CN107786175A - 一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，第一晶体管的集电极构成输出端Vout，集电极还通过第一电阻连接电源VDD，第一晶体管的基极分别连接第二电阻的一端以及第二晶体管的集电极，第二电阻的另一端连接电源VDD，第二晶体管的基极分别连接第一晶体管的发射极、第四电阻的一端、前级输入信号和等效电容的一端，第二晶体管的发射极分别连接第三晶体管的发射极以及接地电阻和接地电容的一端，第四电阻、前级输入信号、等效电容、接地电阻和接地电容的另一端均接地，第三晶体管的集电极通过第三电阻连接电源VDD，基极连接外部偏置电压V。本发明在不影响跨阻放大器整体增益的情况下，优化了跨阻放大器的输出带宽，提高了系统对数据的传输速率。

Description

一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路
技术领域
本发明涉及一种宽带跨阻放大器。特别是涉及一种用于光接收机前端电路的用于光接收机的宽带跨阻放大电路。
背景技术
对光接收机来说，将光电二极管及放大器电路集成在单片上可以大幅度减小外接光电二极管所导致的寄生电感及电容。而处在光接收机放大电路前段的跨阻放大器(TIA)是光接收机电路中的重要模块，其性能的好坏对系统性能有很大的影响，TIA的噪声和带宽对整体系统的数据传输速度和可接受的信道损耗有着直接影响。对于TIA的设计来说，最直接的挑战是降低来自于前端光电二极管的等效电容所带来的影响，这个等效电容会降低系统的带宽以及噪声特性。为了解决这个问题，涌现出了多种电路结构，以提高带宽，包括调节性共源共栅(RGC)结构，容性退化技术，以及使用串联或并联电感峰化的宽带匹配网络技术等。
在射频集成电路(RFIC)设计中，工作在高频率下的微波单片集成电路(MMIC)往往采用昂贵的化合物工艺例如GaAs以及InP基的异质结双极型晶体管(HBT)进行设计，这主要是因为化合物工艺所具有的高的特征频率和较好的噪声特性。而对于同样工作在高频率下的光接收机而言，相比较传统CMOS工艺，化合物工艺在性能指标上同样具有较大的优势。但近年来，随着CMOS工艺特征尺寸的减小，晶体管最大的特征频率正在逐步提高，这使得光接收机的部分前端电路集成在CMOS正在成为可能。同时，近年来在RFIC市场发展迅猛的SiGe工艺的HBTs拥有高跨导值，低噪声以及低的寄生效应等特性，而相对更为低廉的价格以及与CMOS工艺兼容的特性，使SiGe BiCMOS正逐渐成为光电集成电路设计的重要选择。
总的来说目前光接收机跨阻放大放大器面对的问题如下：
1、亟需拓展放大器的带宽，以提高光接收机整体的数据传输速率；
2、单片集成光接收机的迫切需求需要我们研究基于CMOS或与之兼容的工艺上进行光电二极管或接收机电路的设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高传统跨阻放大器的带宽，提高系统传输速率的用于光接收机的宽带跨阻放大电路。
本发明所采用的技术方案是：一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，包括有第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，其特征在于，所述第一晶体管的集电极构成输出端Vout，所述集电极还通过第一电阻连接电源VDD，所述第一晶体管的基极分别连接第二电阻的一端以及第二晶体管的集电极，第二电阻的另一端连接电源VDD，第二晶体管的基极分别连接第一晶体管的发射极、第四电阻的一端、前级输入信号和等效电容的一端，所述第二晶体管的发射极分别连接第三晶体管的发射极以及接地电阻和接地电容的一端，所述的第四电阻、前级输入信号、等效电容、接地电阻和接地电容的另一端均接地，所述第三晶体管的集电极通过第三电阻连接电源VDD，基极连接外部偏置电压V。
本发明的一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，采用标准的SiGe工艺实现，即采用改进型RGC结构，π型网络以及容性退化技术，通过容性退化结构，电感峰化结构以及伪差分结构优化了跨阻放大器整体的带宽及共模噪声性能，有与CMOS工艺可兼容、性能优异、集成度高、易于大规模生产等优点。在不影响跨阻放大器整体增益的情况下，优化了跨阻放大器的输出带宽，提高了系统对数据的传输速率。
附图说明
图1是本发明一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路的电路图；
图2是本发明一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路的等效小信号模型；
图3是本发明一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路的应用电路图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路做出详细说明。
对于跨阻放大电路来说，最直观也是最根本的扩展带宽的方法就是降低跨阻放大器的输入阻抗及输出阻抗，相对于输出阻抗与后级电路相连，可以通过后级电路进行补偿，输入阻抗往往直接与光电二极管相连，传统RGC结构通过引入共射极电路降低输入阻抗值从而使影响带宽的主极点转移到RGC的输出端。为了进一步拓展带宽，本发明主要通过在RGC结构中增加一个零点，将RGC输出端的极点补偿掉，此时影响跨阻放大器带宽的主极点将退回到RGC输入端，鉴于RGC跨阻放大器的输入阻抗很低，输入极点已经处于高频，因此跨阻放大器的带宽将随之提高。本发明通过容性退化的方法为电路增加了一个零点，用于抵消输出阻抗的极点。
如图1所示，本发明的一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，包括有第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3，其特征在于，所述第一晶体管Q1的集电极构成输出端Vout，所述集电极还通过第一电阻R1连接电源VDD，所述第一晶体管Q1的基极分别连接第二电阻R2的一端以及第二晶体管Q2的集电极，第二电阻R2的另一端连接电源VDD，第二晶体管Q2的基极分别连接第一晶体管Q1的发射极、第四电阻R4的一端、前级输入信号Iin和等效电容CPD的一端，所述第二晶体管Q2的发射极分别连接第三晶体管Q3的发射极以及接地电阻RE1和接地电容CE1的一端，所述的第四电阻R4、前级输入信号Iin、等效电容CPD、接地电阻RE1和接地电容CE1的另一端均接地，所述第三晶体管Q3的集电极通过第三电阻R3连接电源VDD，基极连接外部偏置电压V。
本发明增加了第三晶体管Q3和第三电阻R3，第三晶体管Q3与第三电阻R3的参数与第二晶体管Q2和第二电阻R2相同，使传统的RGC结构形成一个伪差分对结构，达到部分共模抑制的效果；同时为了引入零点，在第二晶体管Q2(第三晶体管Q3)的发射极增加了一个接地电容CE1，与接地电阻RE1并联，形成容性退化结构。
由图2所示的本发明的的等效小信号模型中可以得出Iin和Vin的关系：
Iin＝-gm1VAB＝-gm1(-gm2VBCR2-Vin)(1)
Vin＝VBC+gm2VBCR*(2)
将3、2式带入1式可得出：
并联2式与4式得到改进型RGC跨阻放大器的等效输入阻抗为：
由上式可得，在频率较低的情况下，接地电容CE1等效为开路，但随着频率的增加，接地电容CE1的阻抗降低，使得R*趋近于零。
实际上，在第二晶体管Q2射极电阻和电容可以实现电容简并，为电路提供一个零点Z1。通过调节该零点的位置可以抵消高频极点的影响，对于调整好的第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的工作状态，由于接地电阻RE1的大小与其直接相关，因此其值不能再改变。而接地电容CE1在低频状态下与工作状态无关，因此可以通过调整接地电容CE1的大小来改变零点的位置。而且，这个零点的位置不受压焊电感的影响。
为了获得一个较为简洁的低阶频率响应表达式，假设所有的SiGe HBT都工作在放大区。使用CPD表示光电探测器的等效寄生电容，Cμ1、Cμ2、Cμ3分别表示第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的基极-集电极寄生电容，Cπ1、Cπ2、Cπ3分别表示第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的基极-发射极寄生电容。忽略其他的寄生参数，电路的转移特性可以写为：
使用由电容退化产生的零点Z1补偿RGC的输出端极点，联立极点与零点的表达式可得到CE1的表达式：
通过一个零点将RGC的输出级补偿，影响带宽的主极点重新回到RGC的输入端，而此时的输入极点由于低阻抗的作用已经处于较高的频率，因此带宽得到了扩展。当接地电容CE1值较大时，零点频率较低，则会由该零极点对产生一个高频峰化，这将在瞬态响应中引起过冲，这里需要做好带宽和增益平坦度之间的折衷；而当接地电容CE1值较小时，零点频率过高，作用较小，频率响应特性与传统RGC结构类似。
图3是本发明一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路的应用电路图，包含三部分，本发明的一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，增益级和输出缓冲级。
对本发明的一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，其中伪差分结构第三晶体管Q3的偏置电路通过电阻和HBT管构成，使D点的直流电位与B点电位相同。而在输出端O增加了有第七晶体管Q7和第七电阻R7构成的源跟随器，一方面起到缓冲级作用，一方面完成了电平转换。
对增益级电路，由于级间寄生电容的影响，级联后整体放大电路的带宽会显著降低。这里通过两种方法来降低级联对带宽的影响。首先在第八晶体管Q8的射极增加了接地电容CE2，形成容性退化结构，除此之外，在增益级与RGC跨阻放大电路后的射极跟随器间添加电感，利用电感L与第七晶体管Q7的基极-发射极电容Cπ7和第八晶体管Q8的基极-集电极电容Cμ8构成π型宽带匹配网络，以抵消寄生电容的影响。
如图3所示，前级光电二级管的输入信号和等效电容由图中Iin和CPD表示，信号由二极管电路进入B点，第一晶体管Q1的发射极、第二晶体管Q2的基极以及接地电阻R4在B点相连，第一晶体管Q1的基极、第二晶体管Q2的集电极与连接电源VDD的第二电阻R2在A点相连，对称第三晶体管Q3的发射极与第二晶体管Q2的发射极连接于C点，并在此处与接地电容CE1和接地电阻RE1连接，第三晶体管Q3的集电极与第三电阻R3连接与A’处，第三电阻R3另一端连接电源VDD。第三晶体管Q3的基极偏执由后面的第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6及第五电阻R5、第六电阴R6组成，其中第四晶体管Q4的基极与集电极与电源VDD相连，发射极与第五晶体管Q5的集电极相连。第五晶体管Q5的基极与第五电阻R5和第六晶体管Q6的集电极相连，第五电阻R5另一端与电源连接，第六晶体管Q6的基极与第五晶体管Q5的发射极及第三晶体管Q3的基极连接于点D，第六晶体管Q6的发射极与接地电阻R6相连。该级的信号由O点传输至第七晶体管Q7的基极，第七晶体管Q7的集电极与电源VDD相连，发射极与第七电阻R7和电感L的一端相连，第七电阻R7的另一端与地相连，电感L的另一端与第八晶体管Q8的基极连接，第八晶体管Q8的发射极与并联接地的电阻RE2和电容CE2相连，第八晶体管Q8的集电极与第八电阻R8和一端和第九晶体管Q9的基极相连，第八电阻R8的另一端与电源VDD相连，第九晶体管Q9的集电极与电源VDD相连，基极与到地电阻R9相连并于此处输出信号。

Claims (1)

1.一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路，包括有第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)和第三晶体管(Q3)，其特征在于，所述第一晶体管(Q1)的集电极构成输出端Vout，所述集电极还通过第一电阻(R1)连接电源VDD，所述第一晶体管(Q1)的基极分别连接第二电阻(R2)的一端以及第二晶体管(Q2)的集电极，第二电阻(R2)的另一端连接电源VDD，第二晶体管(Q2)的基极分别连接第一晶体管(Q1)的发射极、第四电阻(R4)的一端、前级输入信号(Iin)和等效电容(CPD)的一端，所述第二晶体管(Q2)的发射极分别连接第三晶体管(Q3)的发射极以及接地电阻(RE1)和接地电容(CE1)的一端，所述的第四电阻(R4)、前级输入信号(Iin)、等效电容(CPD)、接地电阻(RE1)和接地电容(CE1)的另一端均接地，所述第三晶体管(Q3)的集电极通过第三电阻(R3)连接电源VDD，基极连接外部偏置电压V。
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