CN107257232B - 跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种跨阻放大器，包括：反相放大电路，具有一输入端和输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出放大电压信号，所述反相放大电路包括至少三个依次连接的放大单元，每一所述放大单元包括两个相互耦接的N型晶体管，其中一个N型晶体管用于接收输入电压，另一个N型晶体管用于接收直流电压信号，两个N型晶体管的公共连接端用于输出放大后的电压信号，用于接收直流电压信号的N型晶体管采用native NFET；反馈电阻，耦接所述反相放大电路的输入端和输出端。本跨导放大器的增益频宽乘积大，使反馈电阻可不受原有条件制约，设计成一个高阻值的电阻，从而进一步降低跨导放大器的输入噪音，增加跨导放大器的灵敏度。

Description

跨阻放大器
技术领域
本发明涉及COMS技术领域，特别涉及一种扩大增益，减少噪音，并且设计简单的跨阻放大器。
背景技术
跨阻放大器(TIA)全称为trans-impedance amplifier，是放大器类型的一种，放大器类型是根据其输入输出信号的类型来定义的。TIA由于具有高带宽的优点，一般用于高速电路，如光电传输通讯系统中普遍使用。
跨阻放大器的输出噪音大小是衡量其传输性能的重要指标之一，因此，为了提高跨阻放大器的性能务必需要减少噪音的输出，而减少噪音输出的一种方式可通过增大跨阻来实现，理论上跨阻越大，噪音就越小，但是跨导的受条件限制，跨导可以增大的前提条件必须是有一个好的频率响应，频率响应好坏与否可以从增益带宽乘积上体现。现有的跨阻放大器为提供稳定的电压工作点，采用PMOS和NMOS相结合的方式来实现上述效果，但是由于PMOS的工作特性局限，其fTdouble较小，这在一定程度上导致了增益带宽乘积变小，这直接使得跨导的取值不能进一步变大，跨导放大器的输出噪音大小不能进一步降低。
发明内容
本发明提供一种跨阻放大器，目的在于解决上述的问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种跨阻放大器，包括：
反相放大电路，具有一输入端和输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出放大电压信号，所述反相放大电路包括至少三个依次连接的放大单元，每一所述放大单元包括两个相互耦接的N型晶体管，其中一个N型晶体管用于接收输入电压，另一个N型晶体管用于接收直流电压信号，两个N型晶体管的公共连接端用于输出放大后的电压信号，用于接收直流电压信号的N型晶体管采用native NFET；
反馈电阻，耦接所述反相放大电路的输入端和输出端。
作为一种实施方式，所述反相放大电路包括三个放大电路，分别为：
一级放大单元，具有一输入端和一输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压，输出端输出一级放大后的第一电压信号；
二级放大单元，具有一输入端和输出端，输入端耦接所述一级放大单元的输出端，用于接入第一电压，输出端输出二级放大后的第二电压信号；以及
三级放大单元，具有一输入端和输出端，输入端耦接所述二级放大单元是输出端，用于接入第二电压，输出端输出三级放大后的放大电压信号。
作为一种实施方式，所述一级放大单元包括：
第一N型晶体管，第二端耦接光二极管的输出端，用以接收输入电压信号，第一端用以输出第一电压信号，第三端接地:
第二N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第一N型晶体管的第一端。
作为一种实施方式，所述二级放大单元包括：
第三N型晶体管，第二端耦接一级放大单元的输出端，用以接收第一电压V1，第一端用以输出第二电压信号，第三端接地；
第四N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第三N型晶体管的第一端。
作为一种实施方式，所述三级放大单元包括：
第五N型晶体管，第二端耦接二级放大单元102的输出端，用以接收第二电压V2，第一端用以输出放大电压信号，第三端接地；
第六N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第五N型晶体管的第一端。
作为一种实施方式，所述放大单元还包括一电阻，所述电阻的一端用于接收直流电压信号，另一端耦接用于接收直流电压信号的N型晶体管的第二端。
作为一种实施方式，所述放大单元的输入端和输出端之间还设有N型晶体管。
作为一种实施方式，所述反馈电阻的两端设有N型晶体管。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：通过采用两个N型晶体管构成的运算放大器可增进其增益频宽乘积，因此，在给定一个相同固定频宽时，本发明跨导放大器的增益频宽乘积远高于现有中的跨导放大器。由此，跨导放大器的反馈电阻可不受原有条件制约，设计成一个高阻值的电阻，从而进一步降低跨导放大器的输入噪音，增加跨导放大器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的跨导放大器的示意图；
图2为本发明的跨导放大器的另一实施例的示意图。
附图标注：100、跨导放大器；101、一级放大单元；102、二级放大单元；103、三级放大单元；104、光二极管。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，跨导放大器100包括反相放大电路和耦接反相放大电路输入端与输出端之间的反馈电阻RF，反相放大电路的输入端耦接光二极管104，用于接入输入电压信号，输出端用于输出放大电压信号。反相放大电路包括至少三个放大单元，每一放大单元包括两个相互耦接的N型晶体管，其中一个N型晶体管用于接收输入电压，另一个N型晶体管用于接收直流电压信号，两个N型晶体管的公共连接端用于输出放大后的电压信号，用于接收直流电压信号的N型晶体管采用native NFET；在本实施例中，放大单元的数量为三个，分别为一级放大单元101、二级放大单元102以及三级放大单元103，三个放大单元的位置并未明确要求，可根据需要进行位置互换。
