CN108173524A - 适用于高带宽tia的双环路自动增益控制电路 - Google Patents

适用于高带宽tia的双环路自动增益控制电路 Download PDF

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Abstract

适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，属于集成电路下跨阻放大器中的自动增益控制技术领域，本发明为解决常用的自动增益控自电路需要大幅度减小并联内阻，无法满足高带宽跨阻放大器性能需求。本发明方案：当光电二极管输出的光电流未达到阈值时，所述光电流全部由TIA放大输出；当光电二极管输出的光电流达到阈值时分成两路，一路通过TIA放大输出，另一路通过直流镜进行泄流；TIA输入阻抗调制单元在调整信号VRSSI1的增大指令控制下增大TIA的输入阻抗；直流镜内阻调制单元在调整信号VRSSI2的增大指令控制下降低直流镜中泄流通路的内阻；完成TIA增益的自动控制。

Description

适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路
技术领域
本发明属于集成电路下跨阻放大器中的自动增益控制技术领域，涉及一种适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路。
背景技术
在光纤通信集成电路的接收端，需要将光信号通过光电二极管(PD)转换为电流信号，再通过跨阻放大器(TIA)将电流信号转换为电压信号。在跨阻放大器(TIA)增益不变的情况下，当输入较大电流，电路的非线性问题变得非常严重。为此对跨阻放大器引入自动增益控制电路(AGC)，当跨阻放大器在输入较大电流情况下，能自主降低电路增益，使输出电压幅度保持不变。
图1给出了常用的自动增益控制电路的结构。图1中，单端放大器AF和反馈电阻RF组成了跨阻放大器，并且得到一个RF的中频带跨阻增益，电阻R1和C0组成低通滤波器对跨阻放大器的输出Vout进行幅度采样，误差放大器A0的输出控制NMOS晶体管MN1的栅压。
由于跨阻放大器中的单端放大器AF增益为正，当跨阻放大器的输入电流PINA增大，将导致Vout电压升高。
跨阻放大器的输出电压Vout通过电阻R1和电容C0组成的低通滤波器，滤除高频量、保留低频量输送到误差放大器A0的同相输入端，当跨阻放大器的输出电压Vout超过门限电压Vref时，误差放大器A0将对二者的差值放大并输出控制NMOS晶体管MN1栅压。NMOS晶体管MN1工作在线性区，其内阻RON公式为：
式子中un电子迁移率，COX单位面积的栅氧化层电容，W晶体管的宽，L晶体管的长，VGS栅源电压，VTH阈值电压；随着输入电流的增大，误差放大器A0的输出电压即NMOS晶体管MN1的栅压升高，由式(1)得出NMOS晶体管MN1的内阻RON减小，构成跨阻放大器的反馈电阻阻值RF||RON(跨阻增益)也随着减小，达到了增益控制的目的。
实际应用中，该结构在输入电流PINA过大时需要NMOS晶体管MN1的内阻RON大幅度减小，才能使得跨阻放大器的输出电压Vout不会出现非线性问题。需要内阻RON大幅度减小，在电路设计上会存在一定难度，已经无法满足高带宽跨阻放大器的性能需求。
发明内容
本发明目的是为了解决常用的自动增益控自电路需要大幅度减小并联内阻RON增加了设计难度，还无法满足高带宽跨阻放大器性能需求的问题，提供了一种适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路。
本发明所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，包括RSSI模块、TIA输入阻抗调制单元、直流镜和直流镜内阻调制单元；
当光电二极管输出的光电流未达到阈值时，所述光电流全部由TIA放大输出；
当光电二极管输出的光电流达到阈值时分成两路，一路通过TIA放大输出，另一路通过直流镜进行泄流；
RSSI模块采集光电二极管输出的光电流信号，当光电流信号增大且超过阈值时，RSSI模块输出两路调整信号VRSSI1、VRSSI2分别至TIA输入阻抗调制单元、直流镜内阻调制单元；
TIA输入阻抗调制单元在调整信号VRSSI1的增大指令控制下增大TIA的输入阻抗；直流镜内阻调制单元在调整信号VRSSI2的增大指令控制下降低直流镜中泄流通路的内阻；
