CN107592086A - 一种高增益超高工作速率放大器电路 - Google Patents

一种高增益超高工作速率放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高增益超高工作速率放大器电路，包括：用于提高增益的跨导增强电路、用于增加负载电阻值的电阻提升技术电路、用于拓展带宽的交叉耦合电路，还包括电流镜和尾流电源；内部器件具体由：九个晶体管、二个电容、二个电阻、二个电流源构成；是采用MOS器件构成的跨导增强技术，通过增加主放大管的跨导来提高增益，不影响电路的带宽；同时，通过电阻提升技术，在负载电阻上并联MOS管而提高增益，不缩小输出信号的电压裕度；采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽，构成具有高增益、超高工作速率的放大器电路，结构简单，非常有利于集成化。

Description

一种高增益超高工作速率放大器电路
技术领域
本发明涉及一种高增益超高工作速率放大器电路，属光纤通信集成电路技术领域。
背景技术
光纤通信是以光波作为信息载体、以光导纤维作为传输介质的一种高科技通信手段。与其他通信方式相比具有宽频带、大容量、低损耗、抗干扰、抗辐射等优点，在现代网络和多媒体通信中应用广泛。在光纤的前端为光接收端，光接收端由光探测器、前置放大器、限幅放大器和时钟恢复等电路组成。光接收端的作用就是通过光探测器将接收到的光信号转换为电信号，经过前置放大器、限幅放大器将接收到的微弱信号进行足够的放大，变为固定幅度的输出信号，再通过时钟恢复电路对畸变的接收信号进行判决和整形，送给后续的分接器等数字电路进行处理。而其中前置放大器的任务就是将接收到的微弱的电信号足够地放大，前置放大器的增益通常要达到50dB以上，需要采用多级级联技术。
现有的提高增益的技术方案中，往往是采用如图1所示共源共栅结构的放大器，图1中，M1晶体管构成共源放大，M2晶体管构成共栅放大器，该种结构电路的总增益AV为：
AV＝(gmrDS)1(gmrDS)2
现有的在拓展带宽的技术方案中，一般是采用如图2所示的无源电感并联峰化技术电路，是将无源电感与负载串联，取合适的电感值使得此电感与负载电容谐振，从而达到拓展带宽的目的。图2中，RL为电路的阻性负载，CL为负载电容（一般为后续电路的输入电容），L为拓展带宽采用的无源电感。加入电感后，系统引入了一个零点，通过零极点的相互抵消从而达到拓展带宽的目的。
上述图1所示的应用于提高增益电路中，共源共栅技术是在单级电路中叠加一层晶体管来提高增益，该技术限制了输出信号的摆幅，而且由于输出节点的输出电阻增大，减小了电路的带宽。
上述图2所示的应用于带宽拓展电路中，无源电感占用了很大的面积，大大增加了芯片制造成本，而且对于高增益的多级放大电路或者多通道并行光收发电路，由于芯片面积的原因，并不能无限制地增大无源电感的数量。
中国发明专利“采用MOS器件实现的低功耗带宽倍增运算放大器”（201110061084.6）和“一种增益提升的运算跨导放大器”（201510631301.9）所公开的电路，均是由运算放大器构成的增益提升电路，其不足之处是：带宽不高，电路的综合性能不能适应现代光纤通信所需放大器技术要求。
综上所述，一种既具备高增益，又在提高增益的同时，不影响电路带宽的专用于光纤通信集成电路的放大器成为必需。
发明内容
本发明针对背景技术所述问题，设计一种高增益超高工作速率放大器电路，包括：用于提高增益的跨导增强电路、用于增加负载电阻值的电阻提升技术电路、用于拓展带宽的交叉耦合电路，还包括电流镜和尾流电源；内部器件具体由：九个晶体管、二个电容、二个电阻、二个电流源构成；是采用MOS器件构成的跨导增强技术，通过增加主放大管的跨导来提高增益，不影响电路的带宽；同时，通过电阻提升技术，在负载电阻上并联MOS管而提高增益，不缩小输出信号的电压裕度；采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽，构成具有高增益、超高工作速率的放大器电路，结构简单，非常有利于集成化。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高增益超高工作速率放大器电路，包括：用于提高增益的跨导增强电路、用于增加负载电阻值的电阻提升技术电路、用于拓展带宽的交叉耦合电路，还包括电流镜和尾流电源；其特征在于：
