CN107819445A - 一种高速大输出摆幅驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速大输出摆幅驱动电路,包括:用于电平位移和阻抗匹配的第一级射极跟随器电路、用于对输入信号进行放大并提供足够带宽的第二级差分结构共射放大器电路。第一级射极跟随器电路包括:Q1和Q2构成的射极跟随器、偏置电流源、阻抗匹配电阻R1和R2;偏置电流源是采用二极管连接方式的M1/M4以及交叉耦合的M2/M3并联结构;第二级差分结构共射放大器电路包括:差分结构的共射放大器的主放管Q3和Q4、R3/M5和R4/M6构成呈电感特性的大电阻驱动源极跟随器。采用二极管连接方式MOS管和交叉耦合MOS管并联、栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,构成的驱动器电路具有高速大输出摆幅的优点,提高了增益,改善了线性度并拓展电路带宽,节省芯片面积并降低成本。

Description

一种高速大输出摆幅驱动电路
技术领域
本发明涉及一种高速大输出摆幅驱动电路,具体为一种具有高工作速率和大驱动能力的驱动电路,属超高速光通信发送端驱动器电路和射频通信系统中的功率放大器电路技术领域。
背景技术
随着信息容量的爆炸式增长,对电路带宽的要求越来越高,同时还要求大的输出信号摆幅,也就是说电路中的驱动器或功率放大器应具有高工作速率和大驱动能力。因此驱动电路的设计目标就是要获得高的带宽、大的输出调制摆幅性能。采用先进的CMOS工艺虽然能够提高带宽,但是电源电压也逐步降低,又减小了输出信号的摆幅。现有的高速驱动器电路大多采用无源电感元件来扩展带宽,结构比较复杂需要占用大量的芯片面积,增加了芯片制造的成本。
如图1所示的现有提高增益的技术方案中,往往采用共源共栅结构的放大器,M1晶体管构成共源放大,M2晶体管构成共栅放大器,该结构的总增益AV为:
AV=(gmrDS)1(gmrDS)2 (1)
公式(1)中,gm是晶体管M1或M2的跨导,rDS是晶体管M1或M2的本征输出电阻。
也有采用图2所示的无源电感并联峰化技术方案,它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。
没有采用无源电感时的传输函数可以表示为:
当增加电感L时的输出阻抗ZL(s)可以表示为:
此时整个系统的传输函数A(s)为:
上述公式(2)~(4)中,s表示拉普拉斯变换中的复变量,gm表示晶体管M1的跨导,RL表示负载电阻,CL表示负载电容,L表示负载中和电阻串联的电感。
分析公式(4)可以看出,加入电感后,系统引入了一个零点和两个极点,通过零极点的相互抵消从而达到拓展带宽的目的。
对于确定的RLCL,普通共源放大器的-3dB带宽已经确定,为ω0=1/RLCL,那么加入有源电感L后,可以通过调节L值的大小来改变电路的带宽,假定L的变化表示为m=RL 2CL/L,则改变L的大小对带宽的改善如图3所示。
由图3可以看出,当m=1.41时,此时带宽扩展最大,为原来的1.85倍。当m=3.1时,放大器具有最佳群时延特性,带宽扩展为原来的1.6倍。
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,现有驱动器集成电路中,无源电感占用了很大的面积,大大增加了芯片制造成本;另一方面,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。
因此,通过有源电感拓展电路带宽,结合增益提高技术方案的驱动器电路成为必需,唯如此,既节省了芯片面积,又降低了制造成本,且解决了不能无限制增大无源电感数量问题。
发明内容
本发明针对背景技术所述问题,设计一种高速大输出摆幅驱动电路,通过采用有源电感减少芯片面积,同时采用电阻增强技术提高电路增益和线性度,提供大摆幅的输出信号于后续电路。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种高速大输出摆幅驱动电路,包括:用于电平位移和阻抗匹配的第一级射极跟随器电路、用于对输入信号进行放大并拓展带宽的第二级差分结构共射放大器电路;其特征在于:
