CN107395133A - 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：等效二级放大模块的输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出二级放大后的第一电压信号；反相放大单元，耦接等效二级放大单元的输出端，用于接入第一电压信号，输出反相放大后的放大电压信号，反相放大单元包括第三N型晶体管和耦接第三N型晶体管的第四N型晶体管，第三N型晶体管用于接收第三直流电压信号，第四N用于接收等效二级放大模块输出第一电压信号，第三N型晶体管和第四N型晶体管公共连接端输出放大电压信号；以及反馈电阻，耦接等效二级放大模块的输入端与反相放大单元的输出端。本跨阻放大器的反馈电阻可不受原有条件制约，可增大电阻，降低输入噪音，提升灵敏度。

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。
跨阻放大器的等效输入噪音大小是衡量其传输性能的重要指标之一，为了提高跨阻放大器的灵敏度务必需要减少噪音的输出，而减少噪音输出的其中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fT较小，等效电容较大，这在一定程度上导致了增益带宽乘积变小，从而使得跨导的取值很难进一步变大，跨阻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：
等效二级放大模块，具有一输入端和一输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出二级放大后的第一电压信号；
反相放大单元，耦接所述等效二级放大单元的输出端，用于接入第一电压信号，输出反相放大后的放大电压信号，反相放大单元包括第三N型晶体管和第四N型晶体管，第三N型晶体管的第一端和第二端均用于接收第三直流电压信号，第三端用于输出反相放大后的放大电压信号；第四N型晶体管第一端耦接第三N型晶体管的第三端，第二端耦接等效二级放大模块的输出端，用于接收第一电压信号，第三端接地；
以及反馈电阻，耦接所述等效二级放大模块的输入端与所述反相放大单元的输出端。
作为一种实施方式，所述等效二级放大模块包括：
一级放大单元，耦接光二极管，用于接入输入电压进行一次放大；
二级放大单元，耦接所述一级放大单元，用于对一次放大单元输出的信号进行二次放大，并输出经一级放大单元和二级放大单元放大后的第一电压。
作为一种实施方式，所述一级放大单元包括：
第一P型晶体管，第一端用于接收第一直流电压信号，第二端耦接光二极管，第三端耦接所述二级放大单元；
第一N型晶体管，第一端耦接所述第一P型晶体管的第三端，第二端耦接光二极管，第三端接地。
作为一种实施方式，所述二级放大单元包括：
第二P型晶体管，第一端用于接收第二直流电压信号，第二端耦接一级放大单元，第三端用于输出第一电压；
第二N型晶体管，第一端耦接第二P型晶体管的第三端，第二端耦接一级放大单元，第三端接地；
以及第一反馈电阻，耦接所述第二P型晶体管第二端与所述第二N型晶体管的第三端之间。
作为一种实施方式，所述反相放大单元还包括一电阻，电阻的一端用于接收第三直流电压信号，另一端耦接第三N型晶体管的第二端。
作为一种实施方式，所述第三N型晶体管采用Native NFET。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：通过采用双N型晶体管的组成的反相放大单元可增进其增益频宽乘积，因此，在给定一个相同固定频宽时，本发明跨阻放大器的增益频宽乘积远高于现有中的跨阻放大器。由此，跨阻放大器的反馈电阻RF可不受原有条件制约，设计成一个高阻值的电阻，从而进一步降低跨阻放大器的输入噪音，增加跨阻放大器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的实施例一的跨阻放大器的示意图；
图2为本发明的实施例二的跨阻放大器的示意图；
图3为本发明的实施例三的跨阻放大器的示意图。
附图标注：100、跨阻放大器；101、等效二级放大模块；1011、一级放大单元；1012、二级放大单元；102、反相放大单元；103、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，跨阻放大器100包含等效二级放大模块101、反相放大单元102及反馈电阻RF。等效二级放大模块101用于接收输入电压信号VIN，输出二级放大后的第一电压信号V1；等效二级放大模块101具有输入端和输出端，输入端耦接光二极管103，用于接入输入电压信号VIN，输出端用于输出二级放大后的第一电压信号V1。等效二级放大模块101包括一级放大单元1011和二级放大单元1012，一级放大单元1011用于接收输入电压信号VIN，并对输入电压信号VIN进行一级放大，二级放大单元1012耦接一级放大单元1011，用于将一级放大后的输入电压信号VIN进行二级放大，并输出二级放大后的第一电压V1。反相放大单元102用于接收第一电压信号V1，输出放大电压信号VOUT；反相放大单元102具有输入端和输出端，输入端耦接二级放大单元1012的输出端，用于接入第一电压信号V1，输出端用于输出放大电压信号VOUT；反馈电阻RF耦接等效二级放大模块101的输入端与反相放大单元102的输出端。
