CN106941379A - 一种用于apd跨阻放大器的自动增益控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，涉及光通信技术领域，包括跨阻放大器电压取样模块、虚拟跨阻放大器模块、跨导误差放大器模块和电流比较放大器模块；跨阻放大器电压取样模块输入端连接APD光电二极管的正端，跨阻放大器电压取样模块输出端和虚拟跨阻放大器模块输出端均连接跨导误差放大器模块输入端，电流比较放大器模块的一个输入端连接跨导误差放大器模块输出端，电流比较放大器模块的另一个输入端连接参考阈值电流，电流比较放大器模块输出端连接跨阻放大器电压取样模块输入端。采用本发明的APD跨阻放大器的自动增益控制电路，电路结构简单，电路和版图面积较小。

Description

一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)指的是在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。在光通信领域中，跨阻放大器通常作为接收器的前置放大器。一般用于APD的跨阻放大器所采用的自动增益控制电路主要是从跨阻放大器的差分输出端进行采样，如图1所示，需要从跨阻放大器的差分输出端分别输出两个共模电压取样电路来提取跨阻放大器输出信号的直流电平，每个共模电压取样模块需要一个标准RC滤波电路，因此此种取样方法至少需要两个标准RC滤波电路。电路结构复杂，从而使得其电路和版图面积较大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，电路结构简单，电路和版图面积较小。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，包括跨阻放大器电压取样模块、虚拟跨阻放大器模块、跨导误差放大器模块和电流比较放大器模块；跨阻放大器电压取样模块包括跨阻放大器电路和共模电压取样电路，所述跨阻放大器电路输入端连接APD光电二极管的正端，所述跨阻放大器电路输出端连接所述共模电压取样电路的输入端，所述共模电压取样电路的输出端和虚拟跨阻放大器模块输出端均连接所述跨导误差放大器模块输入端，所述电流比较放大器模块的一个输入端连接所述跨导误差放大器模块输出端，所述电流比较放大器模块的另一个输入端连接参考阈值电流，所述电流比较放大器模块输出端连接所述跨阻放大器电压取样模块输入端。
在上述技术方案的基础上，所述跨阻放大器电压取样模块用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块；
所述虚拟跨阻放大器模块用于将输入电流强度为0时的静态基准电压Vref输出至跨导误差放大器模块；
所述跨导误差放大器模块用于对Vsamle和Vref之间的电压差进行处理，使Vsamle和Vref相等；并在Vsamle和Vref相等时，向电流比较放大器模块输入和APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd强度相等的电流Iin；
电流比较放大器模块用于对由跨导误差放大器模块的输入的电流Iin进行镜像，使得电流比较放大器模块的输出电流Iout和由跨导误差放大器模块的输入的电流Iin相等但电流方向相反；并将电流比较放大器模块的输出电流Iout与参考阈值电流Ith叠加得到自动增益电流Iagc并反馈至跨阻放大器电压取样模块。
在上述技术方案的基础上，所述跨阻放大器电路用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle；所述输出共模取样电路用于取得所述跨阻放大器电路的输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块。
在上述技术方案的基础上，所述跨阻放大器电路包括开环放大器和负反馈电阻。
在上述技术方案的基础上，所述输出共模取样电路包括RC低通滤波电路。
在上述技术方案的基础上，所述虚拟跨阻放大器模块包括虚拟开环放大器和虚拟负反馈电阻。
在上述技术方案的基础上，所述跨导误差放大器模块包括第一误差放大器、第二误差放大器、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管；
第一NMOS管的栅极G接第二误差放大器的输出端；
第一NMOS管的漏极D接APD光电二极管的正端；
第一NMOS管的源极S接地；
第二NMOS管的栅极G接第二误差放大器的输出端；
第二NMOS管的漏极D接第一误差放大器的输入端；
第二NMOS管的源极S接地；
第三NMOS管的栅极G接第一误差放大器的输出端；