进而减小TIA输入光电流、增大泄流通路的光电流，完成TIA增益的自动控制。
优选地，直流镜由NMOS管MN1、NMOS管MN2、PMOS管MP2和PMOS管MP3构成，直流镜内阻调制单元采用NPN晶体管Q4来实现；
PMOS晶体管MP2和PMOS晶体管MP3的源端同时连接电源VDD；
PMOS晶体管MP2的栅极同时连接其漏端、PMOS晶体管MP3的栅极和NPN晶体管Q4的集电极；
NPN晶体管Q4的基极接入调整信号VRSSI2；
NPN晶体管Q4的发射极与NMOS晶体管MN1的漏端的公共节点接入光电二极管输出的其中一路光电流，
NMOS晶体管MN1的栅极同时连接PMOS晶体管MP3的漏端、NMOS晶体管MN2的栅极及其漏端；
NMOS晶体管MN1和NMOS晶体管MN2的源端同时连接GND。
优选地，TIA输入电阻调制单元包括电压比较器COMP和PMOS晶体管MP1；
电压比较器COMP的正相输入端接入调整信号VRSSI1；
电压比较器COMP的反相输入端接入参考电压信号Vref；
电压比较器COMP的输出端连接PMOS晶体管MP1的栅极；PMOS晶体管MP1的源端连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的漏端与TIA的输入阻抗调制端连接。
优选地，TIA由单端放大器A及反馈电阻Rf构成，所述单端放大器A采用共源共栅单级放大器或共基共射单级放大器，单端放大器A由输入器件Q1、级联器件Q2和电阻R1构成；
输入器件Q1的基极/栅极作为TIA的输入端接入光电二极管输出的光电流；级联器件Q2的基极/栅极接入偏置电压Vb，级联器件Q2的集电极和电阻R1的公共节点作为TIA的输出端输出放大的光电流信号；电阻R1接电源VDD，输入器件Q1的发射极/源极接地。
优选地，TIA还包括跟随器，所述跟随器包括晶体管Q3和电流源I1，
级联器件Q2的集电极和电阻R1的公共节点连接晶体管Q3的基极/栅极，并作为TIA输出端；
晶体管Q3的集电极/栅极接电源VDD，晶体管Q3的发射极/源极接电流源I1的正端，电流源I1的负端接地。
优选地，输入器件Q1、级联器件Q2和晶体管Q3采用NPN三极管实现或采用NMOS晶体管实现。
本发明的有益效果：提出一种适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路,去除常用的自动增益控制电路中的RC网络并改变控制跨阻增益的方式,采用新型的双环路自动增益控制方式，不仅能有效改善TIA输出的非线性问题，还能自动调整TIA的-3dB带宽已经通过了仿真结果验证。
附图说明
图1是常用的自动增益控制电路原理图；
图2是本发明所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路的电路原理图；
图3是第一个具体实施例的电路原理图；
图4是第二个具体实施例的电路原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
当光电二极管输出的光电流未达到阈值时，所述光电流全部由TIA放大输出；
光电二极管输出的光电流分成两路，一路通过TIA放大输出，另一路通过直流镜进行泄流；当光电二极管输出的光电流增强到一定程度时，RSSI模块输出两路调制信号，开始对TIA的增益进行调制，增大TIA的输入阻抗、减小直流镜内阻，即减小了输入TIA的光电流、增大了直流镜泄流的光电流，来达到自动控制TIA增益的目的。
这样，光电二极管输出的光电流只有一部分通过TIA进行放大，而另一部分则会通过直流镜快速泄流，使得TIA输出电压数据不会出现非线性的失真。
第一个实施例：
参见图3，TIA包括NPN三极管Q1、Q2、Q3、电流源I1、反馈电阻Rf和电阻R1，NPN三极管Q1的基极连接光电二极管D0的输出端，NPN三极管Q1的发射极接地，NPN三极管Q1的集电极同时连接NPN三极管Q2的发射极和PMOS晶体管MP1的漏端；
NPN三极管Q2的基极接入偏置电压Vb，NPN三极管Q2的集电极同时连接电阻R1的一端和NPN三极管Q3的基极，并作为TIA输出端；
电阻R1的另一端和NPN三极管Q3的集电极连接电源VDD；
NPN三极管Q3的发射极同时连接电流源I1的正端和反馈电阻Rf的一端，电阻Rf的另一端连接NPN三极管Q1的基极。
直流镜由NMOS管MN1、NMOS管MN2、PMOS管MP2和PMOS管MP3构成，直流镜内阻调制单元采用NPN晶体管Q4来实现；
