CN103900686A - 一种用于高速光电探测器的前级放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电子集成电路技术领域，涉及一种用于高速光电探测器的前级放大电路。本发明的前级放大电路，其特征在于，包括前级预防大电路、前级镜像电路和二级放大电路，所述前级预防大电路和前级镜像电路分别与二级放大电路的两个输入端连接，所述前级镜像电路的输入端与二级放大电路连接，所述前级预防大电路和前级镜像电路的结构相同且参数匹配。本发明的有益效果为，同时满足高速和高增益的要求，不受温度、工艺、电源扰动等因素的影响，并且电路有较好的鲁棒性。本发明尤其适用于高速光电探测器。

Description

一种用于高速光电探测器的前级放大电路

技术领域

本发明涉及光电子集成电路技术领域，涉及一种用于高速光电探测器的前级放大电路。

背景技术

光电子集成电路(OEIC)是利用光电子技术和微电子技术将光电子器件和电子元件单片集成在同一衬底上的集成电路,主要由激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、光电二极管(PD)、光调制器等光电子有源器件和驱动电路、开关、放大器、再生器和复用/解复用器等电子元件及集成电路构成。

OEIC光接收机主要由光电探测器与晶体管放大器组成,它将光路传来的微弱光信号经探测器转换成电信号并经放大器放大、处理后输出。要改善OEIC接收机性能必须提高光电探测器和晶体管放大器的性能。一般来讲,对于探测器要求低噪声、高灵敏度和高速度,对于放大器要求高的电流增益截止频率(f_T)和最大振荡频率(f_max)以及高互阻、高跨导。而探测器的频率特性主要由前级放大电路决定，因此前级电路的带宽和增益就显得尤为重要，对电路性能起到了至关重要的作用。通常对于前级放大器来说，跨导放大倍数和电路带宽是一对相互制约的指标，当放大倍数比较大时，高的跨导会使前级放大器的主极点位置前移，导致带宽下降。此外，为了提高光电探测器的精度，需要电路具有较高的抗干扰能力与鲁棒性。如图1所示，传统的光电探测器往往需要一个基准源电路，产生电路需要的参考电平或者参考电流。但这样使得电路较容易受到干扰的影响产生误动作，限制了光电探测器的使用范围。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述的前级放大器存在的问题，提出一种同时满足速光电探测器高速和高增益需求的前级放大电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于高速光电探测器的前级放大电路，包括光电二极管，其特征在于，还包括前级预防大电路、前级镜像电路和二级放大电路，所述前级预防大电路和前级镜像电路分别与二级放大电路的两个输入端连接，所述前级镜像电路的输入端与二级放大电路连接，所述前级预防大电路和前级镜像电路的结构相同且参数匹配；

所述前级预防大电路为跨阻放大器，包括电阻R1、R2、R3和NMOS管M1、M2；光电二极管的负极接M1的源极和M2的栅极，其正极接地；M1的漏极通过R1接电源VDD，其栅极接M2的漏极，其源极通过R2接地；M2的漏极通过R3接电源VDD，其栅极接M1的源极，其源极接地；

所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器，包括电阻R4、R5、R6和NMOS管M3、M4；M3的漏极通过R4接电源VDD，其栅极接M4的漏极，其源极通过R5接地；M4的漏极通过R6接电源VDD，其源极接地；

所述二级放大电路为差动放大器，包括电阻R7、R8和NMOS管M7、M8、M9；M7的漏极通过R7接电源VDD，其栅极接M3的漏极；M8的漏极通过R8接电源VDD，其栅极接M1的漏极；M7和M8的源极共同接M9的漏极；M9的栅极接M3的源极和M4的栅极，其源极接地。

本发明的有益效果为，本发明采用带反馈的共栅放大电路结构，使前级放大同时满足高速和高增益的要求；同时，通过相同的放大电路匹配级形成差分信号输入到后续电路，使前级放大电路不受温度、工艺、电源扰动等因素的影响，并且电路有较好的鲁棒性。

附图说明

图1是传统的前级放大电路的逻辑结构示意框图；

图2是本发明的前级放大电路的逻辑结构示意框图；

图3是前级预防大电路的结构示意图；

图4是本发明的前级放大电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

针对现有光电探测器的前级放大电路的增益和带宽不能同时达到最优值的问题，本发明提出了如图2所示的光电探测放大器系统架构，其前级采用了如图3所示的带反馈环路的共栅极跨导放大器。在该结构中，决定主极点位置的电阻为R2，而决定放大器跨阻值的电阻为R1，在前级输入电容一定的情况下，放大器的带宽和增益不会相互制约，从而可以满足比较高的设计要求。

