CN106788280B - 一种低噪高速跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

一种低噪高速跨阻放大器，属于电子技术领域。包括采用低输入阻抗、低增益的跨阻放大器的两个电流放大器，第一电流放大器输入端接信号光电管，第二电流放大器输入端接虚拟光电管或浮空处理，在足够宽的带宽下为整体电路提供一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制第一级的噪声；电流镜电流做差电路，其两个输入端分别接两个电流放大器的输出端，将两个电流放大器的输出电流做差，从而实现电路静态工作点的稳定及噪声抵消功能；后级跨阻放大器，其输入端接电流镜做差电路的输出端，可以采用高增益跨阻放大器，在保证高带宽的前提下，为电路提供较大的增益和电路驱动能力。本发明提出的架构可以同时实现低噪声、高带宽和高增益。

Description

一种低噪高速跨阻放大器
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种低噪高速跨阻放大电路。
背景技术
在高速传感集成电路中，传感器接收其他非电信号后产生的往往是微弱的电流信号，同时，这些传感器前端寄生电容较大。尤其在高速光电集成电路中，光电二极管接收到光信号后产生微弱的电流信号。为了便于后级电路处理信息，需要将电流信号转化为适当幅值的电压信号，因此要求前级弱电流检测电路具有较大的增益；而考虑到传感器前端寄生电容，特别是电容较大的情况下，使得整体电路不能同时获得高的增益和大的带宽，尤其在要求整体电路具有较好的噪声性能情况下，增益和带宽的折中更加明显。
调节式共栅共源(RGC)电路结构能较好地隔离前端传感器的寄生电容，但是噪声性能差；其他电流检测电路一般只适合寄生电容较小的情况。
发明内容
本发明针对上述现有跨阻放大器电路无法同时实现高增益、高带宽和低噪声的限制，尤其是在光电管寄生电容大的情况下带宽不够宽的问题，提出了一种低噪高速跨阻放大器，可以同时实现低噪声、高带宽和高增益。
本发明的技术方案是：
一种低噪高速跨阻放大器，包括两个电流放大器、一个电流镜电流做差电路和一个后级跨阻放大器；
第一电流放大器输入端接信号光电管，第二电流放大器输入端接虚拟光电管或浮空处理；
电流镜电流做差电路的两个输入端分别接两个电流放大器的输出端，将两个电流放大器的输出电流做差；
后级跨阻放大器的输入端接电流镜电流做差电路的输出端。
具体的，所述第一电流放大器与第二电流放大器采用相同的电流放大电路形式，所述电流放大电路由一个前级跨阻放大器和一个后级电压电流转换电路组成，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻RF1、第一电容C1、第二电容CF1和放大器A1；
第一NMOS管MN1的栅极作为所述电流放大电路的输入端，第二PMOS管MP2的源极作为所述电流放大电路的输出端；
第一NMOS管MN1的栅极经过第四电阻RF1和第二电容CF1的并联结构后连接放大器A1的同相输入端，其漏极经过第一电阻R1后接电源电压VDD，其源极接地；
第二NMOS管MN2的栅极接第一NMOS管MN1的漏极，其源极通过第二电阻R2后接地，其漏极接电源电压VDD；
第三NMOS管MN3的栅极接放大器A1的输出端，其源极接放大器A1的反相输入端和第四NMOS管MN4的漏极，其漏极接第一PMOS管MP1的源极和栅极以及第二PMOS管MP2的栅极；
第四NMOS管MN4的漏极通过第三电阻R3和第一电容C1的串联结构后接地，其源极接地，其栅极接电压偏置VB0；
第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的漏极接电源电压VDD。
具体的，所述电流镜电流做差电路包括栅极互连的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，第五NMOS管MN5的栅极和漏极互连并连接第二电流放大器的输出端IOUT2，第六NMOS管MN6的漏极连接第一电流放大器的输出端IOUT1并作为电流镜电流做差电路的输出端，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极接地。
具体的，所述后级跨阻放大器包括并联的反向放大器和第五电阻RF2，反向放大器的输入端连接电流镜电流做差电路的输出端，其输出端OUT为整个跨阻放大器的输出端。
本发明的有益效果为：第一电流放大器和第二电流放大器为低输入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足够宽的带宽下为整体电路提供一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制第一级的噪声；电流镜电流做差电路，将前级两个电流放大器的电流做差，从而实现电路静态工作点的稳定，及噪声抵消功能；传感器的大寄生电容被前序处理电路隔离，后级跨阻放大器只受电流镜电流做差电路输出结点的小寄生电容影响，可以采用高增益跨阻放大器，在保证高带宽的前提下，为电路提供较大的增益和电路驱动能力；本发明提出的架构可以同时实现低噪声、高带宽和高增益。
