CN106656061A - 一种跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

一种跨阻放大器，包含：伪差分跨阻放大器，其输入端输入光电流信号，其输出端为分别输出正极电压信号和负极电压信号，负电容两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，负电阻两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，工艺角检测器输出控制电压信号给负电阻。本发明采用CMOS工艺设计，提高放大器的增益和带宽，进而有效的提高了跨阻放大器的噪声性能，且采用PVT补偿技术来补偿工艺、电源电压和温度偏差对电路性能带来的影响。

Description

一种跨阻放大器
技术领域
本发明涉及CMOS工艺下的高速光通信收发芯片领域，尤其涉及一种跨阻放大器。
背景技术
当前数据中心等高速互联网络的带宽需求越来越高，传统的电互联由于其在成本和性能上的劣势，被价格低廉、容量大、串扰小、抗电磁干扰强的光纤通信取代的趋势日益明显。然而，作为光通信互联的核心，当前的高速光通信收发芯片(驱动器、跨组放大器、限幅放大器以及时钟数据恢复电路等均采用传统的SiGe/GaAs等工艺设计制造，其带宽噪声性能优越，但成本较高。随着系统集成度的提高和CMOS工艺的不断进步，利用具有成本、功耗和集成度优势的CMOS工艺完成高速光电收发机的设计具有越来越大的吸引力。
传统的跨阻放大器均采用SiGe工艺设计，其带宽噪声性能优越，但成本较高，CMOS的工艺成本较低，但带宽和噪声性能相对较差，如果需要达到和SiGe等双极工艺相近的性能，需要更多的电路技术来克服工艺本身所带来的设计困难，此外工艺、电源和温度(PVT)变化会对跨阻放大器的增益、带宽和群延时性能造成影响，对电路的稳定性带来挑战。
发明内容
本发明提供一种跨阻放大器，有效的提高了电路的带宽和噪声性能，同时也补偿了工艺、电源电压和温度偏差对电路性能带来的影响。
为了达到上述目的，本发明提供一种跨阻放大器，其特征在于，包含：
伪差分跨阻放大器，其输入端为跨阻放大器的输入端，输入光电流信号，其输出端为跨阻放大器的输出端，分别输出正极电压信号和负极电压信号；
负电容Cneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的带宽；
负电阻Rneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的增益和噪声性能；
工艺角检测器，其输出端输出控制电压信号Vctrl给负电阻Rneg，用于根据工艺，电源和温度信息得到的控制电压信号Vctrl来调节负电阻Rneg的大小。
所述的伪差分跨阻放大器包含：
第一放大器A0，其输入端输入光电流信号，输出端输出负极电压信号，作为负极电压输出端Von；
第一电阻Rf_P，其一端连接第一放大器A0的输入端，另一端连接第一放大器A0的输出端；
第二放大器A1，输出端输出正极电压信号，作为正极电压输出端Vop；
第二电阻Rf_N，其一端连接第二放大器A1的输入端，另一端连接第二放大器A1的输出端。
所述的第一放大器A0和第二放大器A1是单端输入单端输出的放大器。
所述的负电容Cneg包含：交叉耦合的第一N型MOS管NM_P和第二N型MOS管NM_N、偏置电流源Ib、以及电容Cc；
其中，第一N型MOS管NM_P的漏极连接正极电压输出端Vop和第二N型MOS管NM_N的栅极，第一N型MOS管NM_P的栅极连接第二N型MOS管NM_N的漏极，第一N型MOS管NM_P的源极连接偏置电流源Ib，第二N型MOS管NM_N的漏极连接负极电压输出端Von和第一N型MOS管NM_P的栅极，第二N型MOS管NM_N的栅极连接第一N型MOS管NM_P的漏极，第二N型MOS管NM_N的源极连接偏置电流源Ib，电容Cc的两端分别连接第一N型MOS管NM_P的源极和第二N型MOS管NM_N的源极。
所述的负电阻Rneg包含：交叉耦合的第一P型MOS管PM_P和第二P型MOS管PM_N、以及尾电流源Icomp；
其中，第一P型MOS管PM_P的漏极连接尾电流源Icomp，第一P型MOS管PM_P的栅极连接负极电压输出端Von和第二P型MOS管PM_N的源极，第一P型MOS管PM_P的源极连接正极电压输出端Vop和第二P型MOS管PM_N的栅极，第二P型MOS管PM_N的漏极连接尾电流源Icomp，第二P型MOS管PM_N的栅极连接正极电压输出端Vop和第一P型MOS管PM_P的源极，第二P型MOS管PM_N的源极连接负极电压输出端Von和第一P型MOS管PM_P的栅极，尾电流源Icomp的大小受工艺角检测器输出的控制电压信号Vctrl控制。
