CN103929139B - 高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，主要解决现有跨阻前置放大器灵敏度低、信号输入范围窄、系统稳定性差的问题。其包括放大电路(1)，补偿电路(2)，增益控制电路(3)和采样电路(4)；放大电路(1)采用共源共栅结构，通过增益控制电路(3)和放大电路(1)对输入电流信号I_in进行转换和放大，输出电压信号V_{tia_out}，该电压输入到采样电路(4)后得到其均值电压V_dc，用该均值电压生成两个外部输入电压信号N_ctrl、P_ctrl，以调节增益控制电路(3)的总电阻值和补偿电路(2)的补偿值，提高输入信号范围和系统稳定性。本发明具有灵敏度高、信号输入范围宽、系统稳定性好的优点，可用于高速光纤通信系统。

Description

高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及跨阻前置放大器电路，可用于高速光纤通信系统。

背景技术

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，光纤通信具有容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，因此对应用于光纤传输系统的高速集成电路的需求日益增强。光纤传输系统主要由三部分组成：光发射机、光纤信道和光接收机。其中，光接收机的作用是将经光纤传输后衰减和畸变的微弱光脉冲信号通过光电转换器转换为电脉冲信号，经过放大、均衡和定时再生，还原为与发射端一致的数字脉冲信号。一个完整的光接收机包括光检测器、跨阻前置放大器、主放大器、时钟恢复电路和数据判决电路。

跨阻前置放大器是光接收机前端电路中的关键部分，决定着整个光接收机的灵敏度，其作用是将光电检测器检测到的微弱光电流信号转换成电压信号并同时预放大。它必须满足增益高、宽带宽、动态范围大和系统稳定性良好等要求，然而这些指标通常是矛盾的，在设计时必须进行折中。

图1给出了传统型低精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器的系统框图。光脉冲信号经光纤传输后会衰减和畸变，经过光电检测器的光脉冲信号被转换为电脉冲信号I_in，跨阻前置放大器将输入的电脉冲信号I_in转换并放大为电压信号V_{tia_out}，RC采样电路采样输出电压信号V_{tia_out}后输出其均值电压V_dc，该均值电压V_dc作为参考电压，用于生成控制电压以改变跨阻前置放大器的增益，这样就构成了一个自动增益控制环路。补偿电路用于对整个跨阻前置放大器进行相位补偿，以提高系统稳定性。跨阻前置放大器的输出电压V_{tia_out}经后级主放大器进一步放大，为后级时钟恢复电路和数据判决电路提供有效的输入信号，还原初始信号。

传统型低精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器均采用单MOS低增益型放大电路、单MOS型可调电阻的增益控制电路，该电路结构存在噪声大、灵敏度低、信号输入范围窄、带宽小、闭环稳定性差等缺点，不能有效还原经光纤传输后被衰减和畸变的信号。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，以提高前置跨阻放大电路的灵敏度、输入信号范围和闭环稳定性，有效还原出经光纤传输后被衰减和畸变的信号。

实现上述目的技术方案是：采用共源共栅结构实现整个跨阻前置放大器的高灵敏度，采用CMOS传输门形式的压控电阻实现前置跨阻放大器增益的自动控制、较大的信号输入范围，通过对电路进行相位补偿提高其闭环稳定性。整个放大器包括：放大电路、补偿电路、增益控制电路和采样电路；

所述放大电路与增益控制电路构成该跨阻前置放大器的主体，用于对输入信号I_in进行预放大，以恢复信号在光纤传输过程中所造成的衰减和畸变；

所述补偿电路，跨接于放大电路的输入端I_in与输出端V_{tia_out}，用于进行相位补偿，提高系统稳定性；

所述采样电路，用于对放大电路的输出信号V_{tia_out}进行采样，输出均值电压V_dc，为增益控制电路的两个输入控制信号N_ctrl、P_ctrl提供参考电压；

