CN107332529B - 一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路 - Google Patents

一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路，包括固定增益放大器、模拟检波器、幅度检测器、比较器以及可变增益放大器；所述模拟检波器对所述固定增益放大器输出的差分信号进行缩放，并对缩放后的差分信号进行滤波后输入至所述幅度检测器；所述幅度检测器将所述模拟检波器输出的差分信号与所述固定增益放大器输出的共模电平进行比较，将得到的幅度信号输入至所述比较器；所述比较器将接收到的幅度信号与预设的门限电压相比较，将比较结果输出至所述可变增益放大器；所述可变增益放大器根据比较结果对其增益进行相应调节。本发明公开的一种跨阻放大器的自动增益控制方法，适用性更广。

Description

一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路。
背景技术
光纤通信系统由于其具有大容量、高速等特点，在网络和多媒体通信中得到了飞速的发展。跨阻放大器作为光纤通信系统中光接收机的重要组成部分，其用于对光探测器转换成的电信号进行放大。由于接收的光电信号通常具有非常大的动态范围，为了产生相对恒定的输出幅度，光通信领域的跨阻放大器必须具备自动增益控制功能，但是，目前的跨阻放大器却基本不具备自动增益控制功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有的跨阻放大器不具备自动增益控制功能的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路，包括固定增益放大器、模拟检波器、幅度检测器、比较器以及可变增益放大器；所述模拟检波器对所述固定增益放大器输出的差分信号进行缩放，并对缩放后的差分信号进行滤波后输入至所述幅度检测器；所述幅度检测器将所述模拟检波器输出的差分信号与所述固定增益放大器输出的共模电平进行比较，将得到的幅度信号输入至所述比较器；所述比较器将接收到的幅度信号与预设的门限电压相比较，将比较结果输出至所述可变增益放大器；所述可变增益放大器根据比较结果对其增益进行相应调节。
在上述技术方案中，还包括线性放大器，接收所述幅度检测器输出的幅度信号，按照相应的线性比例对所述幅度信号进行放大并输出，作为幅度显示。
在上述技术方案中，还包括门限电压产生模块，为所述比较器提供预设的门限电压。
在上述技术方案中，所述固定增益放大器包括共源共栅放大器、第一源极跟随器和第二源极跟随器，所述共源共栅放大器由八个CMOS晶体管组成，包括第一CMOS晶体管至第八CMOS晶体管，所述第一源极跟随器为第九CMOS晶体管，所述第二源极跟随器为第十CMOS晶体管；
差分信号通过所述第一CMOS晶体管的栅极和第二CMOS晶体管的栅极输入，其中一路差分信号经过所述第九CMOS晶体管的源极和第十CMOS晶体管的源极输出；另一路差分信号经过所述第九CMOS晶体管的栅极和第十CMOS晶体管的栅极放大后，输出至所述模拟检波器；
所述第九CMOS晶体管的栅极和第十CMOS晶体管的栅极串接高阻值的第一电阻和第二电阻，得到经过放大后的差分信号的共模电平，并输出至所述幅度检测器。
在上述技术方案中，所述模拟检波器包括第十一CMOS晶体管以及共源的第三源极跟随器和第四源极跟随器，所述第三源极跟随器为第十二CMOS晶体管，所述第四源极跟随器为第十三CMOS晶体管，所述第九CMOS晶体管的栅极的输入作为所述第十二CMOS晶体管的栅极的输入，所述第十CMOS晶体管的栅极的输入作为所述第十三CMOS晶体管的栅极的输入，所述第三源极跟随器与第四源极跟随器的共源节点连接第十一CMOS晶体管的漏极。
在上述技术方案中，所述共源节点的电压与所述固定增益放大器输出的差分信号的共模电平相同，并且随着所述固定增益放大器输入的差分信号的幅度变化，其变化频率为所述固定增益放大器输入的差分信号频率的两倍。
在上述技术方案中，共源节点的电压计算公式为：
Figure BDA0001318210730000031