所述第一级射极跟随器电路包括:由MOS管Q1和Q2构成的射极跟随器、阻抗匹配电阻R1和R2;还包括:Q1和Q2的偏置电流源,所述偏置电流源是采用二极管连接方式的MOS管MOS管M1/M4以及,交叉耦合的MOS管M2/M3并联结构;所述交叉耦合的MOS管M2/M3并联结构用于在电路中形成负阻,所述射极跟随器用于将输入信号的直流电平降低为内部电路可以直接处理的值;
所述第二级差分结构共射放大器电路包括:差分结构的共射放大器的主放管Q3和Q4、R3/M5和R4/M6构成的大电阻驱动源极跟随器;所述Q3的集电极端是输出节点OUT,Q4的集电极端是输出节点OUTN;所述Q3和Q4为双极型管,M5和M6为MOS管。
如上所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:设定所述MOS管M1~M4的跨导分别为gm1~gm4;对于二极管连接方式的M1/M4,当gm1=gm4时,则M1和M4对外输出阻抗为2/gm1;对于交叉耦合的M2/M3,当gm2=gm3时,则M2和M3对外输出阻抗为-2/gm2;由此得到:M1/M4和M2/M3并联结构的对外输出阻抗之和为2/(gm1-gm2)。
如上所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:当设定gm1=gm2时,M1/M4和M2/M3并联结构的对外输出阻抗2/(gm1-gm2)增强为无穷大。
如上所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:所述大电阻驱动的源极跟随器电路结构中,采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,R3/M5在高频时表现为电感特性,且R4/M6在高频时也表现为电感特性。
如上所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:所述R3/M5和R4/M6构成的有源电感结构中,通过调节R3和R4电阻值,可调节电感值的大小,从而调节高速大输出摆幅驱动电路的带宽。
本发明一种高速大输出摆幅驱动电路的设计依据如下:
1、Q1和Q2构成了第一级射极跟随器,主要作用为电平位移和阻抗匹配。通过射极跟随器将输入信号的直流电平降低为内部电路可以直接处理的值,R1和R2均为50Ω的电阻,实现和外部的阻抗匹配。但是射极跟随器的主要问题在于信号的衰减和线性度差,因此将射极跟随器的偏置电流源进行了改进,采用了二极管连接方式的M1/M4和交叉耦合的M2/M3并联结构。也就是说:M1/M4两个MOS管采用二极管连接方式,M2/M3两个MOS管采用交叉耦合结构形成负阻,上述四个晶体管并联形成射极跟随器的偏置电流源,提高了增益和线性度;另一方面,采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,拓展了双极型晶体管差分放大器带宽,和无源电感相比,节省了芯片面积,降低了成本。
本发明技术方案采用增益提高和带宽拓展技术来提高驱动器的增益和拓展电路带宽,构成的驱动器电路具有高速大输出摆幅的优点。
设定:M1~M4的跨导分别为gm1~gm4,当gm1=gm4时,则M1和M4对外阻抗为2/gm1,对于二极管连接方式的M1/M4,假设gm1=gm4,则M1和M4阻抗为2/gm1;对于交叉耦合的M2/M3,假设gm2=gm3,则M2和M3对外输出阻抗为-2/gm2;而M1/M4和M2/M3并联结构的阻抗为2/(gm1-gm2)。该MOS构成的负阻结构拓展了电路带宽,当gm1=gm2时,电阻2/(gm1-gm2)增强为无穷大,该电阻增强技术提高了增益,而且改善了线性度,进一步拓展电路带宽。
2、Q3和Q4构成第二级差分结构的共射放大器的主放管,对输入信号进行放大,并提供足够的带宽,其中Q3的集电极端构成输出节点OUT,Q4的集电极端构成输出节点OUTN。