其特征在于：

所述放大电路，其输入与输出均采用共源共栅结构，以提高增益和输入灵敏度；

所述增益控制电路，采用CMOS传输门型可调电阻结构，以增大输入信号范围。

作为优选，所述的放大电路包括：第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3，第一NMOS管M4、第二NMOS管M5、第三NMOS管M6、第四NMOS管M7；

第三PMOS管M3，其源极与输入电源VDD相连，其栅极与漏极连在一起，再同时连接到第二NMOS管M5的漏极和第二PMOS管M2的栅极；

第二PMOS管M2，其源极连接到第一PMOS管M1的漏极，组成共源共栅输入，其漏极连接到第一NMOS管M4的漏极；

第一PMOS管M1，其源极连接到电源电压VDD，其栅极连接到增益控制电路的PMOS管M9的源极和NMOS管M8的漏极；

第一NMOS管M4，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第三NMOS管M6的漏极，组成共源共栅负载；

第三NMOS管M6，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；

第二NMOS管M5，其漏极连接到第三PMOS管M3的栅极与漏极，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第四NMOS管M7的漏极；

第四NMOS管M7，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；

第二NMOS管M5与第四NMOS管M7组成共源共栅结构，第三PMOS管M3通过与该共源共栅结构组成电流通路，用以向第二PMOS管M2提供栅极偏置电压；

第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极相连接的公共端作为整个跨阻前置放大器的第一输出端V_{tia_out}。

作为优选，所述的增益控制电路包括：CMOS传输门和第一电阻R1、第三电阻R3，该CMOS传输门由第五NMOS管M8和第四PMOS管M9组成；

第一电阻R1，其一端连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；

第五NMOS管M8的漏极和第四PMOS管M9的源极连接在一起，组成CMOS传输门的一端，该端口连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，第五NMOS管M8的源极和第四PMOS管M9的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端，该端口连接到第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五NMOS管M8的栅极接外部输入控制电压N_ctrl，第四PMOS管M9的栅极接外部输入控制电压P_ctrl，CMOS传输门的导通状态改变增益控制电路的总电阻值，使整个跨阻前置放大器的增益随增益控制电路的总电阻值的变化而改变。

作为优选，所述的补偿电路包括第五PMOS管M10、第六NMOS管M11、第二电阻R2和两个电容C2、C3；

第二电阻R2，其一端连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；

第五PMOS管M10的源极和第六NMOS管M11的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的一端，该端口连接到放大电路中第一PMOS管M1的栅极；第五PMOS管M10的漏极和第六NMOS管M11的源极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端，该端口连接到第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接到放大电路中第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五PMOS管M10的栅极接到外部输入电压P_ctrl，第六NMOS管M11的栅极接到外部输入电压N_ctrl。

作为优选，所述的采样电路包括第四电阻R4和第一电容C1；

第四电阻R4，其一端连接到输入电源VDD，其另一端连接到第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接到增益控制电路中的第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接点；

第四电阻R4与第一电容C1的共同连接点作为整个跨阻前置放大器的第二输出端V_dc。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明由于在放大电路中采用了共源共栅输入和共源共栅负载，显著地增大了放大电路的输出阻抗及其增益，有效地提高了整个跨阻前置放大器的灵敏度。