本发明采用CMOS工艺设计，提高放大器的增益和带宽，进而有效的提高了跨阻放大器的噪声性能，且采用PVT补偿技术来补偿工艺、电源电压和温度偏差对电路性能带来的影响。
附图说明
图1是本发明提供的跨阻放大器的电路图。
图2是负电容的电路图。
图3是负电阻的电路图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明提供一种跨阻放大器(TIA)，其位于光接收机的前端电路中，该前端电路包含片外电路和跨阻放大器，跨阻放大器的输入端输入光电流信号，跨阻放大器的输出端输出电压信号。
如图1所示，片外电路包含光电检测器PD，以及串联在光电检测器PD两端的第一绑定线Lbw1和第二绑定线Lbw2，片外电路的输出端连接跨阻放大器的输入端。
如图1所示，所述的跨阻放大器包含：
伪差分跨阻放大器，其输入端输入光电流信号，其输出端输出电压信号；
负电容Cneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的带宽；
负电阻Rneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的增益和噪声性能；
工艺角检测器(PVT Monitor)101，其输出端输出控制电压信号Vctrl给负电阻Rneg，用于根据工艺，电源和温度信息得到的控制电压信号Vctrl来调节负电阻Rneg的大小。
如图1所示，所述的伪差分跨阻放大器包含：
第一放大器A0，其输入端输入光电流信号，输出端输出负极电压信号，作为负极电压输出端Von；
第一电阻Rf_P，其一端连接第一放大器A0的输入端，另一端连接第一放大器A0的输出端；
第二放大器A1，输出端输出正极电压信号，作为正极电压输出端Vop；
第二电阻Rf_N，其一端连接第二放大器A1的输入端，另一端连接第二放大器A1的输出端。
所述的第一放大器A0和第二放大器A1是单端输入单端输出的放大器。
如图2所示，所述的负电容Cneg包含：交叉耦合的第一N型MOS管NM_P和第二N型MOS管NM_N、偏置电流源Ib、以及电容Cc，其中，第一N型MOS管NM_P的漏极连接正极电压输出端Vop和第二N型MOS管NM_N的栅极，第一N型MOS管NM_P的栅极连接第二N型MOS管NM_N的漏极，第一N型MOS管NM_P的源极连接偏置电流源Ib，第二N型MOS管NM_N的漏极连接负极电压输出端Von和第一N型MOS管NM_P的栅极，第二N型MOS管NM_N的栅极连接第一N型MOS管NM_P的漏极，第二N型MOS管NM_N的源极连接偏置电流源Ib，电容Cc的两端分别连接第一N型MOS管NM_P的源极和第二N型MOS管NM_N的源极。
根据负电容Cneg的电路图可以看出，在正极电压输出端Vop和负极电压输出端Von之间的输出阻抗为：
Rout_neg_c＝-2/gm,nmos-1/sCc
其中，gm,nmos是N型MOS管的跨导，第一N型MOS管NM_P和第二N型MOS管NM_N的尺寸相同，跨导相同；
输出阻抗产生的负电容和伪差分跨阻放大器中产生的寄生电容并联可以相互抵消，进而提高放大器的带宽。
如图3所示，所述的负电阻Rneg包含：交叉耦合的第一P型MOS管PM_P和第二P型MOS管PM_N、以及尾电流源Icomp，其中，第一P型MOS管PM_P的漏极连接尾电流源Icomp，第一P型MOS管PM_P的栅极连接负极电压输出端Von和第二P型MOS管PM_N的源极，第一P型MOS管PM_P的源极连接正极电压输出端Vop和第二P型MOS管PM_N的栅极，第二P型MOS管PM_N的漏极连接尾电流源Icomp，第二P型MOS管PM_N的栅极连接正极电压输出端Vop和第一P型MOS管PM_P的源极，第二P型MOS管PM_N的源极连接负极电压输出端Von和第一P型MOS管PM_P的栅极，尾电流源(实际相当于压控电流源)Icomp的大小受工艺角检测器输出的控制电压信号Vctrl控制，负电阻Rneg的大小与其偏置电流大小成正比，其调节即通过调节尾电流源Icomp的大小完成。
根据负电阻Rneg的电路图可以看出，在正极电压输出端Vop和负极电压输出端Von之间的阻抗为：
Rout_neg_r＝-2/gm,pmos
