CN104980113A - 高精度光电流监视电路及前置放大器 - Google Patents

Abstract

高精度光电流监视电路及前置放大器，属于通信领域，本发明为解决常用光电流监视电路中电流监视镜像精度低，同时解决常用的光电流监视电路只能工作在饱和区的问题。本发明采用高精度光电流监视电路制作的前置放大器包括光电流监视电路Monitor和跨阻放大器TIA电路模块；跨阻放大器TIA电路模块包括误差放大器A3和电阻R0，误差放大器A3的输入端和输出端之间跨接电阻R0；A3的输入端作为跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA；A3的输出端作为跨阻放大器TIA电路的输出端VO3；光电流的输出端PINK连接光电二极管D0的阴极，光电二极管D0的阳极连接跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA。

Description

高精度光电流监视电路及前置放大器

技术领域

本发明涉及一种光电流监视电路及利用该监视电路制成的前置放大器。

背景技术

在现代通信系统中，由于光纤通信具有通信容量大，性能稳定，保密性强等优点，在接入网中光纤通信技术扮演着重要角色，光纤接入将成为发展的重点。在光纤通信中，跨阻放大器TIA作为光接收机前置放大器(pre_amplifier)的核心电路模块，决定了光接收机传输速率和距离等关键参数。在电性能上，TIA具有跨阻增益(dB)较高，带宽较宽，等效噪声电流较低的优点；在结构上，采用直接耦合，省去电抗元件，缩小芯片面积。

图1中给出了光电二极管和前置放大器的应用原理图。光电二极管D0的阳极连接前置放大器芯片中的跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA，光电二极管D0的阴极连接前置放大器芯片中的光电流的输出端PINK，确保光电二极管D0工作在反向偏置的条件下。光电二极管D0产生的光电流I_PD通过PINA端流入前置放大器芯片。电流源I0镜像光电二极管D0的电流I_PD，同时根据光电流I_PD通过电阻R1复制输出电压V_MON，从而达到监测PINA端的输入电流平均值的目的。即在前置放大器芯片中的光电流监视电路模块的输出端MON端可以对光电二极管的电流进行镜像检测即光电流监视，此设计电路称为接收信号强度指示(Receives Signal Strength Indication，RSSI)。

图2给出了常用的光电流监视电路结构。图2中，运算放大器A1和PMOS晶体管MP1形成了一个两级放大器，可以确保节点VN的电压和节点PINK的电压相等。同时，运算放大器A1的反相输入端的节点VN的电压V_VN可以表示为：

V_VN＝R1×I₀            (1)

其中，I₀为电流源I0的电流大小；

PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的栅源电压相等，为：

V_{GS_MP1}＝V_{GS_MP2}＝V_VO-VDD        (2)

其中V_{GS_MP1}是PMOS晶体管MP1的栅源电压，V_{GS_MP2}是晶体管MP2的栅源电压，V_VO为运算放大器A1的输出电压。因此，PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的过驱动电压相等，为：

|V_{OD_MP1}|＝|V_{OD_MP2}|＝|VO-VDD|-|V_TH0|         (3)

其中V_{OD_MP1}是PMOS晶体管MP1的过驱动电压，V_{OD_MP2}是PMOS晶体管MP2的过驱动电压，V_TH0是晶体管在PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的源端S和衬底端B短接，即V_SB＝0时的阈值电压。当PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2都工作在饱和区时，不考虑沟道长度调制效应的情况下，PMOS晶体管MP1的电流和PMOS晶体管MP2的电流相等，为：

$I_{MP1}=I_{MP2}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}\frac{W}{L}{\left(\right|V_{GS\_MP1}|-|V_{TH0}\left|\right)}^2---\left(4\right)$

其中，I_MP1是PMOS晶体管MP1的漏端电流，I_MP2是PMOS晶体管MP2的漏端电流，μ_p是沟道空穴的迁移率，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，是晶体管的宽长比，|V_TH0|是晶体管的源端和衬底短接，即源衬电压V_SB＝0时的阈值电压。

考虑沟道长度调制效应，PMOS晶体管的电流为：

$I_{MP1}=I_{MP2}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}\frac{W}{L}{\left(\right|V_{GS\_MP1}|-|V_{TH0}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\λ}|V_{DS}\left|\right)---\left(5\right)$

