CN104991599B - 具有失调消除功能的光电流监视电路及应用该监视电路的前置放大器 - Google Patents

Abstract

具有失调消除功能的光电流监视电路及应用该监视电路的前置放大器，属于光纤通信领域，本发明为解决常用光功率监视电路中监视电流精度随运算放大器失调电压变化的问题。本发明包括误差放大器A1、A2、PMOS晶体管MP1～MP4、电流源I0、电阻R1～R4、电阻R_MON、电容C0～C3、开关S0～S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；开关S0、S2的状态相同，开关S1、S3、S4的状态相同，且两组开关同时开关S0、S2和开关S1、S3、S4的状态相反。无论MP1工作在线性区还是饱和区，MP2镜像MP1的电流精度变高，降低了电流之间的失调。

Description

具有失调消除功能的光电流监视电路及应用该监视电路的前置放大器

技术领域

本发明涉及一种具有失调消除功能的光电流监视电路。

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。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(ReceivesSignalStrengthIndication，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_VO1-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_VO1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}|＝|V_VO1-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。

因此，流过PMOS晶体管MP1为光电流，PMOS晶体管MP2镜像PMOS晶体管MP1的电流，形成光功率监视电流。

实际应用中，常用的光电流监视电路Monitor的输出端PINK通过光电二极管D0连接到跨阻放大器TIA的输入端PINA。而监视端MON则通过监视电阻R_MON连接到GND。

这样PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的漏源电压差△V_DS很大，由于晶体管存在沟道长度调制效应，所以光监视电流镜像精度很低。

发明内容

本发明的目的是为了解决常用光功率监视电路中监视电流精度随运算放大器失调电压变化的问题，提供了一种具有失调消除功能的光电流监视电路及应用该监视电路的前置放大器。

本发明所述具有失调消除功能的光电流监视电路，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND。

应用所述具有失调消除功能的光电流监视电路制成的前置放大器，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；

电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND；

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；

光电流监视电路Monitor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：本发明中提出的具有失调消除功能的光电流监视电路对降低光功率监视电流的失调已经通过了仿真结果验证。图5给出了在光电二极管的电流为30μA的条件下，常用光电流监视电路中的监视电流I_MON分布图，其中横坐标表示光监视电流I_MON的大小，纵坐标表示在某一电流范围内的电流出现的个数。图6给出了在光电二极管的电流为30μA的条件下，本发明中提出的具有失调消除功能的光电流监视电路中光监视电流I_MON分布图，其中横坐标表示光监视电流I_MON的大小，纵坐标表示在某一电流范围内的电流出现的个数。在图5中，常用光功率监视电流I_MON的分布范围为25μA～33μA比图6中的光监视电流I_MON的范围29.25μA～31μA要大。从图5中可以看出常用光功率监视电流I_MON的最小值为25μA，最大值为33μA，因此常用光功率监视电流I_MON的最小误差和最大误差分别为10％和16.7％；从图6中可以看出本发明中的具有失调消除功能的光电流监视电路中光监视电流I_MON的最小值为29.25μA，最大值为31μA，因此本发明中的具有失调消除功能的光电流监视电路中的电流I_MON的最小误差和最大误差分别为2.5％和3.3％。

图7给出了在光电二极管的电流为10nA的条件下，常用的光功率监视电路中光监视电流I_MON分布图，其中横坐标表示光监视电流I_MON的大小，纵坐标表示在某一电流范围内的电流出现的个数。图8给出了在光电二极管的电流为10nA的条件下，本发明中提出的具有失调消除功能的光电流监视电路中光监视电流I_MON分布图，其中横坐标表示光监视电流I_MON的大小，纵坐标表示在某一电流范围内的电流出现的个数。在图7中，常用光功率监视电流I_MON的分布范围为0.5nA～17.5nA比图8中的光监视电流I_MON的范围0nA～15nA要大。在产品的设计中，客户要求的光电流在光电流为10nA情况下的失调电流不能超过100nA。从图7中可以看出常用光功率监视电流I_MON的最小值为0.5nA，最大值为17.5nA，因此常用光功率监视电流I_MON的最小误差和最大误差分别为75％和95％；从图8中可以看出本发明中具有失调消除功能的光电流监视电路中的监视电流I_MON的最小值为0.5nA，最大值为15nA，因此本发明中的具有失调消除功能的光电流监视电路中的监视电流I_MON的最小误差和最大误差分别为50％和95％。比较结果表明，在光电二极管电流为30μA条件下，本发明提出的具有失调消除功能的光功率电流监视电路明显好于常用的光功率电流监视电路，其最差性能改善也有13.4％；在光电二极管电流为10nA条件下，本发明提出的具有失调消除功能的光功率电流监视电路明显好于常用的光功率电流监视电路，其最差性能改善了25％。

