CN105048973A - 带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器，属于微电子领域，本发明为解决低输入电流幅度的输入噪声，和高输入电流幅度引起的非线性问题。本发明包括TIA放大器A1、TIA放大器A3、误差放大器A2、滤波电容C1、反馈电阻R_F、R_FR、NMOS晶体管M1、M2、电流源IN和offset电压源V₁；VDD连IN正端，IN负端同时连M1漏极、A1输入端和R_F一端，M1源极接地；M1栅极同时连接M2栅极、A2输出端和C1一端，C1另一端和M2源极接地；M2漏极同时连接A3输入端和R_FR一端，A3输出端同时连接R_FR另一端和V₁正端，V₁负端连接A2同相输入端；A2反相输入端同时连接A1输出端和R_F另一端。

Description

带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器

技术领域

本发明涉及一种跨阻放大器，属于微电子领域。

背景技术

光信号能量经过光纤在到达接收端的光电二极管之前会发生一定的损耗。在接收端，光电二极管按照一定的比例将光强转换为电流，然后通过一个跨阻放大器(TIA)将这个电流放大并转换成电压。

图1是跨阻放大器TIA的电路原理图，TIA由三极管Q1、Q2、Q3和电阻R₁、R₂、R_F、R_E组成。输入电流均通过反馈电阻R_F，Q3的集电极电压为TIA的输出信号，即节点a输出电压Vout。输入电流流过跨阻放大器的反馈电阻R_F会产生一个电压，输入电流幅度较大时，R_F的电压很大，节点b的电压V_E过低，Q1的集电极电压降低使Q1进入饱和区，跨阻放大器会进入非线性区，发生过载效应，降低跨阻放大器的速度，导致脉宽失真和码间干扰。解决过载效应的一种办法就是根据输入电流的幅度调整反馈电阻R_F，使跨阻放大器不会进入非线性区。由于光电二极管的光电流只有一个极性，所以输入电流有一个DC值，即平均电流，DC分量流过反馈电阻R_F，V_E的DC电压比输入端小一个DC电压，降低过载效应的另一种方法是使用直流恢复电路，反馈电阻R_F不通过输入电流的DC分量，只通过交流分量，V_E的DC电压与输入端相等。图2给出了常用的跨阻放大器直流恢复的电路结构，误差放大器A2检测反馈电阻R_F两端的电压，产生误差电压控制MOS晶体管M1，电流源IN输出的DC电流流过MOS晶体管M1，而不通过反馈电阻R_F。误差放大器A2输出端的滤波电容C1保证误差放大器A2采样的是直流电压。即使采用直流恢复电路，反馈电阻不通过直流电流，输入电流幅度过大，输入逻辑1的AC电流通过仍然有可能使V_E电压过低而进入非线性区。

假设跨阻放大器A1是理想的，所以输入端的等效输入噪声为反馈电阻R_F的噪声的MOS晶体管M1噪声之和：

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{I_{n,in}^2}=\stackrel{\‾}{I_{n,R_F}^2}+\stackrel{\‾}{I_{n,M1}^2}\\ =4kT(R_F+\frac{2}{3}{g}_{m1})\end{array}$

$g_{m1}=\sqrt{2I_{D1}*{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}\frac{W}{L}}$

其中，I_n,in为等效输入噪声，为反馈电阻R_F的噪声，I_n,M1为MOS晶体管M1噪声，k为玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，μ_n是沟道电子的迁移率，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，是NMOS晶体管的宽长比。

由于光纤传输距离和光电二极管的响应度不同，接收端光电二极管得到的电流幅度也不同，在几微安到几个毫安之间，TIA的设计需要在噪声、带宽、增益、灵敏度和动态范围之间进行权衡，并且在CMOS和双极型技术方面提出了严峻的挑战。

发明内容

本发明目的是为了解决低输入电流幅度的输入噪声，和高输入电流幅度引起的非线性问题，提供了一种带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器。

本发明所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器，它包括TIA放大器A1、TIA放大器A3、误差放大器A2、滤波电容C1、反馈电阻R_F、反馈电阻R_FR、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、电流源IN和offset电压源V₁；

电源VDD连接电流源IN的正端，电流源IN的负端同时连接NMOS晶体管M1的漏极、TIA放大器A1的输入端和反馈电阻R_F的一端，NMOS晶体管M1的源极接地；NMOS晶体管M1的栅极同时连接NMOS管M2的栅极、误差放大器A2的输出端和滤波电容C1的一端，滤波电容C1的另一端接地；

NMOS晶体管M2的源极接地；

NMOS晶体管M2的漏极同时连接TIA放大器A3的输入端和反馈电阻R_FR的一端，TIA放大器A3的输出端同时连接反馈电阻R_FR的另一端和offset电压源V₁的正端，offset电压源V₁的负端连接误差放大器A2的同相输入端；

误差放大器A2的反相输入端同时连接TIA放大器A1的输出端和反馈电阻R_F的另一端。

本发明的优点：本发明中提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器电路，TIA放大器A1放大输入电流信号，输出电压信号。TIA放大器A3(A3与A1相同)输出一个参考电压，误差放大器A2输出误差电压控制NMOS晶体管M1和M2。发明中提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器减小低输入电流幅度时的噪声，高输入电流幅度动态提高V_E的DC电压已经通过了仿真结果验证。通过仿真，计算带宽内的等效输入噪声电流，常用的跨阻放大器的输入噪声为1.264uA，本发明中提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的输入噪声为1.121uA。从仿真结果可以看出，本发明提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的输入噪声明显好于常用的跨阻放大器的输入噪声，噪声减小了0.143uA。

图5给出本发明带offset和动态直流恢复的跨阻放大器的V_E的DC电压随输入电流幅度变化的V-I曲线，高输入电流幅度时，提高V_E的DC电压。避免输入逻辑电压1时，V_E电压过低而进入非线性区。

附图说明

图1是跨阻放大器TIA的电路原理图；

图2是常用的直流恢复电路原理图；

图3是本发明所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的电路原理图；

图4是本发明所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的V-I特性；

图5是本发明所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的V-I仿真曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3至图5说明本实施方式。本实施方式所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器，它包括TIA放大器A1、TIA放大器A3、误差放大器A2、滤波电容C1、反馈电阻R_F、反馈电阻R_FR、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、电流源IN和offset电压源V₁；

电源VDD连接电流源IN的正端，电流源IN的负端同时连接NMOS晶体管M1的漏极、TIA放大器A1的输入端和反馈电阻R_F的一端，NMOS晶体管M1的源极接地；NMOS晶体管M1的栅极同时连接NMOS管M2的栅极、误差放大器A2的输出端和滤波电容C1的一端，滤波电容C1的另一端接地；

NMOS晶体管M2的源极接地；

NMOS晶体管M2的漏极同时连接TIA放大器A3的输入端和反馈电阻R_FR的一端，TIA放大器A3的输出端同时连接反馈电阻R_FR的另一端和offset电压源V₁的正端，offset电压源V₁的负端连接误差放大器A2的同相输入端；

误差放大器A2的反相输入端同时连接TIA放大器A1的输出端和反馈电阻R_F的另一端。

“TIA放大器”即为“跨阻放大器”，TIA放大器A1输出节点c的电压为V_E，TIA放大器A3输出节点d的电压V_ER，误差放大器A2的同相输入端电压V_ER2。

工作原理：本发明中提出了带有offset和动态直流恢复跨阻放大器的电路，具有offset和动态直流恢复电路是该发明实现方式的关键。

在阐述常用的直流恢复的跨阻放大器电路中，由于流过反馈电阻R_F的DC电流为零，输入电流的DC电流均流过NMOS晶体管M1，M1的噪声直接耦合到跨阻放大器的输入噪声，低输入电流幅度情况下，噪声对跨阻放大器的灵敏度影响很大，图3中提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器降低了常用的跨阻放大器中M1的噪声对跨阻放大器的输入噪声的贡献。同时M2的电流流过复制TIA放大器A3的反馈电阻R_FR，动态调整V_ER2的电压，从而动态的调整TIA放大器A1的DC电压V_E，V_E的DC电压随输入电流幅度动态调整。

误差放大器A2使得反相输入端电压V_E和同相输入端电压V_ER2的电压值相等，输入电流幅度为零，V_E的电压和A3的输出端电压V_ER的电压值相等，V_ER2的电压与V_ER相差一个V_offset电压：

V_ER2＝V_ER-V_offset

V_offset为offset电压源V₁的电压值，所以V_E的电压高于V_ER2的电压，误差放大器A2输出电压为低电平，晶体管M1和晶体管M2截止，电流为零，噪声也为零。跨阻放大器的等效输入噪声为反馈电阻R_F的噪声：

$\stackrel{\‾}{I_{n,in}^2}=\stackrel{\‾}{I_{n,R_F}^2}=4{\mathrm{kTR}}_F$

其中：I_n,in为等效输入噪声，为反馈电阻R_F的噪声，k为玻尔兹曼常数，T是开尔文温度；

输入电流变大时(即IN输出电流变大)，V_E的电压下降，V_E电压与V_ER2电压相等时晶体管M1和晶体管M2导通，此时的输入电流为阈值电流I_th：

$I_{th}=\frac{V_{offset}}{R_F}$

输入电流小于I_th时，V_E的电压高于V_ER2的电压，误差放大器A2输出电压为低电平，晶体管M1和晶体管M2截止：

I_M1＝0

$I_{M2}=\frac{1}{n}*I_{M1}=0$

V_ER2＝V_BE-V_offset

V_E＝V_BE-I_in*R_F

其中，I_M1为流过晶体管M1的电流，I_M2为流过晶体管M2的电流，n为晶体管M1和晶体管M2宽长比的比值，V_BE为跨阻放大器A3的输入端的电压值(为一个发射结电压，如图1中的Q1发射结电压)I_in为输入电流。

输入电流大于I_th，M1和M2导通，V_E和V_ER2电压相等，

$V_{ER2}=(V_{BE}-V_{offset})+\frac{1}{n}{I}_{M1}*R_{FR}$

V_E＝V_BE+(I_M1-Iin)*R_F

V_E＝V_ER2

解得：

$I_{M1}=\left\{\begin{array}{cc}0& (0<I_{in}<I_{th})\\ \frac{n}{n-1}*(I_{in}-I_{th})& (I_{in}>I_{th})\end{array}\right.$

所以：

$V_E=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{BE}-I_{in}*R_F& (0<I_{in}<I_{th})\\ (V_{BE}-\frac{n}{n-1}*V_{offset})+\frac{1}{n-1}*I_{in}*R_F& (I_{in}<I_{th})\end{array}\right.$

输入电流幅度大于阈值电流I_th，V_E的电压会随输入电流的增加线性增加，使得V_E的电压在高输入电流幅度有足够的余量而不进入非线性区。

通过仿真，计算带宽内的等效输入噪声电流，常用的跨阻放大器的输入噪声为1.264uA，本发明中提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的输入噪声为1.121uA。从仿真结果可以看出，本发明提出的带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器的输入噪声明显好于常用的跨阻放大器的输入噪声，噪声减小了0.143uA。

图5给出本发明带offset和动态直流恢复的跨阻放大器的V_E的DC电压随输入电流幅度变化的V-I曲线，高输入电流幅度时，提高V_E的DC电压。避免输入逻辑电压1时，V_E电压过低而进入非线性区。

Claims (1)

1.带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器，其特征在于，它包括TIA放大器A1、TIA放大器A3、误差放大器A2、滤波电容C1、反馈电阻R_F、反馈电阻R_FR、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、电流源IN和offset电压源V₁；

电源VDD连接电流源IN的正端，电流源IN的负端同时连接NMOS晶体管M1的漏极、TIA放大器A1的输入端和反馈电阻R_F的一端，NMOS晶体管M1的源极接地；NMOS晶体管M1的栅极同时连接NMOS管M2的栅极、误差放大器A2的输出端和滤波电容C1的一端，滤波电容C1的另一端接地；

NMOS晶体管M2的源极接地；

NMOS晶体管M2的漏极同时连接TIA放大器A3的输入端和反馈电阻R_FR的一端，TIA放大器A3的输出端同时连接反馈电阻R_FR的另一端和offset电压源V₁的正端，offset电压源V₁的负端连接误差放大器A2的同相输入端；

误差放大器A2的反相输入端同时连接TIA放大器A1的输出端和反馈电阻R_F的另一端。