CN107683566B - 放大器 - Google Patents

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Abstract

一种应用于TIA的放大器，抑制由电流源产生的噪声。构成跨阻放大器的放大器，其特征在于，在连接于放大级的输入端子的电流源与电源电压线之间插入有电感器元件。所述电流源包含：第一晶体管，基极端子与电流控制用偏压连接、且集电极端子与所述输入端子连接，所述电感器元件插入于所述第一晶体管的发射极端子与所述电源电压线之间。

Description

放大器
技术领域
本发明涉及一种放大器，更详细而言，涉及一种应用于在光接收器中将通过受光元件从光信号转换而来的电流信号转换为电压信号的跨阻放大器的放大器。
背景技术
跨阻放大器(TIA)用于光接收器，一边将通过受光元件从光信号转换为电流信号的信号转换成电压信号，一边放大信号强度。光接收器由于理想的是能接收微小的光信号，所以作为TIA的特性，理想的是低噪声。
图1中示出了现有的发射极接地型TIA的构成。发射极接地型TIA具备：插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的晶体管Q3、包含晶体管Q1以及电阻R1、R2的放大级、包含晶体管Q2以及电阻R3的输出级、以及插入于输出端子OUT与输入端子IN之间的反馈电阻R4。晶体管Q3作为可变电流源来发挥功能，通过控制其电流量来控制放大器的DC工作点。基于可变电流源的DC工作点控制例如用于失调(offset)补偿功能(例如，参照非专利文献1)。
图2中示出了现有的基极接地型TIA的构成。基极接地型TIA具备：插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的晶体管Q2和包含晶体管Q1以及电阻R1的放大级。晶体管Q2作为可变电流源来控制流过晶体管Q1的DC电流和输入信号电流的DC分量(例如，参照非专利文献2)。
图3中示出了现有的RGC(Regulated Cascode：调节的级联)型TIA的构成。与基极接地型TIA同样，晶体管Q2作为可变电流源来控制流过放大级的晶体管Q1的DC电流和输入信号电流的DC分量。这样，在应用于TIA的放大器具备由晶体管形成的电流源。
但是，在放大器的内部具备电流源的情况下，存在由该电流源产生的噪声大而使TIA的噪声特性劣化的问题。特别是，如上述的TIA那样，在输入端子连接有电流源的情况下，由于在对输入信号进行放大的前级会受到噪声影响，所以噪声特性的劣化极其显著。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Chia-Ming Tsai,“A40mW 3Gb/s Self-Compensated DifferentialTransimpedance Amplifier With Enlarged Input Capacitance Tolerance in0.18μmCMOS Technology,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.44,No.10,pp.2671-2677,Oct.2009.
非专利文献2：Rania H.Mekky et al.,“Ultra Low-Power Low-NoiseTransimpedance Amplifier for MEMS-Based Reference Oscillators,”IEEEInternational Conference on Electronics,Circuits,and Systems 2013.
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于TIA且抑制了由电流源产生的噪声的放大器。
本发明为了达到上述目的，是一种构成跨阻放大器的放大器，其特征在于，在连接于放大级的输入端子的电流源与电源电压线之间插入有电感器元件。
所述电流源包含：第一晶体管，基极端子与电流控制用偏压(bias)连接，集电极端子与所述输入端子连接，所述电感器元件插入于所述第一晶体管的发射极端子与所述电源电压线之间。
附图说明
图1是表示现有的发射极接地型TIA的构成的图。
图2是表示现有的基极接地型TIA的构成的图。
图3是表示现有的RGC型TIA的构成的图。
图4是用于对MOSFET的内部电阻进行说明的图。
图5是表示TIA的芯片构造的图。
图6是表示本发明的第一实施方式的基极接地型TIA的构成的图。
图7是表示本发明的第二实施方式的基极接地型TIA的构成的图。
