R₂，电容C₁、C₂，以及二极管D1、D2、D3组成。其连接关系为：光电流信号I_in输入到Q1的基极，Q1的发射极连接至GND1，Q1的集电极接Q2的发射极，Q2的基极连接直流偏置电压Ve，Q2的集电极为输入级100的输出out1,其一方面通过R₁连接至VDD1，另一方面连接至Q3的基极，Q3的集电极通过电阻R₂连接至VDD1，Q3的发射极连接二极管D3的阳极，D3的阴极又分三条支路，第一条支路通过C₁连接至GND1，第二条支路通过C₁、D1、D2的并联网络（该并联网络的结构为C₂一端连接D1的阴极和D2的阳极，另一端连接D1的阳极和D2的阴极）反馈回输入端I_in，第三条支路连接至Q4的集电极，Q4的发射极接GND1，基极连接偏置电压Vb。

伪输入级200电路结构与输入级100结构完全相同，但为了降低功耗，仅改变两项参数：三极管的叉指数和电阻。

宽带放大单元300由二极管D4、D5和典型的Cherry-Hooper放大器3001组成。其连接关系为：输入级电路100的输出out1分别连接D4的阳极、D5的阴极，以及Cherry-Hooper放大器3001的正输入端；D4的阴极、D5的阳极，以及Cherry-Hooper放大器3001的负输入端则与伪输入级200的输出out2相连。

宽带输出级400由NPN管Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10，电阻R3、R4组成。其连接关系为：上一级宽带放大单元300的正输出端连接Q5的基极，负输出端连接Q6的基极，Q5的集电极与Q6的集电极连接至VDD2，Q5的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q8的基极，Q6的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q9的基极，Q7的基极连接偏置电压Va，发射极接GND2，Q8的集电极一方面通过电阻R3连接至VDD2，另一方面构成整体电路的负输出端OUT-，其发射极一方面连接Q10的集电极，另一方面通过LPF5001组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP5002的正输入端，Q9的集电极一方面通过电阻R4连接至VDD2，另一方面构成整体电路的正输出端OUT+，其发射极一方面连接至Q10的集电极，另一方面通过LPF5001组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP5002的负输入端，Q10的发射极连接至GND2，基极接偏置电压Vc。

直流消除环路500由二个相同的低通滤波器LPF5001，一个误差放大器ERR_AMP5002和一个NPN管Q11组成。其连接关系为：误差放大器ERR_AMP5002的输出连接Q11的基极，Q11的发射极接GND2，集电极连接至整体电路的输入端I_in。

输入级100为本电路的关键模块，其通过电容网络构成反馈通路，与传统的电阻并联跨阻放大器相比，电容反馈网络不产生额外的噪声，而电阻并联跨阻放大器中反馈电阻的噪声电流以单位1的增益等效到输入端。输入级100工作原理如下：

当工作频率高于低频截止频率时，电容C₁、C₂导通，假设由三极管Q1、Q2、Q3组成的开环放大器增益A>>1，此时低频时的跨阻增益近似为

R_T=R₂(1+C₁/C₂) （1）

电路的3-dB带宽近似为

f_-3dB=(1+_gm1R₁)_gm2/2πC₁ （2）

其中，g_m1、g_m2分别为三极管Q1、Q2的等效跨导。

则通过同比例地减小电容C₁、C₂可保证在跨阻增益不变的情况下，提高放大器的带宽。

等效输入噪声电流推导如下：

$\frac{I_{\mathrm{in}}}{I_{\mathrm{noise}}}=\frac{V_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{noise}}}/\frac{V_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{in}}}=\frac{(C_1{C}_2+C_1{C}_{\mathrm{in}}+C_2{C}_{\mathrm{in}})s}{C_2{C}_{m1}s+g_{m1}(C_1+C_2)}---\left(3\right)$

其中，C_in=C_PD+C_BE1+C_ESD，C_PD为光电二极管的寄生电容，C_BE1包含了三极管Q1的基区寄生电容和发射结耗尽层电容，C_ESD为输入端ESD保护电路的寄生电容。I_noise包含了从三极管Q1基极等效到集电极和发射极之间的热噪声电流，三极管Q1的冲击噪声和电阻R₁的热噪声电流。C_m1为输入级100中第一级的输出等效电容。g_m1为三极管Q1的等效跨导。s为复频率。