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是常用光电流监视电路的电路图；

图3是本发明所述具有失调消除功能的光电流监视电路的电路图；

图4是图3光电流监视电路中运算放大器A2的核心电路结构图；

图5是光电流为30uA条件下，图3所示常用光功率监视电流电路中的监视电流IMON分布图；其中mu表示平均光监视电流的大小，sd表示光监视电流的均方根，N表示样本的个数；

图6是光电流为30uA条件下，本发明所述具有失调消除功能的光电流监视电路中监视电流IMON分布图；其中mu表示平均光监视电流的大小，sd表示光监视电流的均方根，N表示样本的个数；

图7是光电流为10nA条件下，图3所示常用光功率监视电流电路中的监视电流IMON分布图；其中mu表示平均光监视电流的大小，sd表示光监视电流的均方根，N表示样本的个数；

图8是光电流为10nA条件下，本发明所述具有失调消除功能的光电流监视电路中监视电流IMON分布图，其中mu表示平均光监视电流的大小，sd表示光监视电流的均方根，N表示样本的个数。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3至图8说明本实施方式，本实施方式所述具有失调消除功能的光电流监视电路，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND。

开关S0和开关S2的状态相同，开关S1、开关S3和开关S4的状态相同，且开关S0与开关S1的状态互补；

电路按工作周期T周而复始工作，在每个工作周期的两个阶段分别执行对五个开关的控制指令：

第一个阶段：开关S0和开关S2闭合，开关S1、开关S3和开关S4断开；

第二个阶段：开关S0和开关S2断开，开关S1、开关S3和开关S4闭合。

下面结合图3和图4说明工作原理。本发明中提出了具有失调消除功能的光功率电流监视电路，可以降低运算放大器失调电压对光电流监视精度的影响，提高光电流的监视精度。

在常用的光功率电流监视的电路中，由于晶体管存在沟道长度调制效应和运放的输入端存在电压失调，导致产生的光电流和光监视电流之间存在较大偏差，图3中提出的具有失调消除功能的光功率电流监视电路解决了常用的光监视电路中出现失调的问题和PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2只能工作在饱和区的问题。

图4是运算放大器A2的核心电路，其中包括第一跨导级Gm1(增益为G_m1)、第二跨导级Gm2(增益为G_m2)和第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2的负载R(增益为R)；第一跨导级Gm1由NMOS晶体管MP5、NMOS晶体管MP6和NMOS晶体管MP17组成；第二跨导级Gm2由NMOS晶体管MP15、NMOS晶体管MP16和NMOS晶体管MP18组成；第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2的负载R由PMOS晶体管MP13、PMOS晶体管MP14、PMOS晶体管MP11，PMOS晶体管MP12、NMOS晶体管MP9、NMOS晶体管MP11、NMOS晶体管MP7、NMOS晶体管MP8组成；PMOS晶体管MP13的源极和PMOS晶体管MP14的源极同时连接电源VDD，PMOS晶体管MP13的栅极和PMOS晶体管MP14的栅极同时连接EN1；

PMOS晶体管MP13的漏极、NMOS晶体管MP15的漏极、NMOS晶体管MP5的漏极同时连接PMOS晶体管MP11的源极；

PMOS晶体管MP14的漏极、NMOS晶体管MP16的漏极、NMOS晶体管MP6的漏极同时连接PMOS晶体管MP12的源极；

PMOS晶体管MP11的栅极和PMOS晶体管MP12的栅极同时连接EN2；

PMOS晶体管MP11的漏极、NMOS晶体管MP9的漏极同时连接NMOS晶体管MP7的栅极和NMOS晶体管MP8的栅极；

PMOS晶体管MP12的漏极和NMOS晶体管MP10的漏极相连，它们的公共节点作为输出节点VO2；

NMOS晶体管MP9的栅极和NMOS晶体管MP10的栅极同时连接EN3；

NMOS晶体管MP9的源极连接NMOS晶体管MP7的漏极；NMOS晶体管MP10的源极连接NMOS晶体管MP8的漏极；NMOS晶体管MP7的源极和NMOS晶体管MP8的源极同时连接GND；