λ是沟道长度调制系数，V_DS是PMOS晶体管的漏源电压。

实际应用中，图2中，常用的光电流监视电路中的节点PINK通过光电二极管D0连接到TIA跨阻放大器电路模块的输入端PINA。在设计中，光电二极管D0两端的电压差要求为2.5V，TIA跨阻放大器电路模块的输入端PINA的电压通常为0.6V，因此节点PINK的电压为3.1V；电源电压为3.3V，因此PMOS晶体管的源漏电压为200mV左右，这使得PMOS晶体管很难工作在饱和区，给电路设计带来很大的挑战。为了得到高精度的镜像电流，PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2都要求工作在饱和区，这样使得PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的漏源电压很大，即PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的漏端电压V_D很小，光电二极管D0的电压阈度很小，不满足设计要求。

同时，当PMOS晶体管MP1工作在饱和区时，PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的漏源电压V_DS很大，由于晶体管存在沟道长度调制效应，所以监视电流镜像精度很低。

发明内容

本发明目的是为了解决常用光电流监视电路中电流监视镜像精度低，同时解决常用的光电流监视电路只能工作在饱和区的问题，提供了一种高精度光电流监视电路。

本发明所述高精度光电流监视电路，它包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON。

采用所述高精度光电流监视电路制作的前置放大器，它包括光电流监视电路Monitor和跨阻放大器TIA电路模块；

光电流监视电路Monitor包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON；

跨阻放大器TIA电路模块包括误差放大器A3和电阻R0，误差放大器A3的输入端和输出端之间跨接电阻R0；

误差放大器A3的输入端作为跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA；误差放大器A3的输出端作为跨阻放大器TIA电路的输出端VO3；

光电流的输出端PINK连接光电二极管D0的阴极，光电二极管D0的阳极连接跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA。

本发明的优点：本发明中提出的高精度光电流监视电路不仅可以工作在饱和区，同时可以工作在线性区；本发明中提出的高精度光电流监视电路已经通过了仿真结果验证。图4给出了常用的光电流监视电路中的PMOS晶体管MP2的漏端电流I_MON随PMOS晶体管MP2的漏端电压vin的变化的仿真结果，图5给出了本发明中提出的高精度光电流监视电路中的PMOS晶体管MP2的漏端电流I_MON随PMOS晶体管MP2的漏端电压vin的变化的仿真结果。从图4中可以看出，常用的光电流监视电路中，当PMOS晶体管MP2的漏端电压在2.4V～3V之间变化时，PMOS晶体管MP2的漏端电流变化了1.4μA，斜率约为2.33μA/V；从图5中可以看出，本发明提出的高精度光电流监视电路中，当PMOS晶体管MP2的漏端电压在2.4V～3V之间变化时，PMOS晶体管MP2的漏端电流变化了2×10^-6μA，斜率约为3.33×10^-6μA/V，从仿真结果可以看出本发明中PMOS晶体管MP2的漏端电流I_MON几乎不受PMOS晶体管MP2的漏端电压vin变化的影响；电路的仿真结果表明，当电路中的PMOS晶体管MP2的漏端电压vin变化时，本发明提出的高精度光电流监视电路中电流的镜像精度明显好于常用的光电流监视电路中的电流的镜像精度，性能提高10⁶倍。

附图说明

图1是光电二极管和前置放大器的应用原理图；

图2是常用的光电流监视电路的电路图；

图3是实施方式一所述高精度光电流监视电路的电路图；

图4是常用的光电流监视电路中的PMOS晶体管MP2的漏端电流I_MON随PMOS晶体管MP2的漏端电压vin变化的曲线图；

图5是本发明的光电流监视电路中的PMOS晶体管MP2的漏端电流I_MON随PMOS晶体管MP2的漏端电压vin变化的曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图3来说明本实施方式，本实施方式所述高精度光电流监视电路，它包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON。

在阐述常用的光电流监视电路中，由于PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2只能工作在饱和区，同时当PMOS晶体管工作在饱和区时，由于PMOS晶体管存在沟道长度调制效应，即漏源电压对电流存在二阶效应，所以晶体管漏源电压的不同导致产生的光监视电流镜像光电流的精度很低，图3中提出的高精度光功率电流监视电路解决了常用的光监视电流镜像精度低的问题，同时解决了常用的光电流监视电路只能工作在饱和区的问题。