其中，VF+为所述固定增益放大器输入的正电压差分信号，VF+＝VCM+ΔV；VF-为所述固定增益放大器输入的负电压差分信号，VF-＝VCM+ΔV；VCM为所述固定增益放大器输出的差分信号的共模电平；ΔV为所述固定增益放大器输入的差分信号的变化量；Vth为预设的门限电压；Cox为单位面积的栅氧化层电容；W/L为宽长比；Iss为电流，μn为电子的迁移速率。
在上述技术方案中，所述幅度检测器包括第十四CMOS晶体管、第五源极跟随器和第六源极跟随器，所述第五源极跟随器为第十五CMOS晶体管，所述第六源极跟随器为第十六CMOS晶体管，所述第十五CMOS晶体管的栅极接收所述模拟检波器输出的经过低通滤波器滤波后的差分信号，所述第十四CMOS晶体管的栅极接收所述固定增益放大器输出的差分信号的共模电平。
在上述技术方案中，所述第五源极跟随器和第六源极跟随器与第一源极跟随器和第二源极跟随器相同。
本发明通过模拟检波器对固定增益放大器输出的差分信号进行缩放，滤波后输出至幅度检测器，将模拟检波器输出的差分信号与固定增益放大器输出的共模电平进行比较得到幅度信号，将幅度信号输入至比较器，与预设的门限电压相比较，通过可变增益放大器根据比较结果对其增益进行相应调节，解决了现有的跨阻放大器不具备自动增益控制功能的局限性，适用性更广。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路的结构图；
图2为本发明提供的固定增益放大器的结构图；
图3为本发明提供的模拟检波器的结构图；
图4为本发明提供的幅度检测器的结构图；
图5为本发明提供的线性放大器的结构图；
图6为本发明提供的比较器的结构图；
图7为采用自动增益控制电路的瞬态响应仿真曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明实施例提供了一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路，如图1所示，包括固定增益放大器10、模拟检波器20、幅度检测器30、线性放大器40、比较器50、可变增益放大器60以及门限电压产生模块70。
模拟检波器20对固定增益放大器10输出的差分信号进行缩放，并通过低通滤波器对缩放后的差分信号进行滤波，得到与信号幅度、共模电平Vdc相关的稳定的差分信号，并将该差分信号输入至幅度检测器30；幅度检测器30接收模拟检波器10输出的差分信号，并将该差分信号与共模电平Vdc进行比较，得到与信号幅度大小相关的幅度信号，将该幅度信号分别输入至线性放大器40和比较器50；线性放大器40对该幅度信号进行相应的线性比例放大并输出，作为幅度显示；比较器50接收幅度检测器30输出的幅度信号，并将该幅度信号与预设的门限电压相比较，将比较结果输出至可变增益放大器60；可变增益放大器60根据比较器50的输出结果对其增益进行相应调节。门限电压产生模块70为比较器50提供预设的门限电压。
如图2所示，为固定增益放大器10的结构图，包括共源共栅放大器、第一源极跟随器和第二源极跟随器，共源共栅放大器由第一CMOS晶体管M1至第八CMOS晶体管M8等八个CMOS晶体管组成，第一源极跟随器为第九CMOS晶体管M9，第二源极跟随器为第十CMOS晶体管M10。差分信号通过第一CMOS晶体管M1的栅极Vin+和第二CMOS晶体管M2的栅极Vin-输入，其中一路差分信号经过第九CMOS晶体管M9的源极Vo+和第十CMOS晶体管M10的源极Vo-输出，第九CMOS晶体管M9和第十CMOS晶体管M10用于减少输出阻抗，提高带负载能力。另一路差分信号经过第九CMOS晶体管M9的栅极VF+和第十CMOS晶体管M10的栅极VF-放大后，输出至模拟检波器20。通过将第九CMOS晶体管M9的栅极VF+和第十CMOS晶体管M10的栅极VF-串接高阻值的第一电阻R1和第二电阻R2，可得到经过放大后的差分信号的共模电平Vdc，并将该共模电平Vdc输出至幅度检测器30。