图8是表示本发明的第三实施方式的基极接地型TIA的构成的图。
图9A是表示在TIA芯片形成的谐振电路的图。
图9B是表示在TIA芯片形成的谐振电路的图。
图10是表示本发明的第四实施方式的基极接地型TIA的构成的图。
图11是表示对基极接地型TIA的Zt、Ieq特性进行模拟的结果的图。
图12是表示对基极接地型TIA的Zt、Ieq特性进行模拟的结果的图。
图13是表示本发明的第五实施方式的发射极接地型TIA的构成的图。
图14是表示对发射极接地型TIA的Zt、Ieq特性进行模拟的结果的图。
图15是表示本发明的第六实施方式的RGC型TIA的构成的图。
具体实施方式
以下，参照附图同时对本发明的实施方式进行详细说明。本实施方式中的TIA将电感器元件与作为电流源的晶体管的发射极端子连接。
如果将电流源考虑为理想电流源与内部电阻R的并联，则由此电流源产生的每单位频率的电流噪声为
[算式1]
Figure BDA0001512167380000031
所以内部电阻R越大则电流噪声越小。在理想的电流源的情况下，内部阻抗无限大而电流噪声为零。但是，在实际构成电流源时，由于具有有限的内部阻抗，所以由电流源产生的噪声会使TIA的噪声特性劣化。例如，如图4所示，当通过公式求出将阻抗ZS的元件与MOSFET的源极端子连接而构成的电流源的内部电阻R时，则：
[算式2]
R＝ro+(1+gmro)Zs
ro是晶体管单体的漏极电阻，gm是互导(transconductance)。根据该公式，通过将对源极端子连接了大的阻抗的晶体管使用于电流源，能增大电流源的内部阻抗。
另一方面，在为了使电流源的内部阻抗增加而使用大电阻值的电阻元件的情况下，会由电阻产生大的压降。在这样的构成中，在驱动电流源时，栅极端子以及漏极端子所需的偏压变大，使用用途会受到限制。可以说这对双极型晶体管而言也是同样的。
因此，在本实施方式中，通过将电感器元件与作为电流源的晶体管的发射极端子连接，从而在将对电流源进行驱动所需的偏压保持得较低的状态下，实现高频带下的内部阻抗大的电流源。由此，能将从电流源产生的电流噪声的总量抑制得较小。在本实施方式中，越使用电感大的电感器元件，则越能实现具有更大的内部阻抗的电流源，越能获得更显著的噪声降低效果。此外，也可考虑与电感器元件串联插入电阻。
(电感元件)
关于本实施方式中使用的电感器元件，如前所述，电感值大则更能获得显著的效果。例如，在信号频带超过10GHz这样的宽频带TIA中，需要至少以GHz数量级的频率来获得噪声降低效果。此时，TIA的电流源需要具有nH数量级以上的电感值的电感器元件。
宽频带TIA大多做在半导体集成电路上。作为集成电路上的电感器元件，广泛使用的是仅使用了在最上层的配线层形成的配线的平面(planer)型构造。但是，为了使具有nH数量级以上的电感值的电感器元件在小型化的基础上进行安装，理想的是采用还使用了下层的配线层的三维构造的电感器元件。
图5中示出了TIA的芯片构造。在TIA芯片10搭载有TIA11，TIA11和输入端子IN用的电极焊盘13a以及输出端子OUT用的电极焊盘13b连接。而且，设有正侧电源电压VCC用的电极焊盘13c以及负侧电源电压VEE用的电极焊盘13d和电感器元件12用的电极焊盘13d等，与TIA11连接。
在TIA所代表的高频模拟集成电路的情况下，芯片尺寸由电极焊盘的尺寸和所需的电极焊盘的个数来限定。在将电感器元件搭载于集成电路的情况下，为了集成电路的尺寸不扩大，需要使电感器元件的尺寸收敛至与电极焊盘同等程度的尺寸或者其尺寸以下。因此，通过使用三维构造的电感器元件，能获得nH数量级以上的电感值，能获得更好的噪声降低效果。
虽然以下以基极接地型、发射极接地型、RGC型TIA的构成为例，分别对实施例进行说明，但只要是搭载电流源的TIA就能应用本发明，TIA的构成不限于此。
(基极接地型TIA)
图6中示出了本发明的第一实施方式的基极接地型TIA的构成。基极接地型TIA具备：串联插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的晶体管Q2以及电感器L1和包含晶体管Q1以及电阻R1的放大级。晶体管Q2的基极端子与电流控制用偏压连接，控制流过晶体管Q1的DC电流和输入信号电流的DC分量。通过在晶体管Q2的发射极端子连接电感器元件来构成内部阻抗大的电流源，抑制了由电流源引起的TIA的噪声特性的劣化。
图7中示出了本发明的第二实施方式的基极接地型TIA的构成。在作为电流源的晶体管Q2的发射极端子，除了电感器L1以外，电阻R2也串联插入于晶体管Q2的发射极端子与负侧电源电压VEE之间。与第一实施方式相比，能实现具有更大的内部阻抗的电流源。
