CN106505961B - 快速响应的自动增益控制电路 - Google Patents

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Abstract

快速响应的自动增益控制电路，属于集成电路下跨阻放大器TIA中的自动增益控制技术领域，本发明为解决常用的自动增益控制电路响应时间过久最终影响TIA整体性能的问题。本发明电路包括单端放大器A、NMOS晶体管MN1～MN2、电流源I0、电阻R0和电容C0；MN1的栅极连接电流源I0负端、MN2的栅极及漏极；电流源I0正端连接工作电源VDD；MN1的漏极连接跨阻放大器TIA的输入端；MN1的源极连接跨阻放大器TIA的输出端；MN2的源极同时连接单端放大器A的输入端、电阻R0的一端和电容C0的一端；电阻R0的另一端连接单端放大器A的输出端；电容C0的另一端连接GND。

Description

快速响应的自动增益控制电路
技术领域
本发明属于集成电路下跨阻放大器TIA中的自动增益控制技术领域。
背景技术
在光纤通信集成电路的接收端，需要将光信号通过光电二极管D0转换为电流信号，再通过跨阻放大器TIA将电流信号转换为电压信号。在跨阻放大器TIA增益不变的情况下，当输入较大电流，其工作范围不能适应Vout变化，电路的非线性问题变得非常严重。为此对跨阻放大器TIA引入自动增益控制电路AGC，当跨阻放大器TIA在输入电流变化情况下，能自主改变电路的跨阻增益，使输出电压幅度在合理的范围内。
图1给出了常用的自动增益控制电路的结构。图1中，单端放大器AF和反馈电阻RF组成了跨阻放大器TIA，并且得到一个RF(电阻RF的阻值)的中频带跨阻增益，电阻R1和电容C0组成低通滤波器对跨阻放大器TIA的输出电压Vout进行幅度采样，A0为误差放大器其输出控制NMOS晶体管MN1的栅压。
由于跨阻放大器TIA中的单端放大器AF增益为正，当跨阻放大器TIA的输入电流PINA增大，最终Vout电压升高.
Vout通过电阻R1和电容C0组成的低通滤波器，滤除高频量保留低频量输送到误差放大器A0的正极，当跨阻放大器TIA的输出电压Vout超过门限电压Vref，误差放大器A0将对差值放大并输出控制NMOS晶体管MN1栅压。NMOS晶体管MN1工作在线性区，其内阻RMN1,ON公式为：
式中：un表示n沟道MOSFET迁移率，Cox是单位面积的栅氧化层电容，VMN1,GS表示MN1的栅源电压，VMN1,TH表示NM1的阈值电压，W,L表示MN1的宽与长。
随着输入电流的增大，误差放大器A0的输出电压即NMOS晶体管MN1的栅压升高，由式(1)得出NMOS晶体管MN1的内阻RON减小，构成跨阻放大器TIA的反馈电阻阻值RF||RMN1,ON(跨阻增益)也随着减小，达到了增益控制的目的。
实际应用中，由电阻R1和电容C0组成低通滤波器对跨阻放大器TIA的输出电压Vout进行幅度采样，那么时间常数R1×C0的数值将是几百微秒(R1为电阻R1的阻值，C0为电容C0的电容值)，这种结构组成的AGC响应速度慢，无法满足突发模式TIA的性能要求。
发明内容
本发明目的是为了解决常用的自动增益控制电路响应时间过久最终影响TIA整体性能的问题，提供了一种快速响应的自动增益控制电路。
本发明所述快速响应的自动增益控制电路包括单端放大器A、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、电流源I0、电阻R0和电容C0；
NMOS晶体管MN1的栅极连接电流源I0负端、NMOS晶体管MN2的栅极及漏极；
电流源I0正端连接工作电源VDD；
NMOS晶体管MN1的漏极连接跨阻放大器TIA的输入端；
NMOS晶体管MN1的源极连接跨阻放大器TIA的输出端；
NMOS晶体管MN2的源极同时连接单端放大器A的输入端、电阻R0的一端和电容C0的一端；
电阻R0的另一端连接单端放大器A的输出端；
电容C0的另一端连接GND。
优选地，跨阻放大器TIA包括单端放大器-A和电阻RF，电阻RF并联在单端放大器-A的输入端和输出端之间，单端放大器-A的增益与单端放大器A的增益大小相等、符号相反。
本发明的优点：本发明提出一种快速响应的自动增益控制电路，去除常用的自动增益控制电路中的RC网络并改变控制跨阻增益的方式，缩短自动增益控制电路的响应时间，进而提高了跨阻放大器TIA的整体性能，使得跨阻放大器TIA能够应用于突发模式的数据传输。
附图说明
图1是常用的自动增益控制电路的电路原理图；
图2是本发明所述快速响应的自动增益控制电路的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图2说明本实施方式所述快速响应的自动增益控制电路的工作原理。
在阐述常用的自动增益控制电路中，由于电路中用到了低通滤波器对跨阻放大器TIA的输出值Vout进行幅度采样，这个过程中引入了时间常数，并且时间常数达到几百微秒，响应时间过长。图2提出的一种快速响应的自动增益控制电路，解决了常用的自动增益控制电路使用低通滤波器带来的响应时间过长的情况。
单端放大器-A和电阻RF组合成跨阻放大器TIA，而单端放大器A和电阻R0组合成跨阻放大器TIA的复制电路，且两个单端放大器的增益符号相反。以二极管方式连接的NMOS晶体管MN2的饱和导通条件为：
VMN2,GS＝VMN2,DS (2)
VMN2,DS>VMN2,GS-VMN2,TH (3)
当NMOS晶体管MN1的漏极电压即栅极电压上升到大于阈值电压VMN2,TH，将会饱和导通。
当输入电流PINA增大到一定值电流，复制电路中的单端放大器A为正增益，Y节点电压随输入电流PINA升高而升高达到一定值，且该定值电压大于NMOS晶体管MN2的阈值电压VMN2,TH，使之饱和导通。因为NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN1的栅极相连，所以具有相同的栅压，使得NMOS晶体管MN1导通并工作于线性区。此时自动增益控制电路AGC完成了稳态建立。
当输入电流PINA大于定值电流，因为跨阻放大器TIA中的单端放大器-A的负增益，X节点电压随输入电流PINA的增大而减小，X节点电压即为NMOS晶体管MN1的源极电压并且其栅压不改变，所以NMOS晶体管MN1的栅源电压VMN1,GS随输入电流PINA的增大而增大。根据工作于线性区的NMOS晶体管MN1的内阻RMN1,ON公式：
其内阻RMN1,ON随VMN1,GS的增大而减小。
跨阻放大器TIA的跨阻增益由RF变成了RF阻值与NMOS晶体管MN1内阻RMN1,ON的并联值RF||RMN1,ON，该并联值随着RMN1,ON减小而减小。
当输入电流PINA小于定值电流，复制电路不工作，NMOS晶体管MN1关断，跨阻放大器TIA的跨阻增益为RF。
本发明提出的快速响应自动增益控制电路不需要对跨阻放大器TIA的输出电压Vout进行幅度采样之后控制可变电阻阻值改变跨阻增益，而是立即判断输入电流PINA的幅值随即调整跨阻增益，具有更快的响应速度，使得跨阻放大器TIA能够应用于突发模式的数据传输。