其中，gm,pmos是P型MOS管的跨导，第一P型MOS管PM_P和第二P型MOS管PM_N的尺寸相同，跨导相同；
输出阻抗产生的负电阻与第一放大器A0和第二放大器A1的输出阻抗并联，提高放大器的输出阻抗的大小，从而提高整个电路的跨阻增益，进而提高噪声性能。
工艺、电源电压和温度会影响第一放大器A0和第二放大器A1的增益和带宽，工艺角检测器101通过检测工艺角信息并产生相关的控制电压信号Vctrl来调节负电阻Rneg的大小，补偿第一放大器A0和第二放大器A1的增益和带宽，形成负反馈，进而完成PVT偏差对性能影响的补偿。
本发明中采用的负电容Cneg、负电阻Rneg和工艺角检测器101，其应用于SiGe、GaAs以及CMOS等工艺下的并联负反馈(Shunt-feedback)及RCG(可调节共源共栅(RegulatedCascode)等结构的跨阻放大器中，但且不局限于上述结构。
本发明采用CMOS工艺设计，提高放大器的增益和带宽，进而有效的提高了跨阻放大器的噪声性能，且采用PVT补偿技术来补偿工艺、电源电压和温度偏差对电路性能带来的影响。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，包含：
伪差分跨阻放大器，其输入端为跨阻放大器的输入端，输入光电流信号，其输出端为跨阻放大器的输出端，分别输出正极电压信号和负极电压信号；
负电容Cneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的带宽；
负电阻Rneg，其两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，用于提高跨阻放大器的增益和噪声性能；
工艺角检测器(101)，其输出端输出控制电压信号Vctrl给负电阻Rneg，用于根据工艺，电源和温度信息得到的控制电压信号Vctrl来调节负电阻Rneg的大小。
2.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述的伪差分跨阻放大器包含：
第一放大器A0，其输入端输入光电流信号，输出端输出负极电压信号，作为负极电压输出端Von；
第一电阻Rf_P，其一端连接第一放大器A0的输入端，另一端连接第一放大器A0的输出端；
第二放大器A1，输出端输出正极电压信号，作为正极电压输出端Vop；
第二电阻Rf_N，其一端连接第二放大器A1的输入端，另一端连接第二放大器A1的输出端。
3.如权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述的第一放大器A0和第二放大器A1是单端输入单端输出的放大器。
4.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述的负电容Cneg包含：交叉耦合的第一N型MOS管NM_P和第二N型MOS管NM_N、偏置电流源Ib、以及电容Cc；
其中，第一N型MOS管NM_P的漏极连接正极电压输出端Vop和第二N型MOS管NM_N的栅极，第一N型MOS管NM_P的栅极连接第二N型MOS管NM_N的漏极，第一N型MOS管NM_P的源极连接偏置电流源Ib，第二N型MOS管NM_N的漏极连接负极电压输出端Von和第一N型MOS管NM_P的栅极，第二N型MOS管NM_N的栅极连接第一N型MOS管NM_P的漏极，第二N型MOS管NM_N的源极连接偏置电流源Ib，电容Cc的两端分别连接第一N型MOS管NM_P的源极和第二N型MOS管NM_N的源极。
5.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述的负电阻Rneg包含：交叉耦合的第一P型MOS管PM_P和第二P型MOS管PM_N、以及尾电流源Icomp；
其中，第一P型MOS管PM_P的漏极连接尾电流源Icomp，第一P型MOS管PM_P的栅极连接负极电压输出端Von和第二P型MOS管PM_N的源极，第一P型MOS管PM_P的源极连接正极电压输出端Vop和第二P型MOS管PM_N的栅极，第二P型MOS管PM_N的漏极连接尾电流源Icomp，第二P型MOS管PM_N的栅极连接正极电压输出端Vop和第一P型MOS管PM_P的源极，第二P型MOS管PM_N的源极连接负极电压输出端Von和第一P型MOS管PM_P的栅极，尾电流源Icomp的大小受工艺角检测器输出的控制电压信号Vctrl控制。
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