对于宽带应用，输入等效噪声电流可以近似等于：

$\stackrel{\‾}{I_{\mathrm{in}}^2}={\left(\frac{C_1{C}_2+C_1{C}_{\mathrm{in}}+C_2{C}_{\mathrm{in}}}{C_2{C}_{\mathrm{ml}}}\right)}^2\stackrel{\‾}{I_{\mathrm{noise}}^2}{\left(\frac{C_1{C}_2+C_1{C}_{\mathrm{in}}+C_2{C}_{\mathrm{in}}}{C_2{C}_{\mathrm{mk}}}\right)}^2(4\mathrm{kT}{r}_b{g}_{\mathrm{ml}}^2+2q{I}_c+\frac{4\mathrm{kT}}{R_1})---\left(4\right)$

其中，C_in=C_PD+C_BE1+C_ESD，C_m1为输入级100中第一级的输出等效电容，g_m1为三极管Q1的等效跨导，r_b为Q1的基极电阻，I_C为Q1集电极电流，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为单位电子电荷。

它的基本结构和基本原理如前所述，这里主要就设计中需要注意的一些关键技术细节作进一步的说明。

①g_m2受到电路总功耗的限制，则电容C₁可通过等式（2）计算出来；

②R₂受到电源电压的限制，电容C₂则可通过等式（1）中电路跨阻增益R_T计算出来；

③从等效输入噪声电流公式（4）可以看出：在电压裕度允许的条件下，电阻R₁的阻值应取大一些。在保证足够3-dB带宽（式2）的条件下，通过减小输入管Q1的尺寸，减小g_m1和C_BE1；通过合理的偏置，减小I_C。从而实现最小的等效输入噪声电流。

另外，由于二极管具有单向导通，且小于其导通电压时，其不导通，相当于断开，大于其导通电压时，瞬间导通，且导通压降为一固定数值，因此当输入光电流信号I_in所携带的直流成分较高，直流消除环路无法完全消除时，输入信号通过二极管D1直接导通，直流成分将通过Q4直接泄放。当输入级100的输出信号幅度过大，输出信号与输入端也直接通过二极管D2导通，起到一个负反馈的作用，保护了后级电路，保证了电路的整体可靠性。

伪输入级200电路结构与输入级100完全相同，仅改变两项参数，即其相应三极管的叉指数按1：2的比例减小，相应电阻按2：1的比例增大，这样可以有效地降低电路功耗，而不影响其在后续电路中所起的作用。其工作原理为：因其电路结构与输入级100完全相同，但无输入信号，因此可为电路提供一个参考电压V_ref，也可为后级的Cherry-Hooper放大器3001的负输入端提供一个与输入级100输出信号相同的直流电平，实现电路最终的单转差。

宽带放大单元300的工作原理为：当Cherry-Hooper放大器3001的差分输入摆幅过大时，其局部负反馈作用消失，无法再提供低阻节点，即无法再起到宽带放大器的作用；因此当输入级100输出信号摆幅过大时，二极管D4导通，将信号减弱，避免过大的信号对后级电路造成影响，提高了电路的整体可靠性；二极管D5的作用同理。而Cherry-Hooper放大器3001的电路结构与工作原理与传统的Cherry-Hooper放大器相同。

宽带输出级400由两级构成，第一级Q5、Q6起到隔离宽带放大单元300与整体电路输出的作用；第二级将Q8、Q9的集电极作为整体电路输出，发射极作为直流消除环路500的输入，好处在于既可对电路输出简单放大，又将输出与后面的直流消除环路500隔离开，避免跨阻放大器的负载对其产生干扰。

直流消除环路500工作原理为：当输入光电流信号I_in含有直流成分时，会导致跨阻放大器的差分输出直流电平不相同，该差异经过误差放大器ERR_AMP5002进行放大，开启三极管Q11，将直流成分从I_in端直接消除。这样，该跨阻放大器的低频截止频率就由该级的低通滤波器LPF5001决定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (6)