如图4所示，所述前级预防大电路为跨阻放大器，包括电阻R1、R2、R3和NMOS管M1、M2；光电二极管的负极接M1的源极和M2的栅极，其正极极接地；M1的漏极通过R1接电源VDD，其栅极接M2的漏极，其源极通过R2接地；M2的漏极通过R3接电源VDD，其栅极接M1的源极，其源极接地；

所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器，包括电阻R4、R5、R6和NMOS管M3、M4；M3的漏极通过R4接电源VDD，其栅极接M4的漏极，其源极通过R5接地；M4的漏极通过R6接电源VDD，其源极接地；

所述二级放大电路为差动放大器，包括电阻R7、R8和NMOS管M7、M8、M9；M7的漏极通过R7接电源VDD，其栅极接M3的漏极；M8的漏极通过R8接电源VDD，其栅极接M1的漏极；M7和M8的源极共同接M9的漏极；M9的栅极接M3的源极和M4的栅极，其源极接地。

本发明的工作原理为：

1.增益分析

如图3所示的前级预放大电路中，在A点对反馈断环，由于对于M2来说该反馈为电压采样-电流求和。其开环跨阻增益A_R,OL为：

$A_{R,\mathrm{OL}}=\frac{i_{\mathrm{in}}\×R_2\×g_{M2}{R}_3\×\frac{g_{M1}{R}_1}{1+g_{M1}{R}_2}}{i_{\mathrm{in}}}\≈g_{M2}{R}_3\×R_1$

其环路增益为：

LG＝g_M2R₃

所以，前级放大闭环增益为： $A_{R,\mathrm{CL}}=\frac{A_{R,\mathrm{OL}}}{1+\mathrm{LG}}\≈\frac{g_{M2}{R}_3\×R_1}{1+g_{M20}{R}_3}=R_1$

其中，i_in为输入电流，_gM2为M2管的跨导，R1，R2，R3分别为图3中所对应的电阻值。

2.带宽分析

光电探测器前级放大电路的输入级通常为光电接收管，而集成光电接收管有比较大的寄生电容，其等效电路如图3所示，C_PD为光电二极管的寄生电容。设置该点为放大器主极点位置，即放大器的带宽由C_PD和A点的等效输入阻抗R_in决定。所以有：

$R_{\mathrm{in}\_\mathrm{CL}}=\frac{R_{\mathrm{in}\_\mathrm{OL}}}{1+\mathrm{LG}}\≈\frac{\frac{1}{g_{M1}}//R_2}{1+g_{M2}{R}_3}\≈\frac{1}{g_{M1}{g}_{M2}{R}_3}$

所以，放大器主极点在输入端A点，为

${\mathrm{\ω}}_{P1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{in}\_\mathrm{CL}}*C_{\mathrm{PD}}}\≈\frac{g_{M1}{g}_{M2}{R}_3}{2\mathrm{\π}{C}_{\mathrm{PD}}}$

其中，g_M1和g_M2分别为M1，M2管对应的跨导。

另外，在节点B和输出端OUT处有两个极点，分别为：

${\mathrm{\ω}}_{P2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_3\×C_B}$

${\mathrm{\ω}}_{P3}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_1\×C_{\mathrm{OUT}}}$

其中，C_B为B点的等效电容，C_OUT为OUT结点所对应的等效电容。

因为C_B和C_OUT的值都很小，所以ω_P2>>ω_P1，ω_P3>>ω_P1，极点P2与P3都在环路单位增益带宽以外，其对于环路的影响可忽略，从而保证环路的稳定工作。

