CN107370461A - 一种应用于跨阻放大器的补偿结构 - Google Patents

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Abstract

一种应用于跨阻放大器的补偿结构，属于模拟集成电路技术领域。包括第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，补偿结构的输入信号分别连接第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的输入端，第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的输出端相连并作为补偿结构的输出端，第一运算放大器A1构成高增益、低带宽的慢通路，第二运算放大器A2构成低增益、高带宽的快通路，通过将快通路与慢通路并联产生零点的方式，来降低系统的品质因子Q值，实现跨阻放大器系统稳定。本发明既能使得环路稳定工作，又替代了传统跨阻放大器需要加入的补偿电容，有效减小了跨阻放大器的面积，尤其适用于跨阻放大器的大规模应用，可以有效地节约面积，提高阵列的分辨率。

Description

一种应用于跨阻放大器的补偿结构
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种应用于跨阻放大器的补偿结构。
背景技术
在需要电流转电压的应用场合，如检测微弱光电流信号的场合，通常需要用到跨阻型放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)。
跨阻放大器TIA基本结构如图1所示，由运算放大器、反馈电阻RF和补偿电容CF构成；其中运算放大器可以提供一定的开环增益和带宽，而反馈电阻RF将输入的电流信号放大为电压信号，作为跨阻放大器TIA的关键指标，它主要用来反映跨阻放大器TIA对微弱电流信号的放大能力。
如图1所示，设运算放大器的低频增益为A，其主极点位置为p，当跨阻放大器不加入补偿电容CF时，跨阻放大器TIA的开环传输函数为：
其中，CD是跨阻放大器在输入端的电容，反馈因子那么闭环传输函数为
在一般的二阶低通系统中，可以通过系统的Q值(品质因子)来判定系统的稳定性，Q值越小，系统越稳定。二阶低通系统的传输函数在频域中用电压变量表示为：
其中，A0是系统的低频增益，w0是极点频率，那么可以计算出无CF时，跨阻放大器的Q值为：
当跨阻放大器加入补偿电容CF后，系统的开环传输函数为：
反馈因子那么闭环传输函数为
那么，加入CF后，跨阻放大器的Q值变为：
一般情况下，CD＞＞CF，A＞＞1，所以
可以看出，加入补偿电容CF后，降低了跨阻放大器这个系统的Q值，通过调节补偿电容CF的值，可以使得环路稳定。
所以，在大多数的场合，跨阻放大器都需要用补偿电容CF来保持环路的稳定，那么这必然会使得电路版图的面积增大不少，对于大规模应用(比如红外焦平面阵列中的跨阻放大器)，面积成了一个很重要的限制因素。而且，对于激光焦平面读出电路而言，TIA的带宽一般比较高，所以CF一般在几个fF量级，工艺波动、寄生参数对TIA稳定性和带宽的影响非常明显。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述传统电路存在的补偿电容面积大、工艺敏感的问题，提出一种应用于跨阻放大器的补偿结构，可代替传统电路中的补偿电容。
本发明的技术方案是：
一种应用于跨阻放大器的补偿结构，包括第一运算放大器A1和第二运算放大器A2，
所述补偿结构的输入信号分别连接所述第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的输入端，所述第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的输出端相连并作为所述补偿结构的输出端；
所述第一运算放大器A1构成高增益、低带宽的慢通路，所述第二运算放大器A2构成低增益、高带宽的快通路。
具体的，所述第二运算放大器A2包括第三PMOS管MP3，第三PMOS管MP3栅极作为所述第二运算放大器A2的输入端，其漏极作为所述第二运算放大器A2的输出端，其源极接电源电压。
具体的，所述第一运算放大器A1包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第四PMOS管MP4，
第一PMOS管MP1的栅极作为所述第一运算放大器A1的输入端，其漏极连接第二PMOS管MP2的源极，其源极接电源电压；第二PMOS管MP2的栅极接偏置电压；
第四PMOS管MP4的源极作为所述第一运算放大器A1的输出端，其栅极连接第二PMOS管MP2的漏极，其漏极接地。
具体的，所述补偿结构还包括偏置模块，所述偏置模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一电流源I1、第二电流源I2和偏置电压源VB，
第一电流源I1的正极接电源电压，其负极接第三NMOS管MN3的栅极和漏极以及第一NMOS管MN1的栅极，第一NMOS管MN1的漏极连接所述第二PMOS管MP2的漏极，第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3的源极接地；