NMOS晶体管MP5的源极和NMOS晶体管MP6的源极同时连接NMOS晶体管MP17的漏极；

NMOS晶体管MP5的栅极连接失调电压VOS1的负端，失调电压VOS1的正端连接VP2；

NMOS晶体管MP6的栅极连接VN2，NMOS晶体管MP17的栅极和NMOS晶体管MP18的栅极同时连接EN4，NMOS晶体管MP17和NMOS晶体管MP18的源极同时连接GND；

NMOS晶体管MP15的源极和NMOS晶体管MP16的源极同时连接NMOS晶体管MP18的漏极，NMOS晶体管MP15的栅极连接失调电压VOS2的正端，失调电压VOS2的负端连接VIP；

NMOS晶体管MP16的栅极连接VIN。

其中EN1、EN2、EN3、EN4是相对应管子的栅极偏置电压，VOS1表示第一跨导级Gm1的输入失调电压，VOS2表示第二跨导级Gm2的输入失调电压；VIP、VIN、VP2、VN2分别对应图2中运算放大器A2的输入端VIP、VIN、VP2、VN2。

在图3和图4中，开关S0、开关S2的状态相同，开关S1、开关S3、开关S4的状态相同，同时开关S0、开关S2和开关S1、开关S3、开关S4的状态相反。在一个工作周期的第一个阶段：开关S0、开关S2闭合，开关S1、开关S3、开关S4断开，失调电压VOS通过运算放大器A2放大，此时，由电容C1,电容C2构成的第二跨导级电路呈现出零失调电压，而且电路仅放大输入失调VOS1的电压变化量，A2的输出电压：

VO2_1＝VOS1×A2(6)

当所有的结点电压都稳定时，输出电压VO2_1存储在电容C3中；

在该工作周期的第二个阶段到来时，开关S1、开关S3、开关S4闭合(无失调消除功能)，开关S0、开关S2断开。此时，存储在电容C3上的电压通过开关S3向电容C1充电；第一跨导级运算放大器的输入端短路，第一跨导级Gm1输入失调为0，失调电压VOS2通过运算放大器A2放大，此时A2的输出电压：

VO2_2＝VOS2×A2(7)

当所有的结点电压都稳定时，输出电压VO2_2存储在电容C2中；

将G_m2的失调电压也考虑在内，可得：

[G_m1VOS1-G_m2(V_OUT-VOS2)]×R＝V_OUT(8)

因此，

$V_{OUT}=\frac{G_{m1}RVOS1+G_{m2}RVOS2}{1+G_{m2}R}---\left(9\right)$

当开关S3断开后，这个电压存储在电容C1与C2上。因此，图4中Gm1的输入端的参考失调电压可以写为：

$V_{os,tot}=\frac{V_{OUT}}{G_{m1}R}---\left(10\right)$

$=\frac{VOS1}{1+G_{m2}R}+\frac{G_{m2}}{G_{m1}}\frac{VOS2}{1+G_{m2}R}---\left(11\right)$

$\≈\frac{VOS1}{G_{m2}R}+\frac{VOS2}{G_{m1}R}---\left(12\right)$

其中，我们假设G_m2R>>1，如果G_m2R和G_m1R均比较大，则V_os，tot非常小。

图3中的运算放大器A2使得第一跨导级Gm1的同相输入端和反向输入端的电压相等：

V_VN2＝V_VP2(13)

其中V_VN2是误差放大器A2的第一跨导级Gm1的反向输入端的电压，V_VP2是误差放大器A2的第一跨导级Gm1的同相输入端的电压。

因此：

V_{DS_P1}＝V_{DS_P2}(14)

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；

由

$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(15\right)$

$I_D=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{ox}\frac{W}{L}{\left(\right|V_{GS\_MP1}|-|V_{TH0}\left|\right)}^2(1+\mathrm{\λ}|V_{DS}\left|\right)---\left(16\right)$