3、第二级差分结构的共射放大器中,R3/M5和R4/M6均为大电阻驱动的源极跟随器结构,以R3/M5为例,假设ωT5是M5单位电流增益角频率,则R3/M5形成的电感为:
因此:R3/M5在高频时表现为电感特性,同理,R4/M6在高频时也表现为电感特性。
在输出节点OUT和/或OUTN处,各晶体管的寄生电容构成CL,通过该寄生电容,又拓展了电路带宽。
本发明技术方案通过R3/M5构成的电感结构的优点还在于,可以通过调节R3和/或R4电阻值,可达到调节电感值大小的效果,从而调节带宽,实现电路中零极点的相互抵消。
本发明的有益效果是:
1、采用二极管连接方式MOS管和交叉耦合MOS管并联结构,增强了电阻,进而提高了增益,改善了线性度,进一步拓展电路带宽。
2、采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,拓展电路带宽,和无源电感相比,节省了芯片面积,降低了成本。
3、采用上述增益提高和带宽拓展技术,构成的驱动器电路具有高速大输出摆幅的优点。
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是改变图2中L值大小对带宽的改善效果示意图;
图4是本发明实施例“一种高速大输出摆幅驱动电路”原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明一种高速大输出摆幅驱动电路具体实施例作进一步说明:参考附图4,本发明一种高速大输出摆幅驱动电路,包括:用于电平位移和阻抗匹配的第一级射极跟随器电路、用于对输入信号进行放大并提供足够带宽的第二级差分结构共射放大器电路。其中第一级射极跟随器电路包括:Q1和Q2构成的射极跟随器、阻抗匹配电阻R1和R2;还包括:Q1和Q2的偏置电流源,所述偏置电流源是采用二极管连接方式的M1/M4以及交叉耦合的M2/M3并联结构;所述射极跟随器用于将输入信号的直流电平降低为内部电路可以直接处理的值。
所述第二级差分结构共射放大器电路包括:差分结构的共射放大器的主放管Q3和Q4、R3/M5和R4/M6构成的大电阻驱动源极跟随器;所述Q3的集电极端是输出节点OUT,Q4的集电极端是输出节点OUTN;所述大电阻驱动源极跟随器在高频时表现为电感特性,电路中主放管Q3和Q4为双极型晶体管,M5和M6为MOS管。
图4中,当所述M1~M4的跨导分别为gm1~gm4时,本发明实施例中设定:gm1=gm2=gm3=gm4
图4中,调节R3和R4的电阻值,即可达到调节电路带宽的效果。
以下从电路原理上对本发明实施方案进一步描述:
参考图4,由MOS管Q1和Q2构成第一级射极跟随器,其主要作用为电平位移和阻抗匹配。通过射极跟随器将输入信号的直流电平降低为内部电路可以直接处理的值,本发明实施例中设定R1和R2均为50Ω,并实现和外部的阻抗匹配。但是射极跟随器的主要问题在于信号的衰减和线性度差,因此将射极跟随器的偏置电流源进行了改进,采用了二极管连接方式的M1/M4和交叉耦合的M2/M3并联结构。也就是说:M1/M4两个MOS管采用二极管连接方式,M2/M3两个MOS管采用交叉耦合结构形成负阻,上述四个晶体管并联形成射极跟随器的偏置电流源,提高了增益和线性度;另一方面,采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,拓展了双极型晶体管差分放大器带宽,和无源电感相比,节省了芯片面积,降低了成本。
本发明技术方案采用增益提高和带宽拓展技术来提高驱动器的增益和拓展电路带宽,构成的驱动器电路具有高速大输出摆幅的优点。
设定图4中:M1~M4的跨导分别为gm1~gm4,对于二极管连接方式的M1/M4,假设gm1=gm4,则M1和M4对外阻抗为2/gm1;对于交叉耦合的M2/M3,假设gm2=gm3,则M2和M3对外输出阻抗为-2/gm2;而M1/M4和M2/M3并联结构的阻抗为2/(gm1-gm2)。该MOS构成的负阻结构拓展了电路带宽重要步骤是:当设定gm1=gm2时,则M1/M4和M2/M3并联结构的阻抗2/(gm1-gm2)增强为无穷大,因此,该电阻增强技术提高了增益,而且改善了线性度,进一步拓展电路带宽。