第二电流源I2的正极接电源电压，其负极接第四NMOS管MN4的栅极和漏极以及第二NMOS管MN2的栅极，第二NMOS管MN2的漏极接所述第二PMOS管MP2的源极，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的源极接地；
偏置电压源VB接在所述第二PMOS管MP2的栅极和地之间。
本发明的有益效果为：本发明利用MOS管电路结构实现补偿效果，通过将快通路与慢通路并联产生零点的方式，来降低系统的品质因子Q值，实现跨阻放大器系统稳定；另外本发明提出的补偿结构替代了传统跨阻放大器需要加入的补偿电容，有效减小了跨阻放大器的面积。
附图说明
图1为传统跨阻放大器的基本结构示意图；
图2为本发明提出的应用于跨阻放大器的补偿结构的结构示意图；
图3为实施例的补偿结构用于跨阻放大器的具体电路示意图；
图4为传统跨阻放大器与本发明跨阻放大器的频率特性对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行描述：
如图2所示，针对传统跨阻放大器电路存在稳定性问题以及加入补偿电容面积大的问题，提出利用快慢通路在开环传输函数中产生适当位置的零点来降低系统的Q值，从而解决了跨阻放大器的稳定性问题，其中，第一运算放大器A1为高增益、低带宽的运算放大器，为“慢通路”，第二运算放大器A2为低增益、高带宽的运算放大器，为“快通路”，将第一运算放大器A1和第二运算放大器并联接在跨阻放大器补偿电阻RF两端。本发明的电路去掉了传统跨阻放大器需要加入的补偿电容，利用MOS管实现跨阻放大器的稳定性，有效减小了跨阻放大器的面积。
实施例
如图3所示，本实施例中第一运算放大器A1包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第四PMOS管MP4，第一PMOS管MP1的栅极作为所述第一运算放大器A1的输入端，其漏极连接第二PMOS管MP2的源极，其源极接电源电压；第二PMOS管MP2的栅极接偏置电压；第四PMOS管MP4的源极作为所述第一运算放大器A1的输出端，其栅极连接第二PMOS管MP2的漏极，其漏极接地。第二运算放大器A2包括第三PMOS管MP3，第三PMOS管MP3栅极作为所述第二运算放大器A2的输入端，其漏极作为所述第二运算放大器A2的输出端，其源极接电源电压。本实施例中还包括偏置模块，所述偏置模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一电流源I1、第二电流源I2和偏置电压源VB，第一电流源I1的正极接电源电压，其负极接第三NMOS管MN3的栅极和漏极以及第一NMOS管MN1的栅极，第一NMOS管MN1的漏极连接所述第二PMOS管MP2的漏极，第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3的源极接地；第二电流源I2的正极接电源电压，其负极接第四NMOS管MN4的栅极和漏极以及第二NMOS管MN2的栅极，第二NMOS管的漏极接所述第二PMOS管MP2的源极，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的源极接地；偏置电压源VB接在所述第二PMOS管MP2的栅极和地之间。
本实施例的工作原理为：
如图3所示，为本实施例中补偿电路结构示意图，电路从输入IN到输出OUT存在两条通路，一条慢通路(包括第一运算放大器和作为负载的第一NMOS管)，一条快通路(包括第二运算放大器和作为负载的第四PMOS管)。通路1即慢通路的传递函数为：
通路2即快通路的传递函数为：
其中，gMP1、gMP2、gMP3和gMP4分别是第一PMOS管MP1、第二PMSO管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的跨导，rOP1和rOP2分别是第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的小信号电阻，rON1是第一NMOS管MN1的小信号电阻，A1＝gMP1(rOP1||gMP2rOP2rOP1)是通路1的低频增益；A2＝gMP3/gMP4是通路2的低频增益；是通路1的主极点；是通路2的主极点；CA为A结点(即图3中第四PMOS管MP4的栅端节点)总的寄生电容，COUT为输出结点OUT处总的寄生电容。
所以，当快通路和慢通路并联时，假设A1＞＞A2，利用两条通路的传输函数可以得到由第一运算放大器A1和第二运算放大器A2组成的电路(即新的运算放大器)的传输函数为：
式(11)说明，电路产生了一个零点，若wp2＞＞(A1A2)wp1，那么零点可以近似为(A1/A2)wp1。
为方便计算，忽略次极点wp2，并将跨阻放大器中新的运算放大器的传输函数简化为：
AO代表新的运算放大器的低频增益，wZ代表新的运算放大器产生的零点，wP代表新的运算放大器的主极点。那么跨阻放大器的开环传输函数为：
反馈因子那么闭环传输函数为：
所以，可以计算出：
为了与无CF的跨阻放大器作对比，在相同情况下，A＝AO，p＝wP，那么
从式(16)可以看出，加入补偿结构后，降低了跨阻放大器这个系统的Q值，通过适当调节运算放大器零点的位置，可以使得跨阻放大器的环路达到稳定。
图4为传统跨阻放大器与本发明跨阻放大器的频率特性对比示意图。通过对比可以得出，本发明中的补偿结构能够替代传统跨阻放大器中的补偿电容，实现稳定系统的作用，有效降低了跨阻放大器的面积。
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)