PMOS晶体管MP2和PMOS晶体管MP3的源端同时连接电源VDD；
PMOS晶体管MP2的栅极同时连接其漏端、PMOS晶体管MP3的栅极和NPN晶体管Q4的集电极；
NPN晶体管Q4的基极接入调整信号VRSSI2；
NPN晶体管Q4的发射极与NMOS晶体管MN1的漏端的公共节点接入光电二极管输出的其中一路光电流，
NMOS晶体管MN1的栅极同时连接PMOS晶体管MP3的漏端、NMOS晶体管MN2的栅极及其漏端；
NMOS晶体管MN1和NMOS晶体管MN2的源端同时连接GND。
TIA输入阻抗调制单元包括电压比较器COMP和PMOS晶体管MP1；
电压比较器COMP的正相输入端接入调整信号VRSSI1；
电压比较器COMP的反相输入端接入参考电压信号Vref；
电压比较器COMP的输出端连接PMOS晶体管MP1的栅极；PMOS晶体管MP1的源端连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的漏端与TIA的输入阻抗调制端连接。
工作原理：
RSSI模块检测光电二极管D0输出的光电流大小，光电流低于阈值时，RSSI模块无输出信号，当光电流高于阈值时，输出两路调制信号VRSSI1、VRSSI2，且两路调制信号随着光电流的增强而增大。
本发明增益调制分成两个环路同时进行：
环路一：晶体管MP1、运算放大器COMP，RSSI模块输出电压信号VRSSI1到比较器COMP与电压Vref进行比较，其输出控制PMOS晶体管MP1注入到NPN晶体管集电极电流的大小。
当光电流逐渐增大，VRSSI1电压也逐渐增大，电压比较器COMP的输出电压及PMOS晶体管MP1的栅压逐渐增大，PMOS晶体管MP1的漏端电流逐渐减小，即注入到NPN晶体管Q1的集电极的电流逐渐减小。
NPN晶体管的跨导gm的通式为：
式子中TV热电压，q电子电荷，k玻尔兹曼常量，T热力学温标；因此Q1的跨导gm_Q1随着集电极的注入电流的减小而逐渐减小。
该电路图中的TIA增益AV可以表示为：
AV＝Gm·Rout (3)
式子中Gm等效跨导，Rout输出阻抗；
Rout＝R1//(gm_Q2ro1ro2) (4)
式子中R1为电阻R1的阻值，gm_Q2为NPN晶体管Q2的跨导，ro1、ro2分别为NPN晶体管Q1、Q2的内阻。根据公式(4)将公式(3)改写为：
AV≈gm_Q1·R1 (5)
可见NPN晶体管Q1的跨导gm_Q1正比于TIA增益AV，调整gm_Q1可达到调整增益AV的目的。
根据前述，随着光电流的增大，Q1集电极的电流减小，则NPN晶体管Q1的跨导gm_Q1减小，导致TIA的增益Av也减小。TIA的输入阻抗Rin可以表示为：
式子中Rf为电阻Rf的阻值，可见TIA的输入阻抗是随着光电流的增大而增大。
利用公式：
TIA在光电流较小的情况下，增益AV较大；TIA拥有足够的带宽，满足高带宽设计需求。
环路一的调制能够随着光电二极管输出电流的增大而增大NPN晶体管Q1的输入阻抗，以减小被TIA放大的光电流信号；并且环路一能够在光电流信号较小的情况下，给TIA整体电路提供最大的信号带宽。环路一可以较好的解决输入光电流过大出现的输出失真和在光电流较小情况下带宽不足的问题。
环路二：NMOS晶体管MN1、MN2，PMOS晶体管MP2、MP3构成的直流电流镜、及NPN晶体管Q4，RSSI模块检测光电二极管输出的光电流大小，并且输出电压信号VRSSI2控制NPN晶体管Q4，进而改变直流电流镜的小信号内阻。
当光电流逐渐增大，VRSSI2电压也逐渐增大，直流镜内交流信号阻抗Ragc变小，Q4所在泄流通路的电阻随之变小，通过该泄流通路的电流随之增大，即光电二极管输出的光电流会有更大比例从该泄流通路快速泄放，来减小输入到TIA通路的光电流。
直流镜内交流信号阻抗Ragc可以表示为：
其中：gm_MP2为MP2的跨导、gm_Q4为Q4的跨导、ro_Q4为Q4内阻。
公式(8)简化为：
随着光电流的增大，电压端口VRSSI2电压增大，NPN晶体管Q4的集电极电流IC增大，Ragc减小，导致Q4所在通路的电流增大，即有更多光电流从该泄流通路泄放。
同时，PMOS晶体管MP2流出的直流电流全部流入NMOS晶体管MN1，不对PINA端的光电流造成影响。
环路二随着输入光电流的增大进而减小直流电流镜的内阻，使得不被TIA放大的光电流流入直流电流镜。