其中公式(15)是晶体管工作在线性区的电流表达式，公式(16)是晶体管工作在饱和区的电流表达式。

因此，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，降低了电流之间的失调。

图5、图6分别给出了在光电二极管电流为30μA条件下，常用的光功率电流监视电路的光监视电流I_MON蒙特卡诺仿真的正态分布图和本发明中具有失调消除功能的光功率电流监视电路的光监视电流I_MON分布图。从图5和图6的比较中可以看出，在光电二极管电流为30μA条件下，本发明提出的具有失调消除功能的光功率电流监视电路的电流I_MON的相对误差比常用结构好13.4％左右；图7、图8分别给出了在光电二极管电流为10nA条件下，常用的光功率电流监视电路的光监视电流I_MON分布图和本发明中具有失调消除功能的光功率电流监视电路的光监视电流I_MON分布图。从图7和图8的比较中可以看出，在光电二极管电流为10nA条件下，本发明中提出的具有失调消除功能的光功率电流监视电路的电流I_MON的相对误差比常用结构好25％左右。

具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，应用实施方式一所述具有失调消除功能的光电流监视电路制成的前置放大器，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级GM2反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；

电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级GM2同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级GM2反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND；

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；

光电流监视电路Monitor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。

开关S0和开关S2的状态相同，开关S1、开关S3和开关S4的状态相同，且开关S0与开关S1的状态互补；

电路按工作周期T周而复始工作，在每个工作周期的两个阶段分别执行对五个开关的控制指令：

第一个阶段：开关S0和开关S2闭合，开关S1、开关S3和开关S4断开；

第二个阶段：开关S0和开关S2断开，开关S1、开关S3和开关S4闭合。

本实施方式是采用实施方式一记载的光电流监视电路制成的前置放大器，光监视电流是前置放大器的性能指标之一、实施方式一中的具有失调消除的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 (4)

1.具有失调消除功能的光电流监视电路，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1的同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1的反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2的同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2的反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND。

2.根据权利要求1所述具有失调消除功能的光电流监视电路，其特征在于，开关S0和开关S2的状态相同，开关S1、开关S3和开关S4的状态相同，且开关S0与开关S1的状态互补；

电路按工作周期T进行周而复始的工作，在每个工作周期T的两个阶段分别执行对五个开关的控制指令：

第一个阶段：开关S0和开关S2闭合，开关S1、开关S3和开关S4断开；

第二个阶段：开关S0和开关S2断开，开关S1、开关S3和开关S4闭合。

3.应用具有失调消除功能的光电流监视电路制成的前置放大器，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、PMOS晶体管MP4、电流源I0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R_MON、电容C0、电容C1、电容C2、电容C3、开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4；误差放大器A2具有两级跨导级：第一跨导级Gm1和第二跨导级Gm2；

PMOS晶体管MP1的源极、PMOS晶体管MP2的源极、电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端同时连接直流电源VDD，PMOS晶体管MP1的栅极和PMOS晶体管MP2的栅极同时连接误差放大器A1的输出端VO1和电容C0的一端；

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

PMOS晶体管MP1的漏极、电阻R4的另一端、误差放大器A1的同相输入端VP1、开关S1的一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1的同相输入端VP2，且连接的公共节点作为光电流的输出端PINK；

PMOS晶体管MP2的漏极同时连接电阻R3的另一端、PMOS晶体管MP3的源极和开关S0的一端；开关S0的另一端与开关S1的另一端同时连接误差放大器A2的第一跨导级Gm1的反相输入端VN2；

PMOS晶体管MP3的栅极同时连接PMOS晶体管MP4的源极和电阻R2的另一端；

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光电流监视电路的输出端MON；

PMOS晶体管MP4的栅极同时连接电容C3的一端、开关S2的一端和开关S3的一端；

电容C3的另一端接地；

开关S2的另一端同时连接误差放大器A2的输出端VO2和开关S4的一端；开关S4的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2的同相输入端VIP和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；

开关S3的另一端同时连接误差放大器A2的第二跨导级Gm2的反相输入端VIN和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；

PMOS晶体管MP4的漏极连接GND；

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电路模块的输出端VO3；

光电流监视电路Monitor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。

4.根据权利要求3所述前置放大器，其特征在于，开关S0和开关S2的状态相同，开关S1、开关S3和开关S4的状态相同，且开关S0与开关S1的状态互补；

电路按工作周期T进行周而复始的工作，在每个工作周期T的两个阶段分别执行对五个开关的控制指令：

第一个阶段：开关S0和开关S2闭合，开关S1、开关S3和开关S4断开；

第二个阶段：开关S0和开关S2断开，开关S1、开关S3和开关S4闭合。