由以上分析可得，当主极点在光电流输入端时，放大器的带宽与增益无直接制约关系，因此在一定范围内，可以将跨阻增益和带宽同时做得很高。

因为光电流信号很微弱，经过前级放大电路放大后信号的幅度仍然不大，还需要进一步放大，容易受到电源扰动、电路静态工作点等因素的干扰，导致整体电路产生误动作。为了消除这些不利因素的影响，第二级采用差动放大器是最好的选择（如图4中的二级放大结构）。按照差动放大的思想，差动放大器的另一端应该输入前级的静态直流工作点，但是电路由于受到温度及工艺偏差的影响，静态直流工作点需要动态跟随调整，很难使用常规的固定参考点确定电路工作点。为了解决这个问题，本发明设计了前级镜像的电路结构，即增加一个与前级预放大电路结构和参数都一样的电路，使其工作在与前级放大器相同的静态条件下（即不加光电流输入信号时），将其输出加在差动放大级的另一端，作为电路的动态参考点，如图4所示。这样无论在任何温度和工艺条件下，前级镜像级和预放大级的静态工作点都能保持一致，从而最大限度地减小了电源扰动、电路静态工作点等因素的干扰，使电路实现理想的差模放大，避免电路产生误动作。

3.静态工作点分析

本发明中前级放大器采用的跨阻放大电路结构具有自偏置特点，以跨阻放大器的静态工作点为例，由图2分析可得，

V_A＝I_M1×R₂

V_B＝V_DD-I_M2×R₃

V_OUT＝V_DD-I_M1×R₁

其中，I_M1和I_M2分别为MOS管M1和M2的漏端电流，其值为：

$I_{M1}=\frac{1}{2}\×\frac{W_1{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}}{L_1}{(V_B-V_A-V_{\mathrm{TN}})}^2$

$I_{M2}=\frac{1}{2}\×\frac{W_2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}}{L_2}{(V_A-V_{\mathrm{TN}})}^2$

将V_A，V_B代入联立可得，

$I_{M1}=\frac{1}{2}\×\frac{W_1{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}}{L_1}{(V_{\mathrm{DD}}-I_{M2}\×R_3-I_{M1}\×R_2-V_{\mathrm{TN}})}^2$

$I_{M2}=\frac{1}{2}\×\frac{W_2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}}{L_2}{(I_{M1}\×R_2-V_{\mathrm{TN}})}^2$

其中，W₁/L₁与W₂/L₂分别为M1和M2管的宽长比，u_n为NMOS的沟道迁移率，C_OX为NMOS的栅介质电容，V_TN为NMOS的阈值电压，VDD为电源电压，I_M1和I_M2分别为M1和M2管的静态电流。

由以上方程组可得，通过确定的电阻值和阈值电压可求出M1和M2管的静态工作电流I_M1和I_M2，通过合适地设置电阻值及管子参数，使得晶体管工作在饱和区，并满足增益和带宽的要求。同时应该保证OUT端的直流电压在合理的范围内，确保后级差动放大器的输入管工作在饱和区。

如图4所示，为了保证跨阻放大器和镜像跨阻放大器的高度匹配性，将跨阻放大器和镜像跨阻放大器设置成相同的静态工作点，从而保证在无光电流输入时，差动放大器的静态输入相等，即V_GM8=V_GM7。同时为了使后级差动放大器完全匹配，且避免对额外电流源的要求。本发明巧妙地使用了镜像跨阻放大器MN4晶体管的栅极为差动放大器提供偏置电流。

Claims (1)

1.一种用于高速光电探测器的前级放大电路，包括光电二极管，其特征在于，还包括前级预防大电路、前级镜像电路和二级放大电路，所述前级预防大电路和前级镜像电路分别与二级放大电路的两个输入端连接，所述前级镜像电路的输入端与二级放大电路连接，所述前级预防大电路和前级镜像电路的结构相同且参数匹配；

所述前级预防大电路为跨阻放大器，包括电阻R1、R2、R3和NMOS管M1、M2；光电二极管的负极接M1的源极和M2的栅极，其正极接地；M1的漏极通过R1接电源VDD，其栅极接M2的漏极，其源极通过R2接地；M2的漏极通过R3接电源VDD，其栅极接M1的源极，其源极接地；

所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器，包括电阻R4、R5、R6和NMOS管M3、M4；M3的漏极通过R4接电源VDD，其栅极接M4的漏极，其源极通过R5接地；M4的漏极通过R6接电源VDD，其源极接地；

所述二级放大电路为差动放大器，包括电阻R7、R8和NMOS管M7、M8、M9；M7的漏极通过R7接电源VDD，其栅极接M3的漏极；M8的漏极通过R8接电源VDD，其栅极接M1的漏极；M7和M8的源极共同接M9的漏极；M9的栅极接M3的源极和M4的栅极，其源极接地。

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