第三NMOS管的漏极D接第一PMOS管的栅极G和漏极D；
第三NMOS管的源极S接第二NMOS管的漏极D和第一误差放大器的输入端。
在上述技术方案的基础上，电流比较放大器模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管；其中：
第一PMOS管和第二PMOS管的源极S均接电源；第四NMOS管和第五NMOS管的源极S均接地；
第一PMOS管的漏极D、第三NMOS管的漏极D和第二PMOS管的栅极G均连接第一PMOS管的栅极G；
第五NMOS管的漏极D和第五NMOS管的栅极G均连接第四NMOS管的栅极G；
第二PMOS管的漏极D与第四NMOS管的栅极G并联输出一路自动增益电流至跨阻放大器电压取样模块输入端。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明通过对跨阻放大器的单端输出电压进行采样，并对跨阻放大器和虚拟跨阻放大器的参考电压进行分析处理得到和APD光电二极管输入电流强度一样的电流信号，然后通过镜像改变电流方向，再和参考阈值电流进行比较得到自动增益控制电流。本发明的自动增益控制电路只对跨阻放大器的单端输出进行取样，所以只需有一个共模电压取样电路，即只需有一路标准RC滤波电路,较传统的差分输出进行取样会少一个标准RC滤波电路，电路结构简单，电路和版图面积较小。
(2)该自动增益控制电路采用参考阈值电流和APD光电二极管的镜像电流进行比较得到自动增益控制电流，使得在控制自动增益控制的启动点方面比较灵活。
附图说明
图1为本发明背景技术中现有的APD跨阻放大器的自动增益控制电路的逻辑电路图；
图2为本发明实施例中用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路的结构示意图；
图3为本发明实施例中用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路的逻辑电路图。
图中：10-跨阻放大器电压取样模块，100-跨阻放大器电路，101-开环放大器，102-负反馈电阻，110-共模电压取样电路，20-虚拟跨阻放大器模块，201-虚拟开环放大器，202-负反馈电阻，30-跨导误差放大器模块，301-第一误差放大器，302-第二误差放大器，303-第一NMOS管，304-第二NMOS管，305-第三NMOS管，40-电流比较放大器模块，401-第一PMOS管，402-第二PMOS管，403-第四NMOS管，404-第五NMOS管。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图2所示，本发明实施例提供一种包括跨阻放大器电压取样模块10、虚拟跨阻放大器模块20、跨导误差放大器模块30和电流比较放大器模块40；跨阻放大器电压取样模块10包括跨阻放大器电路100和共模电压取样电路110，跨阻放大器电路100输入端连接APD光电二极管的正端，跨阻放大器电路100输出端连接共模电压取样电路110的输入端，共模电压取样电路110的输出端和虚拟跨阻放大器模块20输出端均连接跨导误差放大器模块30输入端，电流比较放大器模块40的一个输入端连接跨导误差放大器模块30输出端，电流比较放大器模块40的另一个输入端连接参考阈值电流，电流比较放大器模块40输出端连接跨阻放大器电压取样模块10输入端。
跨阻放大器电压取样模块10用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块30；虚拟跨阻放大器模块20用于将输入电流强度为0时的静态基准电压Vref输出至跨导误差放大器模块30；跨导误差放大器模块30用于对Vsamle和Vref之间的电压差进行处理，使Vsamle和Vref相等；并在Vsamle和Vref相等时，向电流比较放大器模块40输入和APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd强度相等的电流Iin；电流比较放大器模块40用于对由跨导误差放大器模块30的输入的电流Iin进行镜像，使得电流比较放大器模块40的输出电流Iout和由跨导误差放大器模块30的输入的电流Iin相等但电流方向相反；并将电流比较放大器模块40的输出电流Iout与参考阈值电流Ith叠加得到自动增益电流Iagc并反馈至跨阻放大器电压取样模块10。