所述跨导增强电路包括：四个晶体管M1、M2、M3、M4，还包括：晶体管M6和M7、负载电阻R1和R2；所述M1和M2为主放管, 所述M3和M4是交叉耦合管，M3和M4交叉耦合后，构成主放管M1和M2的源极负反馈电阻；其有益效果是：M1~M4晶体管构成了跨导增强电路，可增加主放管的跨导，从而提高放大器增益。
所述增加负载电阻值的电阻提升技术电路包括：所述M1的负载电路由晶体管M6与负载电阻R1并联构成，所述M2的负载电路由晶体管M7与负载电阻R2并联构成；其有益效果是：M6和M7可以从电阻R1和R2中，分流输入M1和M2中的大部分电流，从而增大R1和R2的电阻值，进一步提高增益。
所述交叉耦合电路包括：电容C1和电容C2，所述C1跨接在M2的输入端与M1的输出端之间，所述C2跨接在M1的输入端与M2的输出端之间，构成电容C1和C2的交叉耦合；其有益效果是：可以消除晶体管M1和M2栅极和集电极之间的寄生电容Cm的影响，从而减小输出节点的寄生电容，拓展带宽。
所述电流镜电路包括：晶体管M5、M6、M7、M8，其中M6和M7是负载管，还包括电流源I1和I2，所述M5和M6构成电流镜，所述M8和M7构成电流镜，所述电流源I1的一端连接M5的漏极，I1的另一端接地，所述I2的一端连接M8的漏极，I2的另一端接地；其有益效果是：通过晶体管M5和M8分别与晶体管M6和M7构成电流镜，从而给负载管M6和M7提供电流。
所述尾流电源包括：晶体管M9，所述M9的源极接地、栅极接外部偏置电压Vbias、漏极串接在M3和M4的相连的源极上，M9工作在饱和状态下，M9用于给差分结构的放大器提供尾电流。
本发明一种高增益超高工作速率放大器电路技术方案的设计依据如下：
1、晶体管对主放管M1和M2构成了跨导增强技术。假设M1和M2的跨导为g m1=g m2, M3和M4的跨导为g m3=g m4, M3和M4交叉耦合后的电阻为-1/g m3,该负阻构成了M1和M2的源极负反馈电阻，则根据反馈原理，M1和M2的跨导变为：
（1）
根据公式（1）可知，选择合适的gm1和gm3的值，可以实现将主放管的跨导gm1增强。当gm1=gm3时，理论上gm可以为无穷大。
2、在R1和R2的两端分别并联了M6和M7晶体管，构成增加负载电阻值的电阻提升技术电路，M6和M7分别构成的电流源分流了输入晶体管M1和M2中的大部分电流。如果M6中流过了0.8I D，则在电阻R1两端的电压降不变的情况下，R1的值相当于增大了5倍，从而提高了电流增益。
3、交叉耦合的C1和C2电容可以消除晶体管M1和M2栅极和集电极之间的寄生电容Cm的影响，从而拓展带宽。由电路可知，晶体管M1漏极节点的交流电压Vout和晶体管M2漏极节点的交流电压Voutn相反，那么，Vout通过寄生电容Cm的电流和Voutn通过耦合电容C1的电流之和I 1为：
I 1=sCm1 V out+sC1 V outn=s(Cm1-C1)V out （2）
同理可得：
I 2=sCm2 V outn+sC2 V out=s(Cm2-C2)V outn （3）
根据公式（2）和（3）可知，当设定C 1=C m1，C 2=C m2时，I 1= I 2，此时寄生电容的影响就可以被电容C 1和C 2抵消，从而扩展了电路带宽。
本发明的有益效果是：
1、本发明主要采用MOS器件构成的跨导增强技术,通过增加主放大管的跨导来提高增益，不影响电路的带宽。
2、电阻提升技术中，通过在负载电阻上并联MOS管来增大电阻值，从而提高电压增益。
3、采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽。