2.本发明由于在增益控制电路中采用了CMOS传输门结构，其阻抗值调控幅度显著提升，使得整个跨阻前置放大器的增益变化范围明显增大，信号输入范围更宽。

附图说明

图1是传统型低精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器的系统框图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明的实施例电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本发明的高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，包括放大电路1，补偿电路2、增益控制电路3和采样电路4。其中，增益控制电路3的两个端口跨接于放大电路1的输入输出端，形成整个跨阻前置放大器的核心放大部分，用于对输入的微弱电流信号I_in进行转换和预放大，在放大电路1的输出端输出电压信号V_{tia_out}；采样电路4通过对放大电路1的输出电压信号V_{tia_out}进行均值采样，输出采样电压V_dc；该采样电压V_dc作为参考电压，用于生成增益控制电路3的两个外部输入电压信号N_ctrl、P_ctrl，通过这两个外部输入电压信号改变增益控制电路3的总电阻值，进而改变整个跨阻前置放大器的增益，这样就实现了整个跨阻前置放大器的增益随输入信号I_in的大小而改变的自动增益控制功能。补偿电路2的两端跨接于放大电路1的输入输出端，其输出的相位补偿值也受到外部输入电压信号N_ctrl和P_ctrl控制，用于对整个跨阻前置放大器在增益改变时的相位进行补偿，整个跨阻前置放大器的系统稳定性更好。

图3给出了本发明的一种电路实例图，用于进一步对本发明进行表述，并不构成对本发明的任何限制。

参照图3，本发明的放大电路1包括：第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3，第一NMOS管M4、第二NMOS管M5、第三NMOS管M6、第四NMOS管M7，其中：第三PMOS管M3，其源极与输入电源VDD相连，其栅极与漏极连在一起，再同时连接到第二NMOS管M5的漏极和第二PMOS管M2的栅极；第二PMOS管M2，其源极连接到第一PMOS管M1的漏极，组成共源共栅输入，其漏极连接到第一NMOS管M4的漏极；第一PMOS管M1，其源极连接到电源电压VDD，其栅极连接到增益控制电路的PMOS管M9的源极和NMOS管M8的漏极；第一NMOS管M4，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第三NMOS管M6的漏极，组成共源共栅负载；第三NMOS管M6，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；第二NMOS管M5，其漏极连接到第三PMOS管M3的栅极与漏极，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第四NMOS管M7的漏极；第四NMOS管M7，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；第二NMOS管M5与第四NMOS管M7组成共源共栅结构，第三PMOS管M3通过与该共源共栅结构组成电流通路，用以向第二PMOS管M2提供栅极偏置电压；第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极相连接的公共端作为整个跨阻前置放大器的第一输出端V_{tia_out}。

所述第一PMOS管M1和第二PMOS管M2组成的共源共栅输入从第二PMOS管M2的漏极看进去其小信号阻抗为Z_p；所述由第一NMOS管M4和第三NMOS管M6组成的共源共栅负载从第三NMOS管M6的漏极看进去其小信号阻抗为Z_n；放大电路1的输出阻抗由Z_p和Z_n相并联得到，由于阻抗Z_p和Z_n的数量级均较大，它们并联后所得的阻抗值数量级仍很大，故放大电路1的输出阻抗值很大，增益变得很高，从而提高了整个跨阻前置放大器的灵敏度。

补偿电路2，包括：第五PMOS管M10、第六NMOS管M11、第二电阻R2和两个电容C2、C3，其中：第二电阻R2，其一端连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；第五PMOS管M10的源极和第六NMOS管M11的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的一端，该端口连接到放大电路中第一PMOS管M1的栅极；第五PMOS管M10的漏极和第六NMOS管M11的源极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端，该端口连接到第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接到放大电路1中第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五PMOS管M10的栅极接到外部输入电压P_ctrl，第六NMOS管M11的栅极接到外部输入电压N_ctrl，这两个外部输入电压控制CMOS传输门的导通状态，进而控制补偿电路2的补偿值，当整个跨阻前置放大器的增益变化时，补偿值也随之改变，最大程度地保证了系统的稳定。

增益控制电路3，包括：CMOS传输门和第一电阻R1、第三电阻R3，该CMOS传输门由第五NMOS管M8和第四PMOS管M9组成。第一电阻R1，其一端连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；第五NMOS管M8的漏极和第四PMOS管M9的源极连接在一起，组成CMOS传输门的一个端口，该端口连接到放大电路的第一PMOS管M1的栅极，第五NMOS管M8的源极和第四PMOS管M9的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端口，该端口连接到第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接到放大电路的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五NMOS管M8的栅极接外部输入控制电压N_ctrl；第四PMOS管M9的栅极接外部输入控制电压P_ctrl；通过CMOS传输门的导通状态改变增益控制电路的总电阻值，使整个跨阻前置放大器的增益随增益控制电路的总电阻值的变化而改变。