可见，环路一和环路二同时对TIA进行调整，当光电流增大的同时，TIA的输入电阻Rin增大，另一AGC环路的Ragc减小，光电流将会有一部分快速的从环路二流过，TIA只放大其中一部分，使得输出电压数据不会出现非线性的失真。
双环路自动增益控制电路相比于传统自动增益控制电路有以下优点：调整速度快。调整范围大适用于整个光电流输入范围并且降低了电路设计难度。
本发明提出的一种适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，改变了传统自动增益控制电路中需要大幅度减小晶体管内阻的实现方法，而采用双环路控制法，能够减小设计难度，快速对过载的光电流作出响应和调整，适用于高带宽TIA的数据传输。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，包括RSSI模块、TIA输入阻抗调制单元、直流镜和直流镜内阻调制单元；
当光电二极管输出的光电流未达到阈值时，所述光电流全部由TIA放大输出；
当光电二极管输出的光电流达到阈值时分成两路，一路通过TIA放大输出，另一路通过直流镜进行泄流；
RSSI模块采集光电二极管输出的光电流信号，当光电流信号增大且超过阈值时，RSSI模块输出两路调整信号VRSSI1、VRSSI2分别至TIA输入阻抗调制单元、直流镜内阻调制单元；
TIA输入阻抗调制单元在调整信号VRSSI1的增大指令控制下增大TIA的输入阻抗；直流镜内阻调制单元在调整信号VRSSI2的增大指令控制下降低直流镜中泄流通路的内阻；
进而减小TIA输入光电流、增大泄流通路的光电流，完成TIA增益的自动控制。
2.根据权利要求1所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，直流镜由NMOS管MN1、NMOS管MN2、PMOS管MP2和PMOS管MP3构成，直流镜内阻调制单元采用NPN晶体管Q4来实现；
PMOS晶体管MP2和PMOS晶体管MP3的源端同时连接电源VDD；
PMOS晶体管MP2的栅极同时连接其漏端、PMOS晶体管MP3的栅极和NPN晶体管Q4的集电极；
NPN晶体管Q4的基极接入调整信号VRSSI2；
NPN晶体管Q4的发射极与NMOS晶体管MN1的漏端的公共节点接入光电二极管输出的其中一路光电流，
NMOS晶体管MN1的栅极同时连接PMOS晶体管MP3的漏端、NMOS晶体管MN2的栅极及其漏端；
NMOS晶体管MN1和NMOS晶体管MN2的源端同时连接GND。
3.根据权利要求1或2所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，TIA输入阻抗调制单元包括电压比较器COMP和PMOS晶体管MP1；
电压比较器COMP的正相输入端接入调整信号VRSSI1；
电压比较器COMP的反相输入端接入参考电压信号Vref；
电压比较器COMP的输出端连接PMOS晶体管MP1的栅极；PMOS晶体管MP1的源端连接电源VDD，PMOS晶体管MP1的漏端与TIA的输入阻抗调制端连接。
4.根据权利要求3所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，TIA由单端放大器A及反馈电阻Rf构成，所述单端放大器A采用共源共栅单级放大器或共基共射单级放大器，单端放大器A由输入器件Q1、级联器件Q2和电阻R1构成；
输入器件Q1的基极/栅极作为TIA的输入端接入光电二极管输出的光电流；级联器件Q2的基极/栅极接入偏置电压Vb，级联器件Q2的集电极和电阻R1的公共节点作为TIA的输出端输出放大的电压信号；电阻R1接电源VDD，输入器件Q1的发射极/源极接地。
5.根据权利要求4所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，TIA还包括跟随器，所述跟随器包括晶体管Q3和电流源I1，
级联器件Q2的集电极和电阻R1的公共节点连接晶体管Q3的基极/栅极，并作为TIA输出端；
晶体管Q3的集电极/栅极接电源VDD，晶体管Q3的发射极/源极接电流源I1的正端，电流源I1的负端接地。
6.根据权利要求5所述适用于高带宽TIA的双环路自动增益控制电路，其特征在于，输入器件Q1、级联器件Q2和晶体管Q3采用NPN三极管实现或采用NMOS晶体管实现。
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