附图说明
图1为本发明所提出的一种低噪高速跨阻放大电路的电路框架图。
图2为本发明所提出的一种低噪高速跨阻放大电路中电流放大电路结构图。
图3为本发明所提出的一种低噪高速跨阻放大电路中后级跨阻放大器的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明中，考虑到信号输入节点寄生电容大，会严重影响跨阻放大器的增益带宽积，无法在满足传输速度的前提下，直接利用高增益放大器将弱电流信号放大到输出合适的电压信号。因此，如图1所示，本发明将整体放大电路分为电流放大电路和跨阻放大电路。电流放大电路为低输入阻抗、低噪声电流放大电路，在足够宽的带宽下实现电路的一部分电流增益，隔离输入节点的大电容。多级放大器噪声系数计算公式
其中NFx为第x级放大器的噪声系数，Gx为第x级放大器的增益。由上面的公式可以得出，多级放大器的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数，越是后面的放大器对总的噪声系数影响越小。对第一级来说，噪声系数应该尽量小，增益尽量大。
如图1所示为本发明的电路框架图，包括两个电流放大器、一个电流镜电流做差电路和一个后级跨阻放大器；为了使得第一级噪声尽可能低，本发明使用了两个电流放大器，第一电流放大器输入端接信号光电管，第二电流放大器输入端接虚拟光电管或浮空处理。电流镜电流做差电路的两个输入端分别接两个电流放大器的输出端，将两个电流放大器的输出电流做差，电流镜电流做差电路包括栅极互连的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，第五NMOS管MN5的栅极和漏极互连并连接第二电流放大器的输出端IOUT2，第六NMOS管MN6的漏极连接第一电流放大器的输出端IOUT1并作为电流镜电流做差电路的输出端，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极接地。本发明使用的两个电流放大器的输出电流经过电流镜做差电路做差后，将抵消两个输出电流中的大部分噪声，同时可以抵消光电管暗电流，并产生与光强相关的输出信号电流信号。后级跨阻放大器的输入端接电流镜电流做差电路的输出端。
电流放大器前级为跨阻放大器，后级为电压电流转换电路。加入电压电流转换电路，将跨阻放大器输出电压转换成电流，便于电流镜电流做差。共源结构电路具有噪声小的特点，因此本发明选择共源结构做为第一级跨阻放大器。由于本发明所保护的是一种架构和方法，而不局限于特定的跨阻放大器具体电路。如图2所示为本发明所提出的一种低噪高速跨阻放大电路中电流放大电路的一种实现电路结构图，为了便于阐述和理解本发明的内容，此处仅以图2所示前级跨阻放大器为一实例，阐述本发明的益处。当然本发明也可以采用其他具体跨阻放大器结构进行实现。
图2所示为电流放大电路的一种实现电路结构，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻RF1、第一电容C1、第二电容CF1和放大器A1；第一NMOS管MN1的栅极作为所述电流放大电路的输入端，第二PMOS管MP2的源极作为所述电流放大电路的输出端；第一NMOS管MN1的栅极经过第四电阻RF1和第二电容CF1的并联结构后连接放大器A1的同相输入端，其漏极经过第一电阻R1后接电源电压VDD，其源极接地；第二NMOS管MN2的栅极接第一NMOS管MN1的漏极，其源极通过第二电阻R2后接地，其漏极接电源电压VDD；第三NMOS管MN3的栅极接放大器A1的输出端，其源极接放大器A1的反相输入端和第四NMOS管MN4的漏极，其漏极接第一PMOS管MP1的源极和栅极以及第二PMOS管MP2的栅极；第四NMOS管MN4的漏极通过第三电阻R3和第一电容C1的串联结构后接地，其源极接地，其栅极接电压偏置VB0；第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的漏极接电源电压VDD。
图2所示前级跨阻放大器的跨阻增益为RF1，带宽为：
Cp为输入端寄生电容，gmn1为第一NMOS管M1的跨阻。
等效到输入端的噪声为
其中k为波尔兹曼常数；T为开尔文温度；Cox为单位面积栅氧化层电容；W为晶体管沟道宽度；L为晶体管沟道长度；f为频率。
由带宽公式和输入噪声公式得出，通过增加gmn1和R1可以同时增加带宽和减低噪声，再结合跨阻增益RF1，可以使得前级跨阻放大器能够满足带宽需求，同时拥有足够低的噪声系数。
电压电流转换电路中，第四NMOS管MN4为电路提供直流偏置，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2为电流镜，将转换后的电流输出到后级，并提供一定电流增益。电压电流转换电路跨导为gm＝VIN1/R3。
综合电流放大器中前级跨阻放大器和电压电流转换电路来看，电流增益为gm＝mRF1/R3，m为第二PMOS管MP2的宽长比与第一PMOS管MP1的宽长比之比。