采样电路4，包括第四电阻R4和第一电容C1。第四电阻R4，其一端连接到输入电源VDD，其另一端连接到第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接到增益控制电路中的第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接点；第四电阻R4与第一电容C1的共同连接点作为整个跨阻前置放大器的第二输出端V_dc。

本实例的工作原理如下：

当输入电流信号I_in为1uA≤I_in≤3.5uA时，整个跨阻前置放大器的输出信号V_{tia_out}的值为I_inR₁，采样电路得到的采样电压V_dc＝Vt_{ia_out}2，该电压值被用作参考电压，用于生成增益控制电路的外部输入电压信号P_ctrl和N_ctrl，此时N_ctrl电压值为低电平，P_ctrl电压值为高电平，增益控制电路中的CMOS传输门处于关断状态，整个跨阻前置放大器的增益为R₁的电阻值数，即在输入信号I_in为1uA≤I_in≤3.5uA的情况下，整个跨阻前置放大器的增益较高为R₁的电阻值数，这样有利于检测出输入端的微小信号；

当输入信号I_in逐渐增大且3.5uA≤I_in≤13.5uA时，整个跨阻前置放大器的输出信号V_{tia_out}的值逐渐减小，且采样电压V_dc＝V_{tia_out}2也开始降低，此时由采样电压V_dc作为参考生成的增益控制电路的两个外部输入电压信号N_ctrl逐渐升高、P_ctrl逐渐降低，增益控制电路中的CMOS传输门由关断状态逐渐进入导通状态。设CMOS传输门的导通电阻为R_CMOS，且R_CMOS的值会随着N_ctrl电压值的逐渐升高和P_ctrl电压值的逐渐降低而逐渐减小，此时增益控制电路的电阻值变为该电阻值小于R₁，使整个跨阻前置放大器的增益开始降低，这样保证了跨阻前置放大器的输出电压V_{tia_out}不会因为输入信号I_in的增加而在输出端产生畸变；

当输入信号I_in为13.5uA≤I_in≤16uA时，整个跨阻前置放大器的输出信号V_{tia_out}的电压值为采样电路得到的采样电压V_dc＝V_{tia_out}2，此时由采样电压V_dc作为参考生成的增益控制电路的两个外部输入电压信号N_ctrl变为高电平、P_ctrl变为低电平，增益控制电路中的CMOS传输门完全打开，CMOS传输门的导通电阻R_CMOS降低到零，此时增益控制电路的电阻值为降低到了增益控制电路所能达到的最低电阻值，使整个跨阻前置放大器的增益降到最低值；

在上述输入电流信号I_in变化过程中输出电压V_{tia_out}的幅值为I_inR，其中R表示增益控制电路的总电阻值，在I_in逐渐增大的过程中R在逐渐减小，因此输出电压的幅值基本维持不变。

由上可知，本发明的输入电流信号I_in的最小值为1uA、最大值为16uA，故输入电流信号范围为15uA。这种较大的输入信号范围使得本发明具有很高的实用性，在应用到光纤传输系统中时能有效还原经光纤传输后被衰减和畸变的信号。

Claims (4)

1.一种高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，包括：放大电路(1)、补偿电路(2)、增益控制电路(3)和采样电路(4)；

所述放大电路(1)与增益控制电路(3)构成该跨阻前置放大器的主体，用于对输入信号I_in进行预放大，以恢复信号在光纤传输过程中所造成的衰减和畸变；

所述补偿电路(2)，跨接于放大电路(1)的输入端I_in与输出端V_{tia_out}，用于进行相位补偿，提高系统稳定性；

所述采样电路(4)，用于对放大电路(1)的输出信号V_{tia_out}进行采样，输出均值电压V_dc，为增益控制电路(3)的两个输入控制信号N_ctrl、P_ctrl提供参考电压；