本发明通过对跨阻放大器的单端输出电压进行采样，并对跨阻放大器和虚拟跨阻放大器的参考电压进行分析处理得到和APD光电二极管输入电流强度一样的电流信号，然后通过镜像改变电流方向，再和参考阈值电流进行比较得到自动增益控制电流。本发明的自动增益控制电路只对跨阻放大器的单端输出进行取样，所以只需有一个共模电压取样电路110，即只需有一路标准RC滤波电路,较传统的差分输出进行取样会少一个标准RC滤波电路，电路结构简单，电路和版图面积较小。同时，该自动增益控制电路采用参考阈值电流和APD光电二极管的镜像电流进行比较得到自动增益控制电流，使得在控制自动增益控制的启动点方面比较灵活。
跨阻放大器电路100用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle；输出共模取样电路用于取得跨阻放大器电路100的输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块30。
跨阻放大器电路100包括开环放大器101和负反馈电阻202102。输出共模取样电路包括RC低通滤波电路。虚拟跨阻放大器模块20包括虚拟开环放大器201101和虚拟负反馈电阻202102。
跨导误差放大器模块30包括第一误差放大器301、第二误差放大器302、第一NMOS管303、第二NMOS管304和第三NMOS管305；
第一NMOS管303的栅极G接第二误差放大器302的输出端；
第一NMOS管303的漏极D接APD光电二极管的正端；
第一NMOS管303的源极S接地；
第二NMOS管304的栅极G接第二误差放大器302的输出端；
第二NMOS管304的漏极D接第一误差放大器301的输入端；
第二NMOS管304的源极S接地；
第三NMOS管305的栅极G接第一误差放大器301的输出端；
第三NMOS管305的漏极D接第一PMOS管401的栅极G和漏极D；
第三NMOS管305的源极S接第二NMOS管304的漏极D和第一误差放大器301的输入端。
电流比较放大器模块40包括第一PMOS管401、第二PMOS管402、第四NMOS管403和第五NMOS管404；其中：
第一PMOS管401和第二PMOS管402的源极S均接电源；第四NMOS管403和第五NMOS管404的源极S均接地；
第一PMOS管401的漏极D、第三NMOS管305的漏极D和第二PMOS管402的栅极G均连接第一PMOS管401的栅极G；
第五NMOS管404的漏极D和第五NMOS管404的栅极G均连接第四NMOS管403的栅极G；
第二PMOS管402的漏极D与第四NMOS管403的栅极G且并联输出一路自动增益电流至跨阻放大器电压取样模块10输入端。
本电路的工作原理是：
(1)Vsamle≠Vref时
第一NMOS管303至由APD光电二极管电路导通，APD光电二极管电路导通、跨阻放大器电压取样模块10、虚拟跨阻放大器模块20、第二误差放大器302和第一NMOS管303组成负反馈电路，电流信号第一NMOS管303反馈至APD光电二极管，调整APD光电二极管输出的电流信号，使得跨阻放大器电压取样模块10的输出Vsamle和虚拟跨阻放大器模块20的输出Vref相等，且第一NMOS管303的漏电压和虚拟跨阻放大器模块20的输出Vref相等；即Vsamle＝Vref＝VD_NMOS303时。因此，此时第一NMOS管303的漏电路和APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd相等，即ID_NMOS303＝IAPD。
(2)Vsamle＝Vref时
由第一误差放大器301，第二NMOS管304,第三NMOS管305组成负反馈电路，第一误差放大器301的输入电压为Vref，第一误差放大器301的输入电压Vref和虚第二NMOS管304的漏电压VD_NMOS304相等，即Vref＝VD_NMOS304。由于Vsamle＝Vref＝VD_NMOS303，因此第二NMOS管304的漏电路和第一NMOS管303的漏电路相等，由于第二NMOS管304的栅电路和第一NMOS管303的栅电路相等，且第二NMOS管304的源电路和第一NMOS管303的源电路相等，由于ID_NMOS303＝IAPD，所以ID_NMOS304＝ID_NMOS303＝IAPD。
由第二NMOS管304，第三NMOS管305，第一PMOS管401，第二PMOS管402组成电流镜像电路，使得第二NMOS管304的漏电流镜像从第二PMOS管402输出，从而Iapd＝ID_NMOS304＝ID_PMOS402,从而实现了第二PMOS管402输出与APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd电流强度相等，电流方向相反。