1.一种应用于跨阻放大器的补偿结构，其特征在于，包括第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)，
所述补偿结构的输入信号分别连接所述第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)的输入端，所述第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)的输出端相连并作为所述补偿结构的输出端；
所述第一运算放大器(A1)构成高增益、低带宽的慢通路，所述第二运算放大器(A2)构成低增益、高带宽的快通路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于跨阻放大器的补偿结构，其特征在于，所述第二运算放大器(A2)包括第三PMOS管(MP3)，第三PMOS管(MP3)栅极作为所述第二运算放大器(A2)的输入端，其漏极作为所述第二运算放大器(A2)的输出端，其源极接电源电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于跨阻放大器的补偿结构，其特征在于，所述第一运算放大器(A1)包括第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)和第四PMOS管(MP4)，
第一PMOS管(MP1)的栅极作为所述第一运算放大器(A1)的输入端，其漏极连接第二PMOS管(MP2)的源极，其源极接电源电压；第二PMOS管(MP2)的栅极接偏置电压；
第四PMOS管(MP4)的源极作为所述第一运算放大器(A1)的输出端，其栅极连接第二PMOS管(MP2)的漏极，其漏极接地。
4.根据权利要求3所述的一种应用于跨阻放大器的补偿结构，其特征在于，所述补偿结构还包括偏置模块，所述偏置模块包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第一电流源(I1)、第二电流源(I2)和偏置电压源(VB)，
第一电流源(I1)的正极接电源电压，其负极接第三NMOS管(MN3)的栅极和漏极以及第一NMOS管(MN1)的栅极，第一NMOS管(MN1)的漏极连接所述第二PMOS管(MP2)的漏极，第一NMOS管(MN1)和第三NMOS管(MN3)的源极接地；
第二电流源(I2)的正极接电源电压，其负极接第四NMOS管(MN4)的栅极和漏极以及第二NMOS管(MN2)的栅极，第二NMOS管(MN2)的漏极接所述第二PMOS管(MP2)的源极，第二NMOS管(MN2)和第四NMOS管(MN4)的源极接地；
偏置电压源(VB)接在所述第二PMOS管(MP2)的栅极和地之间。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109861652A (zh) * 2019-02-21 2019-06-07 电子科技大学 一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器
CN110535534A (zh) * 2019-08-08 2019-12-03 北京炬力北方微电子股份有限公司 光接收器前端及接收光信号的方法
CN110890924A (zh) * 2019-11-21 2020-03-17 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 一种调整方法、装置及计算机存储介质
CN111835293A (zh) * 2020-07-27 2020-10-27 厦门亿芯源半导体科技有限公司 多跨阻恒定带宽超低噪声tia
WO2021037054A1 (zh) * 2019-08-30 2021-03-04 深圳市中兴微电子技术有限公司 补偿电路及芯片、方法、装置、存储介质、电子装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393781A (zh) * 2011-12-06 2012-03-28 四川和芯微电子股份有限公司 低压差线性稳压电路及系统
CN202331251U (zh) * 2011-12-06 2012-07-11 四川和芯微电子股份有限公司 低压差线性稳压电路
US20150292942A1 (en) * 2012-11-09 2015-10-15 Thales Receiver of a pulsed light signal with wide dynamic range
CN105811889A (zh) * 2016-04-20 2016-07-27 佛山臻智微芯科技有限公司 一种前馈补偿式跨导运算放大器
CN205509980U (zh) * 2016-04-20 2016-08-24 佛山臻智微芯科技有限公司 一种前馈补偿式跨导运算放大器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393781A (zh) * 2011-12-06 2012-03-28 四川和芯微电子股份有限公司 低压差线性稳压电路及系统
CN202331251U (zh) * 2011-12-06 2012-07-11 四川和芯微电子股份有限公司 低压差线性稳压电路
US20150292942A1 (en) * 2012-11-09 2015-10-15 Thales Receiver of a pulsed light signal with wide dynamic range
CN105811889A (zh) * 2016-04-20 2016-07-27 佛山臻智微芯科技有限公司 一种前馈补偿式跨导运算放大器
CN205509980U (zh) * 2016-04-20 2016-08-24 佛山臻智微芯科技有限公司 一种前馈补偿式跨导运算放大器

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109861652A (zh) * 2019-02-21 2019-06-07 电子科技大学 一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器
CN109861652B (zh) * 2019-02-21 2021-04-13 电子科技大学 一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器
CN110535534A (zh) * 2019-08-08 2019-12-03 北京炬力北方微电子股份有限公司 光接收器前端及接收光信号的方法
WO2021037054A1 (zh) * 2019-08-30 2021-03-04 深圳市中兴微电子技术有限公司 补偿电路及芯片、方法、装置、存储介质、电子装置
CN110890924A (zh) * 2019-11-21 2020-03-17 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 一种调整方法、装置及计算机存储介质
CN110890924B (zh) * 2019-11-21 2022-10-14 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 一种调整方法、装置及计算机存储介质
CN111835293A (zh) * 2020-07-27 2020-10-27 厦门亿芯源半导体科技有限公司 多跨阻恒定带宽超低噪声tia
CN111835293B (zh) * 2020-07-27 2023-06-20 厦门亿芯源半导体科技有限公司 多跨阻恒定带宽超低噪声tia

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