一级放大单元101具有输入端和输出端，输入端耦接光二极管104，用于接入输入电压VIN，输出端用于输出一级放大后的第一电压信号V1。二级放大单元102具有输入端和输出端，输入端耦一级放大单元101的输出端，用于接入第一电压信号V1，输出端用于输出二级放大后的第二电压信号V2。三级放大单元103具有输入端和输出端，输入端耦二级放大单元102的输出端，用于接入第二电压信号V2，输出端用于输出三级放大后的放大电压信号VOUT。反馈电阻RF耦接一级放大单元101的输入端与三级放大单元103的输出端。
三个放大单元的结构类似，一级放大单元101包括第一N型晶体管ND1和第二N型晶体管NL1，第一N型晶体管ND1的第二端耦接光二极管104的输出端，用以接收输入电压信号VIN，第一端用以输出第一电压信号V1，第三端接地:第二N型晶体管NL1的第一端和第二端均用以接收直流电压信号VD，第三端耦接第一N型晶体管ND1的第一端。二级放大单元102包括第三N型晶体管ND2和第四N型晶体管NL2，第三N型晶体管ND2的第二端耦接一级放大单元101的输出端，用以接收第一电压信号V1，第一端用以输出第二电压V2，第三端接地:第四N型晶体管NL2的第一端和第二端均用以接收直流电压信号VD，第三端耦接第三N型晶体管ND2的第一端。三级放大单元103包括第五N型晶体管ND3和第六N型晶体管NL3，第五N型晶体管ND3的第二端耦接二级放大单元102的输出端，用以接收第二电压V2，第一端用以输出放大电压信号VOUT，第三端接地:第六N型晶体管NL3的第一端和第二端均用以接收直流电压VD，第三端耦接第五N型晶体管ND3的第一端。其中，第二N型晶体管NL1、第四N型晶体管NL2以及第六N型晶体管NL3均采用native NFET。
跨导放大器100的一级放大单元101、二级放大单元102、三级放大单元103以及反馈电阻RF形成三级运算放大器。三个放大单元均采用两个N型晶体管的结构来实现一级反相放大，其通过两个N型晶体管的连接结构在极大程度上提高增益的同时，又不影响频宽，因此可极大程度上提高跨导放大器100的增益频宽乘积((gain-bandwidth product))，其中，一级放大单元的增益为
Figure BDA0001359780290000041
二级放大单元的增益为/>
Figure BDA0001359780290000042
三级放大单元的增益为/>
Figure BDA0001359780290000043
因此，跨导放大器100的增益为/>
Figure BDA0001359780290000044
上述公式中，gmNi为和N型晶体管的电导，其中，i∈{D1,D2,D3,L1,L2,L3}。
因为采用N型晶体管的运算放大器可增进其增益频宽乘积，因此，在给定一个相同固定频宽时，本发明跨导放大器的增益频宽乘积远高于现有中的跨导放大器。由此，跨导放大器100的反馈电阻RF可不受原有条件制约，设计成一个高阻值的电阻，从而进一步降低跨导放大器的输入噪音，增加跨导放大器100的灵敏度。
如图2所示，作为本发明的另一个实施例，三个放大单元均可以根据需要设置电阻，电阻的一端接收直流电压，另一端耦接用于接收直流电压信号的N型晶体管的第二端，在N型晶体管的第二端耦接一个电阻，可使电阻充当一个有源电感的作用，可增大放大单元的频宽，从而增大整个跨导放大器100的增益频宽乘积。
如图2所示，作为本发明的另一个实施例，三个放大单元均可以在其自身的输入端和输出端之间设有N型晶体管，反馈电阻两端也设有N型晶体管。该N型晶体管可实现跨阻放大器的AGC控制(自动增益控制)。
除上述功能外，若噪音和灵敏度不是本跨导放大器100的主要设计目标，则可降低跨导放大器100中N型晶体管的电导，电导降低，则耗电流降低，从而实现跨导放大器100功耗的降低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，包括：
反相放大电路，具有一输入端和输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出放大电压信号，所述反相放大电路包括至少三个依次连接的放大单元，每一所述放大单元包括两个相互耦接的N型晶体管，其中一个N型晶体管用于接收输入电压，另一个N型晶体管用于接收直流电压信号，两个N型晶体管的公共连接端用于输出放大后的电压信号，用于接收直流电压信号的N型晶体管采用nativeNFET；
反馈电阻，耦接所述反相放大电路的输入端和输出端；
所述反相放大电路包括三个放大电路，分别为：
一级放大单元，具有一输入端和一输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压，输出端输出一级放大后的第一电压信号；所述一级放大单元包括：第一N型晶体管，第二端耦接光二极管的输出端，用以接收输入电压信号，第一端用以输出第一电压信号，第三端接地；第二N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第一N型晶体管的第一端；
二级放大单元，具有一输入端和输出端，输入端耦接所述一级放大单元的输出端，用于接入第一电压，输出端输出二级放大后的第二电压信号；所述二级放大单元包括：第三N型晶体管，第二端耦接一级放大单元的输出端，用以接收第一电压V1，第一端用以输出第二电压信号，第三端接地；第四N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第三N型晶体管的第一端；
三级放大单元，具有一输入端和输出端，输入端耦接所述二级放大单元是输出端，用于接入第二电压，输出端输出三级放大后的放大电压信号；所述三级放大单元包括：第五N型晶体管，第二端耦接二级放大单元的输出端，用以接收第二电压V2，第一端用以输出放大电压信号，第三端接地；第六N型晶体管，第一端和第二端均用以接收直流电压信号，第三端耦接第五N型晶体管的第一端。
2.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述放大单元还包括一电阻，所述电阻的一端用于接收直流电压信号，另一端耦接用于接收直流电压信号的N型晶体管的第二端。
3.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述放大单元的输入端和输出端之间还设有N型晶体管。
4.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述反馈电阻的两端设有N型晶体管。
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