由第四NMOS管403和第五NMOS管404组成电流镜像电路，参考阈值电流Ith从第五NMOS管404的漏端输入，通过镜像从第四NMOS管403的漏端输出，第二PMOS管402的漏极D连接第四NMOS管403的栅极G且共同输出一路自动增益电流Iagc至跨阻放大器电压取样模块10输入端。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：包括跨阻放大器电压取样模块、虚拟跨阻放大器模块、跨导误差放大器模块和电流比较放大器模块；跨阻放大器电压取样模块包括跨阻放大器电路和共模电压取样电路，所述跨阻放大器电路输入端连接APD光电二极管的正端，所述跨阻放大器电路输出端连接所述共模电压取样电路的输入端，所述共模电压取样电路的输出端和虚拟跨阻放大器模块输出端均连接所述跨导误差放大器模块输入端，所述电流比较放大器模块的一个输入端连接所述跨导误差放大器模块输出端，所述电流比较放大器模块的另一个输入端连接参考阈值电流，所述电流比较放大器模块输出端连接所述跨阻放大器电压取样模块输入端。
2.如权利要求1所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：
所述跨阻放大器电压取样模块用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块；
所述虚拟跨阻放大器模块用于将输入电流强度为0时的静态基准电压Vref输出至跨导误差放大器模块；
所述跨导误差放大器模块用于对Vsamle和Vref之间的电压差进行处理，使Vsamle和Vref相等；并在Vsamle和Vref相等时，向电流比较放大器模块输入和APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd强度相等的电流Iin；
电流比较放大器模块用于对由跨导误差放大器模块的输入的电流Iin进行镜像，使得电流比较放大器模块的输出电流Iout和由跨导误差放大器模块的输入的电流Iin相等但电流方向相反；并将电流比较放大器模块的输出电流Iout与参考阈值电流Ith叠加得到自动增益电流Iagc并反馈至跨阻放大器电压取样模块。
3.如权利要求1所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：
所述跨阻放大器电路用于将由APD光电二极管的正端输入的输入电流Iapd转换为输出电压Vsamle；所述输出共模取样电路用于取得所述跨阻放大器电路的输出电压Vsamle并将输出电压Vsamle输出至跨导误差放大器模块。
4.如权利要求3所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：所述跨阻放大器电路包括开环放大器和负反馈电阻。
5.如权利要求3所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：所述输出共模取样电路包括RC低通滤波电路。
6.如权利要求1所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：所述虚拟跨阻放大器模块包括虚拟开环放大器和虚拟负反馈电阻。
7.如权利要求1所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：所述跨导误差放大器模块包括第一误差放大器、第二误差放大器、第一NMOS管、第二NMOS管和第三NMOS管；
第一NMOS管的栅极G接第二误差放大器的输出端；
第一NMOS管的漏极D接APD光电二极管的正端；
第一NMOS管的源极S接地；
第二NMOS管的栅极G接第二误差放大器的输出端；
第二NMOS管的漏极D接第一误差放大器的输入端；
第二NMOS管的源极S接地；
第三NMOS管的栅极G接第一误差放大器的输出端；
第三NMOS管的漏极D接第一PMOS管的栅极G和漏极D；
第三NMOS管的源极S接第二NMOS管的漏极D和第一误差放大器的输入端。
8.如权利要求1所述的一种用于APD跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于：电流比较放大器模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管；其中：
第一PMOS管和第二PMOS管的源极S均接电源；第四NMOS管和第五NMOS管的源极S均接地；
第一PMOS管的漏极D、第三NMOS管的漏极D和第二PMOS管的栅极G均连接第一PMOS管的栅极G；
第五NMOS管的漏极D和第五NMOS管的栅极G均连接第四NMOS管的栅极G；
第二PMOS管的漏极D与第四NMOS管的栅极G并联输出一路自动增益电流至跨阻放大器电压取样模块输入端。
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