其特征在于：

所述放大电路(1)，其输入与输出均采用共源共栅结构，以提高增益和输入灵敏度；

所述增益控制电路(3)，采用CMOS传输门型可调电阻结构，以增大输入信号范围；该电路包括：CMOS传输门和第一电阻R1、第三电阻R3，CMOS传输门由第五NMOS管M8和第四PMOS管M9组成；

第一电阻R1，其一端连接到放大电路(1)的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到放大电路(1)的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；

第五NMOS管M8的漏极和第四PMOS管M9的源极连接在一起，组成CMOS传输门的一端，该端口连接到放大电路(1)的第一PMOS管M1的栅极，第五NMOS管M8的源极和第四PMOS管M9的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端，该端口连接到第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接到放大电路(1)的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五NMOS管M8的栅极接外部输入控制电压N_ctrl，第四PMOS管M9的栅极接外部输入控制电压P_ctrl，通过改变CMOS传输门的导通状态使其增益控制电路的总电阻值变化，进而使整个跨阻前置放大器的增益随总电阻值的变化而改变。

2.根据权利要求1所述的高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，其特征在于放大电路(1)，包括：第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3，第一NMOS管M4、第二NMOS管M5、第三NMOS管M6、第四NMOS管M7；

第三PMOS管M3，其源极与输入电源VDD相连，其栅极与漏极连在一起，再同时连接到第二NMOS管M5的漏极和第二PMOS管M2的栅极；

第二PMOS管M2，其源极连接到第一PMOS管M1的漏极，组成共源共栅输入，其漏极连接到第一NMOS管M4的漏极；

第一PMOS管M1，其源极连接到电源电压VDD，其栅极连接到增益控制电路(3)的PMOS管M9的源极和NMOS管M8的漏极；

第一NMOS管M4，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第三NMOS管M6的漏极，组成共源共栅负载；

第三NMOS管M6，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；

第二NMOS管M5，其漏极连接到第三PMOS管M3的栅极与漏极，其栅极连接到外部偏置电压Vbias1，其源极连接到第四NMOS管M7的漏极；

第四NMOS管M7，其栅极连接到外部偏置电压Vbias2，其源极连接到地；

第二NMOS管M5与第四NMOS管M7组成共源共栅结构，第三PMOS管M3通过与该共源共栅结构组成电流通路，用以向第二PMOS管M2提供栅极偏置电压；

第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极相连接的公共端作为整个跨阻前置放大器的第一输出端V_{tia_out}。

3.根据权利要求1所述的高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，其特征在于：补偿电路(2)包括第五PMOS管M10、第六NMOS管M11、第二电阻R2和两个电容C2、C3；

第二电阻R2，其一端连接到放大电路(1)的第一PMOS管M1的栅极，其另一端连接到第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端连接到放大电路(1)的第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极；

第五PMOS管M10的源极和第六NMOS管M11的漏极连接在一起，组成CMOS传输门的一端，该端口连接到放大电路(1)中第一PMOS管M1的栅极；第五PMOS管M10的漏极和第六NMOS管M11的源极连接在一起，组成CMOS传输门的另一端，该端口连接到第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接到放大电路(1)中第二PMOS管M2的漏极和第一NMOS管M4的漏极，第五PMOS管M10的栅极接到外部输入电压P_ctrl，第六NMOS管M11的栅极接到外部输入电压N_ctrl。

4.根据权利要求1所述的高精度自动增益控制的光接收机的跨阻前置放大器，其特征在于：采样电路(4)包括第四电阻R4和第一电容C1；

第四电阻R4，其一端连接到输入电源VDD，其另一端连接到第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接到增益控制电路(3)中的第一电阻R1和第三电阻R3的公共连接点；

第四电阻R4与第一电容C1的共同连接点作为整个跨阻前置放大器的第二输出端V_dc。