如图3所示为后级跨阻放大电路的一种实现电路结构图，包括并联的反向放大器和第五电阻RF2，反向放大器的输入端连接电流镜电流做差电路的输出端，其输出端OUT为整个跨阻放大器的输出端。后级跨阻放大器为传统跨阻放大器，但是由于传感器寄生电容被隔离，因此后级跨阻放大器输入节点寄生电容只是前级电路输出管的寄生电容，因此带宽为
其中Cdb.MP2为第二PMOS管MP2漏极和衬底之间的电容，Cdb.MN6为第六NMOS管MN6漏极和衬底之间的电容，Cin2为后级跨阻放大器输入电容；A为后级跨阻放大器开环电压增益。因为Cdb.MP2、Cdb.MN6和Cin2很小，因此后级跨阻放大器可以在满足带宽的情况下，将RF2设置得很大。
通过上述分析可知，本发明所提电流检测电路总的跨阻增益为
而电流检测电路输入节点的大寄生电容被前级低增益跨阻放大器隔离，后级跨阻放大器输入电容将变得很小，因此整体电路的带宽和增益比传统跨阻放大器而言，都可以设置的更高，满足高增益、宽带的需求。
本发明中第一电流放大器和第二电流放大器为低输入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足够宽的带宽下为整体电路提供一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制第一级的噪声；电流镜电流做差电路，将前级两个电流放大器的电流做差，从而实现电路静态工作点的稳定，及噪声抵消功能；传感器的大寄生电容被前序处理电路隔离，后级跨阻放大器只受电流镜电流做差电路输出结点的小寄生电容影响，可以采用高增益跨阻放大器，在保证高带宽的前提下，为电路提供较大的增益和电路驱动能力。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低噪高速跨阻放大器，包括两个电流放大器、一个电流镜电流做差电路和一个后级跨阻放大器；
第一电流放大器输入端接信号光电管，第二电流放大器输入端接虚拟光电管或浮空处理；
电流镜电流做差电路的两个输入端分别接两个电流放大器的输出端，将两个电流放大器的输出电流做差；
所述第一电流放大器和第二电流放大器均由一个前级跨阻放大器和一个后级电压电流转换电路组成，所述第一电流放大器中前级跨阻放大器的输入端接信号光电管，其输出信号经过后级电压电流转换电路后连接所述电流镜电流做差电路的一个输入端；所述第二电流放大器中前级跨阻放大器的输入端接虚拟光电管或浮空处理，其输出信号经过后级电压电流转换电路后连接所述电流镜电流做差电路的另一个输入端；
后级跨阻放大器的输入端接电流镜电流做差电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种低噪高速跨阻放大器，其特征在于，所述第一电流放大器与第二电流放大器采用相同的电流放大电路形式，所述电流放大电路由一个前级跨阻放大器和一个后级电压电流转换电路组成，包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(RF1)、第一电容(C1)、第二电容(CF1)和放大器(A1)；
第一NMOS管(MN1)的栅极作为所述电流放大电路的输入端，第二PMOS管(MP2)的源极作为所述电流放大电路的输出端；
第一NMOS管(MN1)的栅极经过第四电阻(RF1)和第二电容(CF1)的并联结构后连接放大器(A1)的同相输入端，其漏极经过第一电阻(R1)后接电源电压(VDD)，其源极接地；
第二NMOS管(MN2)的栅极接第一NMOS管(MN1)的漏极，其源极通过第二电阻(R2)后接地，其漏极接电源电压(VDD)；
第三NMOS管(MN3)的栅极接放大器(A1)的输出端，其源极接放大器(A1)的反相输入端和第四NMOS管(MN4)的漏极，其漏极接第一PMOS管(MP1)的源极和栅极以及第二PMOS管(MP2)的栅极；
第四NMOS管(MN4)的漏极通过第三电阻(R3)和第一电容(C1)的串联结构后接地，其源极接地，其栅极接电压偏置(VB0)；
第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)的漏极接电源电压(VDD)。
3.根据权利要求1所述的一种低噪高速跨阻放大器，其特征在于，所述电流镜电流做差电路包括栅极互连的第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)，第五NMOS管(MN5)的栅极和漏极互连并连接第二电流放大器的输出端(IOUT2)，第六NMOS管(MN6)的漏极连接第一电流放大器的输出端(IOUT1)并作为电流镜电流做差电路的输出端，第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)的源极接地。
4.根据权利要求1所述的一种低噪高速跨阻放大器，其特征在于，所述后级跨阻放大器包括并联的反向放大器和第五电阻(RF2)，反向放大器的输入端连接电流镜电流做差电路的输出端，其输出端(OUT)为整个跨阻放大器的输出端。
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