4、采用上述跨导增强和电阻提升技术来获得高的增益，采用交叉耦合的电容技术来拓展带宽，由此构成的限幅放大器电路具有高增益和超高速率的优点。
附图说明
图1是现有典型的用于提高增益的共源共栅放大器电路原理图；
图2是现有典型的用于拓展带宽的无源电感并联峰化电路原理图；
图3是本发明实施例“一种高增益超高工作速率放大器电路”原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明一种高增益超高工作速率放大器电路具体实施例作进一步说明：参考附图3，本发明一种高增益超高工作速率放大器电路，包括：用于提高增益的跨导增强电路、用于拓展带宽的交叉耦合电路，还包括电流镜和尾流电源。本发明采用MOS器件构成的跨导增强技术，通过增加主放大管的跨导来提高增益，不影响电路的带宽；同时，通过电阻提升技术，在负载电阻上并联MOS管而提高增益，不缩小输出信号的电压裕度；采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽，构成具有高增益、超高工作速率的放大器电路，结构简单，非常有利于电路的大规模集成化。
如图3所示，所述一种高增益超高工作速率放大器电路中，Vin和Vinn为输入节点，Vout和Voutn为输出节点。输入信号通过输入节点Vin和Vinn加到放大器中的主放管M1和M2进行放大，在Vout和Voutn节点进行输出。
所述跨导增强电路包括：四个晶体管M1、M2、M3、M4，还包括：晶体管M6和M7、负载电阻R1和R2；所述M1和M2为主放管, 所述M3和M4是交叉耦合管，具体为：M3与M4的源极相连接后再接至充当尾流电源的M9的漏极，M3的栅极连接至M4的漏极，M4的栅极又连接至M3的漏极。M3和M4交叉耦合后，构成主放管M1和M2的源极负反馈电阻； M1~M4晶体管由此构成了跨导增强电路，从而可增加主放管的跨导，提高放大器增益。
所述增加负载电路值的电阻提升技术电路，包括：M6和M7分别和负载电阻R1、R2并联, 可以从电阻R1和R2中，分流输入M1和M2中的大部分电流，从而增大R1和R2的电阻值，进一步提高增益。
所述交叉耦合电路包括：电容C1和电容C2，所述C1跨接在M2的栅极输入端与M1的漏极输出端之间，所述C2跨接在M1的栅极输入端与M2的漏极输出端之间，构成电容C1和C2的交叉耦合，这种交叉耦合的优点是可以消除晶体管M1和M2栅极和集电极之间的寄生电容Cm的影响，从而减小输出节点的寄生电容，有利于拓展带宽。
所述电流镜电路包括：晶体管M5、M6、M7、M8，其中M6和M7是负载管，还包括电流源I1和I2，所述M5和M6构成电流镜，所述M8和M7构成电流镜，具体为：M5和M6的栅极对接、源极也对接，M7和M8的栅极对接、源极也对接；所述电流源I1的一端连接M5的漏极，I1的另一端接地，所述I2的一端连接M8的漏极，I2的另一端也接地。本发明实施例通过晶体管M5和M8分别与晶体管M6和M7构成电流镜，从而给负载管M6和M7提供电流。
所述尾流电源包括：晶体管M9，所述M9的源极接地、栅极接外部偏置电压Vbias、漏极串接在M3和M4的相连的源极上，M9工作在饱和状态下，M9用于给差分结构的放大器提供尾电流。
本发明一种高增益超高工作速率放大器电路技术方案的设计依据如下：
1、晶体管对主放管M1和M2构成了跨导增强技术。假设M1和M2的跨导为g m1=g m2, M3和M4的跨导为g m3=g m4, M3和M4交叉耦合后的电阻为-1/g m3,该负阻构成了M1和M2的源极负反馈电阻，则根据反馈原理，M1和M2的跨导变为：
（1）
根据公式（1）可知，选择合适的gm1和gm3的值，可以实现将主放管的跨导gm1增强。当gm1=gm3时，理论上gm可以为无穷大。
2、在R1和R2的两端分别并联了M6和M7晶体管，构成增加负载电阻值的电阻提升技术电路，M6和M7分别构成的电流源分流了输入晶体管M1和M2中的大部分电流。如果M6中流过了0.8I D，则在电阻R1两端的电压降不变的情况下，R1的值相当于增大了5倍，从而提高了电流增益。