等效二级放大模块101实际工作为一次放大，但可响应两级放大，其较同等二级放大可减少响应时间，增大响应频率。等效二级放大模块101包括一级放大单元1011和二级放大单元1012，一级放大单元1011包括第一P型晶体管P1和第一N型晶体管N1，第一P型晶体管的第一端用于接收第一直流电压信号VD1，第二端耦接光二极管103，第三端耦接二级放大单元1012；第一N型晶体管N1的第一端耦接第一P型晶体管P1的第三端，第二端耦接光二极管103，第三端接地。二级放大单元1012包括第二P型晶体管P2、第二N型晶体管N2和第一反馈电阻RF1，第二P型晶体管P2的第一端用于接收第二直流电压信号VD2，第二端耦接一级放大单元1011，第三端用于输出第一电压信号V1；第二N型晶体管N2的第一端耦接第二P型晶体管P2的第三端，第二端耦接一级放大单元1011，第三端接地；第一反馈电阻RF1耦接第二P型晶体管P2第二端与第二N型晶体管N2的第三端之间。
实施例一
反相放大单元102包括第三N型晶体管NL3和第四N型晶体管ND3，第三N型晶体管NL3的第一端和第二端均用于接收第三直流电压VD3，第三端用于输出放大电压信号VOUT；第四N型晶体管ND3的第一端耦接第三N型晶体管NL3的第三端，第二端耦接等效二级放大模块101的输出端，用于接收第一电压信号V1，第三端接地。
跨阻放大器100的等效二级放大模块101、反相放大单元102以及反馈电阻RF形成三级运算放大器，反相放大单元作为三级运算放大器中的其中一级放大单元，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阻放大器100的增益频宽乘积((gain-bandwidth product))，等效二级放大模块101的增益为Av＝(gmp1+gmn1)×RF1，反相放大单元102的增益为跨阻放大器100的增益为上述公式中，gm表示为各个晶体管的电导。
因为采用双N型晶体管的组成的反相放大单元可增进其增益频宽乘积，因此，在给定一个相同固定频宽时，本发明跨阻放大器的增益频宽乘积远高于现有中的跨阻放大器。由此，跨阻放大器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，从而进一步降低跨阻放大器的输入噪音，增加跨阻放大器100的灵敏度。
实施例二
如图2所示，作为本发明的另一个实施例，反相放大单元102还包括电阻R1，电阻R1的一端接收第三直流电压，另一端耦接第三N型晶体管N3的第二端，在其第二端耦接一个电阻，可使电阻R1充当一个有源电感的作用，可增大反相放大单元102的频宽，从而增大整个跨阻放大器100的增益频宽乘积。
为降低第三N型晶体管NL3两端的压降，在本发明的实施例中第三N型晶体管NL3采用Native NFET。
在本发明的另一实施例中，等效二级放大模块101和反相放大单元102的位置相互调换，由反相放大单元102的输入端耦接光二极管103，等效二级放大模块101的输出端用于放大电压信号的输出。
实施例三
如图3所示，作为本发明的另一个实施例，三个用于信号放大的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阻放大器100的主要设计目标，则可降低跨阻放大器100中P型晶体管和N型晶体管的电导，电导降低，则耗电流降低，从而实现跨阻放大器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 (6)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，包括：
等效二级放大模块，具有一输入端和一输出端，输入端耦接光二极管，用于接入输入电压信号，输出端用于输出二级放大后的第一电压信号；
反相放大单元，耦接所述等效二级放大单元的输出端，用于接入第一电压信号，输出反相放大后的放大电压信号，反相放大单元包括第三N型晶体管和第四N型晶体管，第三N型晶体管的第一端和第二端均用于接收第三直流电压信号，第三端用于输出反相放大后的放大电压信号；第四N型晶体管第一端耦接第三N型晶体管的第三端，第二端耦接等效二级放大模块的输出端，用于接收第一电压信号，第三端接地；
以及反馈电阻，耦接所述等效二级放大模块的输入端与所述反相放大单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述等效二级放大模块包括：
一级放大单元，耦接光二极管，用于接入输入电压进行一次放大；
二级放大单元，耦接所述一级放大单元，用于对一次放大单元输出的信号进行二次放大，并输出经一级放大单元和二级放大单元放大后的第一电压。
3.根据权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述一级放大单元包括：
第一P型晶体管，第一端用于接收第一直流电压信号，第二端耦接光二极管，第三端耦接所述二级放大单元；
第一N型晶体管，第一端耦接所述第一P型晶体管的第三端，第二端耦接光二极管，第三端接地。
4.根据权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述二级放大单元包括：
第二P型晶体管，第一端用于接收第二直流电压信号，第二端耦接一级放大单元，第三端用于输出第一电压；
第二N型晶体管，第一端耦接第二P型晶体管的第三端，第二端耦接一级放大单元，第三端接地；
以及第一反馈电阻，耦接所述第二P型晶体管第二端与所述第二N型晶体管的第三端之间。
5.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述反相放大单元还包括一电阻，电阻的一端用于接收第三直流电压信号，另一端耦接第三N型晶体管的第二端。
6.根据权利要求1或5所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第三N型晶体管采用NativeNFET。
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