由双极型晶体管Q3和Q4构成第二级差分结构的共射放大器的主放管,其主要作用是对输入信号进行放大,并提供足够的带宽,其中Q3的集电极端构成输出节点OUT,Q4的集电极端构成输出节点OUTN。
第二级差分结构的共射放大器中,R3/M5和R4/M6均为大电阻驱动的源极跟随器结构,以R3/M5为例,假设ωT5是M5单位电流增益角频率,则R3/M5形成的电感为:
由于电路中R3/M5在高频时表现为电感特性,同理,R4/M6在高频时也表现为电感特性。
在输出节点OUT和/或OUTN处,各晶体管的寄生电容构成类似于图2中的CL
可以通过调节R3和/或R4电阻值,达到调节电感值大小的效果,从而调节带宽,通过背景技术中公式(4)可知,合理的调节R3和R4阻值,即可实现电路中零极点的相互抵消。本发明一种高速大输出摆幅驱动电路,采用二极管连接方式MOS管和交叉耦合MOS管并联结构,增强了电阻,进而提高了增益,改善了线性度,进一步拓展电路带宽。采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,拓展电路带宽,和无源电感相比,节省了芯片面积,降低了成本。通过采用上述增益提高和带宽拓展技术,构成的驱动器电路具有高速大输出摆幅的优点。
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 (5)

1.一种高速大输出摆幅驱动电路,包括:用于电平位移和阻抗匹配的第一级射极跟随器电路、用于对输入信号进行放大并拓展带宽的第二级差分结构共射放大器电路;其特征在于:
所述第一级射极跟随器电路包括:MOS管Q1和Q2构成的射极跟随器、阻抗匹配电阻R1和R2;还包括:Q1和Q2的偏置电流源,所述偏置电流源是采用二极管连接方式的MOS管M1/M4以及交叉耦合的MOS管M2/M3并联结构;所述交叉耦合的MOS管M2/M3并联结构用于在电路中形成负阻,所述射极跟随器用于将输入信号的直流电平降低为内部电路可以直接处理的值;
所述第二级差分结构共射放大器电路包括:差分结构的共射放大器的主放管Q3和Q4、R3/M5和R4/M6构成的大电阻驱动源极跟随器;所述Q3的集电极端是输出节点OUT,Q4的集电极端是输出节点OUTN;所述Q3和Q4为双极型晶体管,M5和M6为MOS管。
2.如权利要求1所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:设定所述MOS管M1~M4的跨导分别为gm1~gm4;对于二极管连接方式的M1/M4,当g m1=g m4时,则M1和M4对外输出阻抗为2/g m1;对于交叉耦合的M2/M3,当g m2=g m3时,则M2和M3对外输出阻抗为-2/g m2;由此得到:M1/M4和M2/M3并联结构的对外输出阻抗之和为2/(g m1-g m2)。
3.如权利要求2所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:当设定g m1g m2时,M1/M4和M2/M3并联结构的对外输出阻抗2/(g m1-g m2)增强为无穷大。
4.如权利要求1所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:所述大电阻驱动的源极跟随器电路结构中,采用栅极带大电阻的MOS器件构成有源电感,R3/M5在高频时表现为电感特性,且R4/M6在高频时也表现为电感特性。
5.如权利要求1或4所述一种高速大输出摆幅驱动电路,其特征在于:所述R3/M5和R4/M6构成的有源电感结构中,通过调节R3和R4电阻值,可调节电感值的大小,从而调节高速大输出摆幅驱动电路的带宽。
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