3、交叉耦合的C1和C2电容可以消除晶体管M1和M2栅极和集电极之间的寄生电容Cm的影响，从而拓展带宽。由电路可知，晶体管M1漏极节点的交流电压Vout和晶体管M2漏极节点的交流电压Voutn相反，那么，Vout通过寄生电容Cm的电流和Voutn通过耦合电容C1的电流之和I 1为：
I 1=sCm1 V out+sC1 V outn=s(Cm1-C1)V out （2）
同理可得：
I 2=sCm2 V outn+sC2 V out=s(Cm2-C2)V outn （3）
根据公式（2）和（3）可知，当设定C 1=C m1，C 2=C m2时，I 1= I 2，此时寄生电容的影响就可以被电容C 1和C 2抵消，从而扩展了电路带宽。
本发明主要采用MOS器件构成的跨导增强技术, 所述的电路结构适合于各种CMOS工艺，通过增加主放大管的跨导来提高增益，不影响电路的带宽。电阻提升技术中，通过在负载电阻上并联MOS管来增大电阻值，从而提高电压增益。采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽。采用上述跨导增强和电阻提升技术来获得高的增益，采用交叉耦合的电容技术来拓展带宽，由此构成的限幅放大器电路具有高增益和超高速率的优点。
以上仅为本发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述放大器电路包括用于提高增益的跨导增强电路，通过增加主放大管的跨导来提高增益；用于增加电阻值的负载电路，通过电阻提升技术，在负载电阻上并联MOS管而提高增益，且不缩小输出信号的电压裕度；用于拓展带宽的交叉耦合电路，采用交叉耦合的电容技术来消除MOS管栅漏极间寄生电容的影响，从而拓展了带宽；还包括电流镜和尾流电源电路，最终构成具有高增益、超高工作速率的放大器电路。
2.根据权利要求1所述的一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述跨导增强电路包括四个晶体管M1、M2、M3、M4，所述M1和M2为主放管, 所述M3和M4是交叉耦合管，M3和M4交叉耦合后，构成主放管M1和M2的源极负反馈电阻。
3.根据权利要求1所述的一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述增加负载电路值的电阻提升技术电路，包括：M6和M7分别和负载电阻R1、R2并联, M6和M7用于分别从电阻R1和R2中，分流输入M1和M2中的大部分电流，从而增大R1和R2的电阻值。
4.根据权利要求1所述的一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述交叉耦合电路包括电容C1和电容C2，所述C1跨接在M2的输入端与M1的输出端之间，所述C2跨接在M1的输入端与M2的输出端之间，构成电容C1和C2的交叉耦合。
5.根据权利要求1所述的一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述电流镜电路包括晶体管M5、M6、M7、M8，还包括电流源I1和I2；其中M6和M7是负载管，所述M5和M6构成电流镜，所述M8和M7构成电流镜，所述电流源I1的一端连接M5的漏极，I1的另一端接地，所述I2的一端连接M8的漏极，I2的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的一种高增益超高工作速率放大器电路，其特征在于：所述尾流电源包括：晶体管M9，所述M9的源极接地、栅极接外部偏置电压Vbias、漏极串接在M3和M4的相连的源极上；M9工作在饱和状态下，M9用于给差分结构的放大器提供尾电流。
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