图3中的运算放大器A2使得同相输入端和反向输入端的电压相等：

V_VP2＝V_VN2              (6)

其中V_VN2是误差放大器A2的反向输入端的电压，V_VP2是误差放大器A2正向输入端的电压。

因此：

V_{DS_P1}＝V_{DS_P2}         (7)

其中V_{DS_P1}是PMOS晶体管MP1的漏源电压，V_{DS_P2}是PMOS晶体管MP2的漏源电压；

晶体管工作在线性区的电流表达式为

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}\frac{W}{L}\[\left(\right|V_{GS\_MP}|-|V_{TH0}\left|\right)V_{DS}-\frac{1}{2}{V_{DS}}^2\]---\left(8\right)$

晶体管工作在饱和区的电流表达式为：

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}\frac{W}{L}{\left(\right|V_{GS\_MP}|-|V_{TH0}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\λ}|V_{DS}\left|\right)---\left(9\right)$

可见，无论PMOS晶体管MP1工作在线性区还是饱和区，PMOS晶体管MP2镜像PMOS晶体管MP1的电流精度变高。公式(8)和公式(9)的变量说明参见背景技术中的相关说明。

图4和图5分别给出了常用的光电流监视电路和本发明提出的高精度光电流监视电路的监视电流I_MON随PMOS晶体管MP2的漏端电压vin变化的仿真比较。从图4和图5的比较中可以看出，当PMOS晶体管MP2的漏端电压变化时，本发明提出的高精度光电流监视电路中监视电流I_MON几乎不受PMOS晶体管MP2漏端电压vin变化的影响，同时本发明提出的高精度光电流监视电路中的监视电流的镜像精度明显好于常用的光电流监视电路中的监视电流的镜像精度，性能提高10⁶倍。

具体实施方式二：采用实施方式一所述高精度光电流监视电路制作的前置放大器，它包括光电流监视电路Monitor和跨阻放大器TIA电路模块；

光电流监视电路Monitor包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON；

跨阻放大器TIA电路模块包括误差放大器A3和电阻R0，误差放大器A3的输入端和输出端之间跨接电阻R0；

误差放大器A3的输入端作为跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA；误差放大器A3的输出端作为跨阻放大器TIA电路的输出端VO3；

光电流的输出端PINK连接光电二极管D0的阴极，光电二极管D0的阳极连接跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA。

光监视电流是前置放大器的性能指标之一、实施方式一中的高精度光电流监视电路提高了前置放大器中的光监视电流的精度，使得前置放大器能精确的监视光电二极管的电流大小。

Claims (2)

1.高精度光电流监视电路，其特征在于，它包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON。

2.采用权利要求1所述高精度光电流监视电路制作的前置放大器，其特征在于，它包括光电流监视电路Monitor和跨阻放大器TIA电路模块；

光电流监视电路Monitor包括误差放大器A1、误差放大器A2、PMOS晶体管MP1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3、电流源I0、电阻R1、电阻R_MON和电容C0；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极和电阻R1的一端同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极、PMOS晶体管MP2的栅极和电容C0的一端同时连接误差放大器A1的输出端VO1；

PMOS晶体管MP1的漏极同时连接误差放大器A2的同相输入端VP2、误差放大器A1的同相输入端VP1，且上述连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端PINK；

电阻R1的另一端同时连接误差放大器A1的反相输入端VN1、电流源I0的正端和电容C0的另一端，电流源I0的负端连接GND；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接误差放大器A2的反相输入端VN2和PMOS晶体管MP3的源极，PMOS晶体管MP3的栅极连接误差放大器A2的输出端VO2，PMOS晶体管MP3的漏极连接电阻R_MON的一端，电阻R_MON的另一端连接GND；

PMOS晶体管MP3的漏极和电阻R_MON连接的公共节点作为高精度光电流监视电路的输出端MON；

跨阻放大器TIA电路模块包括误差放大器A3和电阻R0，误差放大器A3的输入端和输出端之间跨接电阻R0；

误差放大器A3的输入端作为跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA；误差放大器A3的输出端作为跨阻放大器TIA电路的输出端VO3；

光电流的输出端PINK连接光电二极管D0的阴极，光电二极管D0的阳极连接跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA。