CN106253870B - 一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器 - Google Patents

一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电子集成电路技术，提供一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，包括：第一级运算放大器、第二级电流镜、内含第一自动增益反馈电路的第三级局部跨阻放大器，以及第三级到第一级之间的第二自动增益反馈电路。本发明的有益效果为，利用自动增益反馈电路对于输入光电流信号的动态范围进行了有效拓宽，并在宽动态范围下光电流信号较大时有效调节带宽，保证环路稳定性，同时电路具有结构简单和易于集成的特点。

Description

一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器
技术领域
本发明涉及光电子集成电路技术领域，具体涉及一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器。
背景技术
在光通信系统中，前置放大器是光接收机的关键部分，对整个系统的性能如速度、信噪比等都有重大影响。前置放大器通常选用跨阻放大器的形式，其作用是将光电管在光照条件下产生的光电流信号转化为电压信号，并进行放大。要改善光接收机的性能，就必须提高前置放大器的性能，这要求前置放大器一方面具有较高的增益，以避免由于后接的主放大器噪声影响而引起的信噪比的下降；另一方面，为了接收到大动态范围的光电流信号，需要加上自动增益控制电路并对其进行优化。
发明内容
本发明要解决的问题：一是宽动态范围下，输入光电流较大时，电路进入非线性工作状态，跨阻放大器的等效带宽减小，响应速度变慢；二是在调节跨阻增益的过程中，主极点被推高，可能导致跨阻放大器不稳定。本发明提出一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，其第一自动增益反馈电路和第二自动增益反馈电路共同调节跨阻放大器带宽，保证环路稳定工作，第二自动增益反馈电路有效拓宽光电流输入范围。
本发明提供以下技术方案：
一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，包括第一级运算放大器gm、第二级电流镜、内含第一自动增益反馈电路的第三级局部跨阻放大器，以及连接于第三级局部跨阻放大器和第一级运算放大器gm之间的第二自动增益反馈电路；其中，第一级运算放大器gm的负输入端输入光电流信号Iin，第三级局部跨阻放大器的输出端输出电压信号；第一级运算放大器gm的负输入端作为整个跨阻放大器的输入端，第三级局部跨阻放大器的输出端作为整个跨阻放大器的输出端，第一级运算放大器的正输入端接地；第二级电流镜的输入端连接第一级运算放大器的输出端；第三级局部跨阻放大器的输入端连接第二级电流镜的输出端；第二自动增益反馈电路，连接在第一级运算放大器的负输入端与第三级局部跨阻放大器的输出端之间。
进一步地，第二级电流镜包括：第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2；其中，第一PMOS管MP1的漏极和栅极与第二PMOS管MP2的栅极均连接偏置电流Ibias，第一PMOS管MP1的源极与第二PMOS管MP2的源极均连接电源电压VDD，第二PMOS管(MP2)的漏极连接第二NMOS管(MN2)的漏极，第一NMOS管(MN1)的栅极和漏极与第二NMOS管(MN2)的栅极均连接第一级运算放大器的输出端，第一NMOS管(MN1)的源极和第二NMOS管(MN2)的源极均接地。
进一步地，第二级电流镜采用其他改进型电流镜，比如共源共栅结构电流镜等。
进一步地，第三级局部跨阻放大器包括：第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3和第一自动增益反馈电路；第一自动增益反馈电路由第一局部反馈电阻R3、第二局部反馈电阻R4和第一自动增益控制管MP4组成；第二级电流镜的输出端，即第二PMOS管(MP2)的漏极通过第一局部反馈电阻R3和第二局部反馈电阻R4的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端，即第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极；第一自动增益控制管MP4的漏极和栅极互连并接第一局部反馈电阻R3与第二局部反馈电阻R4的连接点，第一自动增益控制管MP4源极接第三级局部跨阻放大器的输出端；第三PMOS管MP3的源极连接电源电压VDD，其栅极连接偏置电流Ibias，第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极互连，第三NMOS管MN3的栅极接第二级电流镜的输出端，第三NMOS管MN3的源极接地。
进一步地，第一局部反馈电阻R3的阻值小于第二局部反馈电阻R4的阻值。
进一步地，第二自动增益反馈电路包括：第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2以及第二自动增益控制管MP5；整个跨阻放大器的输入端通过第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端；第二自动增益控制管MP5的漏极和栅极互连并接第一反馈电阻R1与第二反馈电阻R2的连接点，第二自动增益控制管MP5的源极接第三级局部跨阻放大器的输出端。
本发明的有益效果如下：
自动增益控制：第二自动增益反馈电路中，第五PMOS管MP5以二极管连接形式和第二反馈电阻R2并联，当输出电压增大使第二反馈电阻R2压降达到第五PMOS管MP5阈值电压时，第五PMOS管MP5导通，从而减小了整个跨阻放大器的跨阻增益，拓宽了光电流输入的动态范围；与此同时，第一自动增益反馈电路中，第四PMOS管MP4以二极管连接形式和第二局部反馈电阻R4并联，当输出电压增大使第二局部反馈电阻R4压降达到第四PMOS管MP4阈值电压时，第四PMOS管导通，从而减小局部跨阻放大器的跨阻增益，有效调节跨阻放大器带宽，保证足够的相位裕度。
高增益：采用局部跨阻放大器，第一局部反馈电阻R1和第二局部反馈电阻R2提供大的局部跨阻增益，且不会引入低频极点。
结构简单：传统的自动增益控制通路由一个峰值检测器、一个比较器和一个积分器构成，本发明跨阻放大器中的自动增益控制通路仅由一个NMOS晶体管和一个反馈电阻并联而成，大大降低了设计的复杂性。
附图说明
图1是基本跨阻放大器逻辑结构示意图。
图2是图1的小信号等效图。
图3是自动增益控制原理图。
图4是本发明的跨阻放大器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1和图2为基本跨阻放大器逻辑结构示意图和小信号等效图，在图2中，ipd是输入光电流信号，Cpd是光电二极管的寄生电容，Cin,A是跨阻放大器的等效输入电容，A是电压放大器直流增益，Rout,A是电压放大器A的输出电阻，RTIA是反馈电阻，CL为负载电容，通常远远小于Cpd。
假设A＞＞1，且Rout,A＜＜RTIA，图2中跨阻放大器的跨阻传递函数为：
由于CL通常远远小于Cpd，则电路主极点在输入端。
图3为自动增益控制原理图，为了使跨阻放大器具有较宽的输入范围，可以对跨阻放大器的增益进行动态控制，避免输出管进入线性区。如图3所示，将反馈电阻RTIA分为两部分RTIA1和RTIA2，且用一个二极管接法的MOS管MP5与RTIA2并联。
当输出电压较小时，MP5管截止，总的反馈电阻为RTIA1和RTIA2串联，跨阻增益较大。当输出电压较大时，MP5管导通，且导通电阻较小，则总的反馈电阻为RTIA1串联上一个较小的等效电阻1/gm_MP5，其相比输出电压较小时的电阻小。此时的等效跨阻增益为RTIA_有效＝RTIA1+1/gm_MP5，跨阻变小，输出电压不容易饱和，从而使输入光电流范围得以扩展。
如图4所示，是本发明的具体电路图，包括第一级运算放大器gm、第二级电流镜、内含第一自动增益反馈电路的第三级局部跨阻放大器，以及连接于第三级局部跨阻放大器和第一级运算放大器gm之间的第二自动增益反馈电路；其中，第一级运算放大器gm的负输入端输入光电流信号Iin，第三级局部跨阻放大器的输出端输出电压信号；第一级运算放大器gm的负输入端作为整个跨阻放大器的输入端，第三级局部跨阻放大器的输出端作为整个跨阻放大器的输出端，第一级运算放大器的正输入端接地；第二级电流镜的输入端连接第一级运算放大器的输出端；第三级局部跨阻放大器的输入端连接第二级电流镜的输出端；第二自动增益反馈电路，连接在第一级运算放大器的负输入端与第三级局部跨阻放大器的输出端之间。
第二级电流镜包括：第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2；其中，第一PMOS管MP1的漏极和栅极与第二PMOS管MP2的栅极均连接偏置电流Ibias，第一PMOS管MP1的源极与第二PMOS管MP2的源极均连接电源电压VDD，第二PMOS管(MP2)的漏极连接第二NMOS管(MN2)的漏极，第一NMOS管(MN1)的栅极和漏极与第二NMOS管(MN2)的栅极均连接第一级运算放大器的输出端，第一NMOS管(MN1)的源极和第二NMOS管(MN2)的源极均接地。第二级也可采用其他改进型电流镜，比如共源共栅结构电流镜等。
第三级局部跨阻放大器包括：第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3和第一自动增益反馈电路；第一自动增益反馈电路由第一局部反馈电阻R3、第二局部反馈电阻R4和第一自动增益控制管MP4组成；第二级电流镜的输出端，即第二PMOS管(MP2)的漏极通过第一局部反馈电阻R3和第二局部反馈电阻R4的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端，即第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极；第一自动增益控制管MP4的漏极和栅极互连并接第一局部反馈电阻R3与第二局部反馈电阻R4的连接点，第一自动增益控制管MP4源极接第三级局部跨阻放大器的输出端；第三PMOS管MP3的源极连接电源电压VDD，其栅极连接偏置电流Ibias，第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极互连，第三NMOS管MN3的栅极接第二级电流镜的输出端，第三NMOS管MN3的源极接地。
第一局部反馈电阻R3的阻值小于第二局部反馈电阻R4的阻值。
第二自动增益反馈电路包括：第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2以及第二自动增益控制管MP5；整个跨阻放大器的输入端通过第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端；第二自动增益控制管MP5的漏极和栅极互连并接第一反馈电阻R1与第二反馈电阻R2的连接点，第二自动增益控制管MP5的源极接第三级局部跨阻放大器的输出端。
本发明的工作原理为：
电路的输入级为运算放大器，提供高的跨导。当运算放大器等效输入电容等于光探测器寄生电容一半时，噪声性能最优。因此，运算放大器的输入管的尺寸取其栅电容等于光探测器寄生电容的一半时的尺寸。
电路的第二级为电流镜。其作用是隔离第三级和第一级。因为第一级的共源管的宽长比非常大，导致第一季的输出阻抗比较低，不能直接与第三级级联，否则将导致增益衰减。电流镜输入阻抗小，输出阻抗高，且电流增益为1。因为小的输入阻抗，第一级的小信号输出电流全部流进电流镜；由于输出阻抗高，输出电流可以全部耦合到下一级。小的等效输入电阻也使得该节点的非主极点非常高，使电压放大器的带宽非常高。
电路的第三级为共源放大器和电阻构成的局部跨阻放大器，其作用是在提供大的跨阻的同时不引入低频极点。对局部跨阻放大器进行小信号分析，得到该结构的精确传递函数为：
其中，Al＝－gm_MN3Ro，Ro是局部跨阻放大器的等效输出电阻。
由(2)式可得，该局部跨阻放大器是一个二阶系统。其中，Rl_TIA表示反馈电阻，CL表示漏极总的寄生电容，Cin表示局部跨阻放大器的等效输入电容，其值和CL相当。在本发明中Ro大于Rl_TIA，阻尼比ζ小于1，存在一对共轭极点。
当输出电压增大到使得第二自动增益控制管MP5导通，此时MP5处于亚阈值导通，此时的等效反馈电阻RTIA_有效＝R1+RMP5，RMP5是MP5管等效电阻，相比输出电压较小时的反馈电阻要小。这就保证了MP3管工作在饱和区，电路不会进入饱和非线性状态。由于电压放大器增益A不受影响，跨阻放大器带宽BWTIA＝A/2πRTIA_有效Cin增大(Cin为跨阻放大器等效输入电容)，响应速度加快，但容易造成相位裕度不够，环路不稳定。
为解决这一问题，本发明采用在局部反馈电阻上并联自动增益控制管构成第一自动增益反馈电路来解决。当输出电压增大，使得局部反馈电阻上并联的第一自动增益控制管MP4管导通，此时MP4也处于亚阈值导通，等效局部反馈电阻Rl_TIA_有效＝R3+RMP4，RMP4是MP4管等效电阻，相比输出电压较小时，局部反馈电阻减小，电压放大器增益A＝gm_MN1Rl_TIA_有效减小。因此，跨阻放大器带宽BWTIA＝A/2πRTIA_有效Cin保持基本不变，环路稳定。
当输出电压进一步增大，MP4和MP5进入饱和导通状态，进一步调节增益和带宽，使跨阻放大器正常工作。本发明的方案，基于自动增益控制，可使跨阻增益达到98dB以上，可检测到的光电流输入范围为6μA～30μA，实现高增益跨阻放大。
上述内容仅为本发明所提供的一种带有自动增益的高增益跨阻放大器的较佳可行的实施例，并非因此局限本发明保护范围，在本发明基本原理及其核心思想之上对具体实施方式做的改动，都应当属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，包括第一级运算放大器(gm)、第二级电流镜、内含第一自动增益反馈电路的第三级局部跨阻放大器，以及连接于第三级局部跨阻放大器和第一级运算放大器(gm)之间的第二自动增益反馈电路；其中，所述第一级运算放大器(gm)的负输入端输入光电流信号(Iin)，所述第三级局部跨阻放大器的输出端输出电压信号；所述第一级运算放大器(gm)的负输入端作为整个跨阻放大器的输入端，第三级局部跨阻放大器的输出端作为整个跨阻放大器的输出端，所述第一级运算放大器的正输入端接地；所述第二级电流镜的输入端连接所述第一级运算放大器的输出端；所述第三级局部跨阻放大器的输入端连接所述第二级电流镜的输出端；所述第二自动增益反馈电路，连接在所述第一级运算放大器的负输入端与所述第三级局部跨阻放大器的输出端之间；
所述第三级局部跨阻放大器包括：第三PMOS管(MP3)、第三NMOS管(MN3)和第一自动增益反馈电路；所述第一自动增益反馈电路由第一局部反馈电阻(R3)、第二局部反馈电阻(R4)和第一自动增益控制管(MP4)组成；第二级电流镜的输出端通过第一局部反馈电阻(R3)和第二局部反馈电阻(R4)的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端，即第三PMOS管(MP3)和第三NMOS管(MN3)的漏极；第一自动增益控制管(MP4)的漏极和栅极互连并接第一局部反馈电阻(R3)与第二局部反馈电阻(R4)的连接点，第一自动增益控制管(MP4)源极接第三级局部跨阻放大器的输出端；第三PMOS管(MP3)的源极连接电源电压(VDD)，其栅极连接偏置电流(Ibias)，第三PMOS管(MP3)和第三NMOS管(MN3)的漏极互连，第三NMOS管(MN3)的栅极接第二级电流镜的输出端，第三NMOS管(MN3)的源极接地；
所述第二自动增益反馈电路包括：第一反馈电阻(R1)和第二反馈电阻(R2)以及第二自动增益控制管(MP5)；整个跨阻放大器的输入端通过第一反馈电阻(R1)和第二反馈电阻(R2)的串联结构后连接第三级局部跨阻放大器的输出端；第二自动增益控制管(MP5)的漏极和栅极互连并接第一反馈电阻(R1)与第二反馈电阻(R2)的连接点，第二自动增益控制管(MP5)的源极接第三级局部跨阻放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，其特征在于，所述第二级电流镜包括：第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第一NMOS管(MN1)和第二NMOS管(MN2)；其中，所述第一PMOS管(MP1)的漏极和栅极与所述第二PMOS管(MP2)的栅极均连接偏置电流(Ibias)，所述第一PMOS管(MP1)的源极与所述第二PMOS管(MP2)的源极均连接电源电压(VDD)，所述第二PMOS管(MP2)的漏极连接所述第二NMOS管(MN2)的漏极，所述第一NMOS管(MN1)的栅极和漏极与所述第二NMOS管(MN2)的栅极均连接所述第一级运算放大器的输出端，所述第一NMOS管(MN1)的源极和所述第二NMOS管(MN2)的源极均接地。
3.根据权利要求1所述的一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，其特征在于，所述第二级电流镜采用共源共栅结构电流镜。
4.根据权利要求1所述的一种带有自动增益控制的高增益跨阻放大器，其特征在于，所述第一局部反馈电阻(R3)的阻值小于第二局部反馈电阻(R4)的阻值。
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