虽然在此以使用了具有基极端子、集电极端子、以及发射极端子的双极晶体管的构成进行了说明，但也可以将一部分或者全部晶体管置换为具有栅极端子、漏极端子、以及源极端子的FET元件。
图8中示出了本发明的第三实施方式的基极接地型TIA的构成。在图7所示的基极接地型TIA中，除了电感器L1以外，还并联有电容元件C。通过增加电容元件C，从构成电流源的Q2的发射极端子向VEE方向观察的阻抗Z为：
[算式3]
Figure BDA0001512167380000051
在[算式4]
ω2LC＝1
的频率、即谐振电路的谐振点，|Z|＝∞。与第二实施方式相比，能实现具有更大的内部阻抗的电流源。
虽然实际上由于寄生在电感器L1的电阻分量等，从发射极端子向VEE方向观察的阻抗不会大到∞，但在谐振点附近能将阻抗视为很大。第三实施方式对于无法在放大器的内部形成足够大的电感的电感器的情况是有效的。此外，通过将LC的谐振点设计在TIA的频带内，能获得特别大的内部阻抗。
图9A以及图9B中示出了形成于TIA芯片的谐振电路。图9A是形成于TIA芯片的三维构造的电感器元件的鸟瞰图。在基板21上的多个配线层形成一部分缺口的螺旋状的配线，并使各配线层间的配线以呈连续的配线的方式级联连接，形成电感器元件22。需要说明的是，省略了各配线层的图示。
在此，当在邻接的配线层形成的配线的一部分重叠时，如图9B所示，能构成利用了配线间的寄生电容23的LC并联电路。因此，能具有大的电感值并且作为LC谐振电路来发挥功能，能获得更好的噪声降低效果。
图10中示出了本发明的第四实施方式的基极接地型TIA的构成。在图6所示的基极接地型TIA中，追加晶体管Q3来设为级联(cascode)型，在正侧电源电压VCC与晶体管Q1的集电极端子之间具备包含晶体管Q4以及电感器L2的第二电流源。通过进一步具备包含晶体管Q4以及电感器L2的第二电流源，能使流过放大级的晶体管Q1的电流增加，与图2所示的现有的TIA相比能实现宽频带工作。此外，通过追加晶体管Q3来设为级联型，能获得防止由附随于第二电流源的寄生电容产生的频带劣化的效果。
图11中示出了对基极接地型TIA的跨阻增益Zt、输入换算噪声电流密度Ieq特性进行模拟的结果。符号A表示图10所示的第四实施方式的基极接地型TIA(具有电感器L1、L2)，符号B表示图6所示的第一实施方式的基极接地型TIA(仅具有电感器L1)，符号C表示在第四实施方式的变形中没有电感器L1而仅具有电感器L2的基极接地型TIA，符号D表示图2所示的现有的基极接地型TIA(电感器L1、L2均没有)。
根据图11可知，通过插入电感器L1、L2，能改善输入换算噪声电流密度Ieq而不会使跨阻增益Zt变化。此外，可知，并不限于插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的电流源，也能应用于级联型的TIA中的由晶体管Q4以及电感器L2构成的电流源。因此，本实施方式在具备电流源的TIA中，并不限定于插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的电流源。
而且，图12中示出了模拟结果。符号A表示图8所示的第三实施方式的基极接地型TIA(具有电阻R、电感器L1、电容元件C)，符号B表示图7所示的第二实施方式的基极接地型TIA(仅具有电阻R、电感器L1)，符号C表示图2所示的现有的基极接地型TIA(电感器L1、L2均没有)。
根据图12可知，通过插入电容元件C，能改善输入换算噪声电流密度Ieq，在TIA的频带内能将由电流源产生的噪声抑制得较小，而不会使跨阻增益Zt变化。
(发射极接地型TIA)
图13中示出了本发明的第五实施方式的发射极接地型TIA的构成。发射极接地型TIA具备串联插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的晶体管Q3以及电感器L1、包含晶体管Q1以及电阻R1、R2的放大级、包含晶体管Q2以及电阻R3的输出级(Emitter follower：射极跟随器)、以及插入于输出端子OUT与输入端子IN之间的反馈电阻R4。晶体管Q3的基极端子与电流控制用偏压连接，控制流过晶体管Q1中的DC电流和输入信号电流的DC分量。通过在晶体管Q3的发射极端子连接电感器元件来构成内部阻抗大的电流源，抑制由电流源引起的TIA的噪声特性的劣化。
放大级的晶体管Q1的基极端子与输入端子IN连接，发射极端子经由电阻R2与负侧电源电压VEE连接，集电极端子与输出级的晶体管Q2的基极端子连接。输出级的晶体管Q2的集电极端子与正侧电源电压VCC连接，发射极端子经由电阻R3与负侧电源电压VEE连接。晶体管Q1的集电极端子由于与输出级的射极跟随器连接，所以等效地视为与输出端子OUT连接。