Claims (1)

1.快速响应的自动增益控制电路，该自动增益控制电路对跨阻放大器TIA的增益进行自动调节，跨阻放大器TIA包括单端放大器-A和电阻RF，电阻RF并联在单端放大器-A的输入端和输出端之间，其特征在于，所述自动增益控制电路包括单端放大器A、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、电流源I0、电阻R0和电容C0；
单端放大器-A的增益与单端放大器A的增益大小相等、符号相反；
NMOS晶体管MN1的栅极连接电流源I0负端、NMOS晶体管MN2的栅极及漏极；
电流源I0正端连接工作电源VDD；
NMOS晶体管MN1的漏极连接跨阻放大器TIA的输入端；
NMOS晶体管MN1的源极连接跨阻放大器TIA的输出端；
NMOS晶体管MN2的源极同时连接单端放大器A的输入端、电阻R0的一端和电容C0的一端；
电阻R0的另一端连接单端放大器A的输出端；
电容C0的另一端连接GND；
单端放大器A和电阻R0组合成跨阻放大器TIA的复制电路；
当跨阻放大器TIA的输入电流PINA小于定值电流，复制电路不工作，NMOS晶体管MN1关断，跨阻放大器TIA的跨阻增益为RF；
当跨阻放大器TIA的输入电流PINA增大到一定值电流，复制电路建立稳态工作模式，跨阻放大器TIA的跨阻增益由RF变成了RF阻值与NMOS晶体管MN1内阻RMN1，ON的并联值RF||RMN1，ON，跨阻放大器TIA的跨阻增益随着RMN1，ON减小而减小。
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