如图3所示，为模拟检波器20的结构图，模拟检波器20包括第十一CMOS晶体管M11以及共源的第三源极跟随器和第四源极跟随器，第三源极跟随器为第十二CMOS晶体管M12，第四源极跟随器为第十三CMOS晶体管M13，第九CMOS晶体管M9的栅极的输入VF+作为第十二CMOS晶体管M12的栅极的输入，第十CMOS晶体管M10的栅极的输入VF-作为第十三CMOS晶体管M13的栅极的输入，第三源极跟随器与第四源极跟随器的共源节点P连接第十一CMOS晶体管M11的漏极，共源节点P的电压Vp与固定增益放大器10输出的差分信号的共模电平Vdc相同，随固定增益放大器10输入的差分信号的幅度变化，其变化频率为输入的差分信号频率的两倍。
假设第十二CMOS晶体管M12的栅极输入的正电压差分信号VF+和第十三CMOS晶体管M13的栅极输入负电压差分信号VF-在VDD和(VDD-IssR5,6)之间变化，当VF+(或VF-)等于VDD且第十一CMOS晶体管M11承载Iss的所有电流时，共源节点P的电压
Figure BDA0001318210730000051
其中，Cox为单位面积的栅氧化层电容，W/L为宽长比，Iss为电流，μn为电子的迁移速率，Vth为预设的门限电压；当VF+下降而VF-升高时，共源节点P的电压Vp也下降，因为只要第十三CMOS晶体管M13关断，第十二CMOS晶体管M12就是一个源极跟随器。
当VF+与VF-的差值达到时，第十三CMOS晶体管M13导通，其中， VGs,eq表示第十三CMOS晶体管M13的过驱动电压。当VF+与VF-的差值达到 时的电压Vp可通过以下公式计算得到：
Figure BDA0001318210730000063
如果VF+、VF-以差动变化，则VF+＝VCM+ΔV，VF-＝VCM+ΔV，电压Vp的计算公式可以表示为：
Figure BDA0001318210730000064
共源节点P的电压Vp的大小是一个与固定增益放大器输入的差分信号的变化量ΔV相关的量，VCM为所述固定增益放大器输出的差分信号的共模电平，根号里的项在ΔV＝0(平衡条件)时达到最大值，此时电压Vp最小，电压Vp的最小值如下所示：
Figure BDA0001318210730000065
如图4所示，为幅度检测器30的结构图，幅度检测器30包括第十四CMOS晶体管M14、第五源极跟随器和第六源极跟随器，第五源极跟随器为第十五CMOS晶体管M15，第六源极跟随器为第十六CMOS晶体管M16，模拟检波器10将经过滤波后的差分信号VI1输入至第十五CMOS晶体管M15的栅极，固定增益放大器20将输出的差分信号的共模电平Vdc输入至第十四CMOS晶体管M14的栅极，第五源极跟随器和第六源极跟随器与第一源极跟随器和第二源极跟随器相同。由于经过模拟检波器20检波的差分信号的幅度会缩放到比较小，不利于调节可变增益放大器60，因此幅度检测器30会将缩放后的差分信号VI1与共模电平Vdc进行比较，得到一个与信号幅度大小变化相关的共模电平Vo1，将变化的共模电平Vo1进行适当的线性放大后输出Vo2，将Vo1和Vo2输入至线性放大器40和比较器50。
如图5所示，为线性放大器40的结构图，对幅度检测器30的输出结果Vo2与Vo1进行比较，并线性放大后输出，作为幅度探测显示。
如图6所示，为比较器50的结构图，将幅度检测器30的输出结果Vo2与预设的门限电压进行比较，并将比较结果输出至可变增益放大器60，由可变增益放大器60对其增益进行相应调节，最后稳定时输出结果Vo2会锁定在预设的门限电压处。
如图7所示，为采用本方案的带输出幅度检测的自动增益控制电路的瞬态响应仿真曲线，曲线A是比较器50的输出电压，输入到可变增益放大器70中，控制调节其增益，可以看到自动增益控制电路稳定时，比较器50的输出电压稳定在一个固定值处。曲线B是输出的差分信号，可以看出信号幅度最后稳定在所要求的幅度大小处。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于全差分跨阻放大器的自动增益控制电路，其特征在于，包括固定增益放大器、模拟检波器、幅度检测器、比较器以及可变增益放大器；所述模拟检波器对所述固定增益放大器输出的电压差分信号进行缩放，并对缩放后的电压差分信号的共模电平进行滤波后输入至所述幅度检测器；所述幅度检测器将所述模拟检波器输出的电压差分信号的共模电平与所述固定增益放大器输出经过放大后的电压差分信号的共模电平进行比较，得到一个与信号幅度变化相关的共模电平Vo1，将变化的共模电平Vo1进行适当的线性放大后输出Vo2,将线性放大后输出的Vo2输入至所述比较器；所述比较器将接收到的幅度信号与预设的门限电压相比较，将比较结果输出至所述可变增益放大器；所述可变增益放大器根据比较结果对其增益进行相应调节；
其中，所述固定增益放大器包括共源共栅放大器、第一源极跟随器和第二源极跟随器，所述共源共栅放大器由八个CMOS晶体管组成，包括第一CMOS晶体管至第八CMOS晶体管，所述第一源极跟随器为第九CMOS晶体管，所述第二源极跟随器为第十CMOS晶体管；
差分信号通过所述第一CMOS晶体管的栅极和第二CMOS晶体管的栅极输入，其中一路差分信号经过所述第九CMOS晶体管的源极和第十CMOS晶体管的源极输出；另一路差分信号经过所述第九CMOS晶体管的栅极和第十CMOS晶体管的栅极放大后输出正电压差分信号VF+和负电压差分信号VF-，并输出至所述模拟检波器；
所述第九CMOS晶体管的栅极和第十CMOS晶体管的栅极串接高阻值的第一电阻和第二电阻，得到经过放大后的差分信号的共模电平，并输出至所述幅度检测器。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括线性放大器，接收所述幅度检测器输出的幅度信号共模电平Vo1和将其线性放大后输出的Vo2，按照相应的线性比例对所述幅度信号进行放大并输出，作为幅度显示。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括门限电压产生模块，为所述比较器提供预设的门限电压。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述模拟检波器包括第十一CMOS晶体管以及共源的第三源极跟随器和第四源极跟随器，所述第三源极跟随器为第十二CMOS晶体管，所述第四源极跟随器为第十三CMOS晶体管，所述第九CMOS晶体管的栅极的输出作为所述第十二CMOS晶体管的栅极的输入，所述第十CMOS晶体管的栅极的输出作为所述第十三CMOS晶体管的栅极的输入，所述第三源极跟随器与第四源极跟随器的共源节点连接第十一CMOS晶体管的漏极。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述共源节点的电压与所述固定增益放大器输出的差分信号的共模电平相同，并且随着所述固定增益放大器输入的差分信号的幅度变化，其变化频率为所述固定增益放大器输入的差分信号频率的两倍。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，共源节点的电压计算公式为：
Figure FDA0002833938720000021
其中，VF+为所述固定增益放大器输出的正电压差分信号，VF+＝VCM+ΔV；VF-为所述固定增益放大器输出的负电压差分信号，VF-＝VCM+ΔV；VCM为所述固定增益放大器输出的经过放大后的差分信号的共模电平；ΔV为所述固定增益放大器输入的差分信号的变化量；Vth为预设的门限电压；Cox为单位面积的栅氧化层电容；W/L为宽长比；Iss为电流，μn为电子的迁移速率。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述幅度检测器包括第十四CMOS晶体管、第五源极跟随器和第六源极跟随器，所述第五源极跟随器为第十五CMOS晶体管，所述第六源极跟随器为第十六CMOS晶体管，所述第十五CMOS晶体管的栅极接收所述模拟检波器输出的经过低通滤波器滤波后的差分信号的共模电平，所述第十四CMOS晶体管的栅极接收所述固定增益放大器输出经过放大后的差分信号的共模电平。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述第五源极跟随器和第六源极跟随器与第一源极跟随器和第二源极跟随器相同。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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