图14中示出了对发射极接地型TIA的跨阻增益Zt、输入换算噪声电流密度Ieq特性进行模拟的结果。符号A表示图13所示的第五实施方式的发射极接地型TIA(具有电感器L1)，符号B表示图1所示的现有的发射极接地型TIA(没有电感器L1)。
根据图14可知，通过插入电感器L1，能改善输入换算噪声电流密度Ieq，而不会使跨阻增益Zt变化。在本实施方式中，也可以与基极接地型TIA同样，采用与电感器元件串联地插入电阻的构成。此外，也可以将一部分或者全部的晶体管置换为FET元件来代替双极型晶体管。而且，在具备电流源的TIA中，并不限定于插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的电流源。
(RGC型TIA)
图15中示出了本发明的第六实施方式的RGC型TIA的构成。在包含晶体管Q1以及电阻R1的放大级，级联连接晶体管Q2以及电阻R2，具备插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的晶体管Q2以及电感器L1。晶体管Q2的基极端子与电流控制用偏压连接，控制流过晶体管Q1的DC电流和输入信号电流的DC分量。通过在晶体管Q2的发射极端子连接电感器元件来构成内部阻抗大的电流源，抑制了由电流源引起的TIA的噪声特性的劣化。
在本实施方式中，也可以与基极接地型TIA同样，采用与电感器元件串联地插入电阻的构成。此外，也可以将一部分或者全部晶体管置换为FET元件来代替双极型晶体管。而且，在具备电流源的TIA中，不限定于插入于输入端子IN与负侧电源电压VEE之间的电流源。
根据第一～第六实施方式，在应用于TIA的放大器中，通过在作为电流源的晶体管的发射极端子连接电感器元件，能实现内部阻抗大的电流源。由此，能将由电流源产生的噪声抑制得小来实现低噪声的TIA。

Claims (10)

1.一种放大器，构成跨阻放大器，其特征在于，
所述放大器具备：
放大级，连接于输入端子；
电流源，连接于所述输入端子与电源电压线之间，包含基极端子与电流控制用偏压连接、且集电极端子与所述输入端子连接的第一晶体管；以及
电感器元件，进一步插入于所述第一晶体管的发射极端子与所述电源电压线之间。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，
所述放大级包含：第二晶体管，发射极端子与所述输入端子连接、集电极端子与输出端子连接、且基极端子与电流控制用偏压连接。
3.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，
包含：第三晶体管，基极端子与电流控制用偏压连接、且集电极端子与所述第二晶体管的集电极端子连接，
在所述第三晶体管的发射极端子与电源电压线之间插入有第二电感器元件。
4.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于，
包含：第三晶体管，发射极端子与所述电源电压线连接、集电极端子与所述第二晶体管的基极端子连接、且基极端子与所述输入端子连接。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，
所述放大级包含：第二晶体管，基极端子与所述输入端子连接、集电极端子与输出端子连接、且发射极端子与所述电源电压线连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的放大器，其特征在于，
在所述电流源与所述电源电压线之间还插入有电阻元件。
7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，
还与所述电感器元件并联地插入有电容元件。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的放大器，其特征在于，
具有基极端子、集电极端子以及发射极端子的晶体管的一部分或者全部是具有栅极端子、漏极端子以及源极端子的FET。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的放大器，其特征在于，
在多个配线层形成有一部分缺口的螺旋状的配线，各配线层间的配线级联连接，所述电感器元件包含级联连接的连续的配线。
10.根据权利要求9所述的放大器，其特征在于，
还具备：LC并联谐振电路，利用了由形成于邻接的配线层的配线的一部分重叠而产生的寄生电容。
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