1.一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：包括输入级(100)，与该输入级对应的伪输入级(200)，与输入级(100)和伪输入级(200)相连接的宽带放大单元(300)，宽带输出级(400)以及直流消除环路(500)；所述的输入级(100)由NPN管Q1、NPN管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4，电阻R₁、电阻R₂，电容C₁、电容C₂，以及二极管D1、二极管D2、二极管D3组成；所述的伪输入级(200)电路结构与输入级(100)结构完全相同；所述的宽带放大单元(300)由二极管D4、D5和典型的Cherry-Hooper放大器(3001)组成；所述的宽带输出级(400)由NPN管Q5、NPN管Q6、NPN管Q7、NPN管Q8、NPN管Q9、NPN管Q10和电阻R3、R4组成；所述的直流消除环路(500)由两个相同的低通滤波器LPF(5001)，一个误差放大器ERR_AMP(5002)和一个NPN管Q11组成；在输入级(100)中，光电流信号I_in输入到Q1的基极，Q1的发射极接GND1，Q1的集电极接Q2的发射极，Q2的基极连接直流偏置Ve，集电极为输入级(100)的输出out1,输入级(100)的输出out1一方面通过R₁连接至VDD1，另一方面连接至Q3的基极，Q3的集电极通过电阻R₂连接至VDD1，Q3的发射极连接二极管D3的阳极，D3的阴极又分三条支路，第一条支路通过C₁连接至GND1；第二条支路通过C₂、D1、D2组成的并联网络反馈回输入端I_in，该并联网络的结构为C₂一端连接D1的阴极和D2的阳极，另一端连接D1的阳极和D2的阴极；第三条支路连接至Q4的集电极，Q4的发射极接GND1，基极接偏置电压Vb；在宽带放大单元(300)中，输入级电路(100)的输出out1分别连接D4的阳极、D5的阴极，以及Cherry-Hooper放大器(3001)的正输入端；D4的阴极、D5的阳极，以及Cherry-Hooper放大器(3001)的负输入端则与伪输入级(200)的输出out2相连；在宽带输出级(400)中，上一级宽带放大单元(300)的正输出端连接Q5的基极，负输出端连接Q6的基极，Q5的集电极与Q6的集电极连接至VDD2，Q5的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q8的基极，Q6的发射极一方面连接至Q7的集电极，另一方面连接至Q9的基极，Q7的基极连接偏置电压Va，发射极连接至GND2，Q8的集电极一方面通过电阻R3连接至VDD2，另一方面构成整体电路的负输出端OUT-，其发射极一方面连接Q10的集电极，另一方面通过LPF(5001)组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP(5002)的正输入端，Q9的集电极一方面通过电阻R4连接至VDD2，另一方面构成整体电路的正输出端OUT+，其发射极一方面连接至Q10的集电极，另一方面通过LPF(5001)组成的低通网络连接至误差放大器ERR_AMP(5002)的负输入端，Q10的发射极连接至GND2，基极接偏置电压Vc；在直流消除环路(500)中，误差放大器ERR_AMP(5002)的输出连接Q11的基极，Q11的发射极接GND2，集电极连接至整体电路的输入端I_in。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：所述的输入级(100)采用的反馈形式是电容反馈，其通过电容C₁、C₂构成从输出到输入的反馈通路。

3.根据权利要求1所述的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：所述的输入级(100)和伪输入级(200)构成伪差分的形式，增强电路的抗干扰能力，抑制共模干扰。

4.根据权利要求1所述的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：使用限幅二极管D1、D2、D4、D5，增加电路可靠性，保护电路。

5.根据权利要求1所述的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：输入级(100)和伪输入级(200)用一组VDD和GND，而电路其余部分采用另一组VDD和GND，进行衬底隔离，降低了噪声。

6.根据权利要求1所述的一种低噪声宽带光纤跨阻放大器，其特征在于：宽带输出级(400)由两级构成，第一级Q5、Q6起到隔离宽带放大单元(300)与整体电路输出的作用；第二级将Q8、Q9的集电极作为整体电路输出，发射极作为DC消除环路的输入，既对电路输出进行了简单放大，又将输出与后面的DC消除环路隔离开，避免跨阻放大器后续负载对其产生干扰。