CN108988799B - 用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器 - Google Patents

用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。本发明可实现同一芯片上高性能的光接收机模拟前端与数字信号处理后端的单片集成，降低成本，增强功能。

Description

用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器
技术领域
本发明属于光通信、光互连及可见光通信系统，涉及一种采用有源反馈设计的跨阻放大器。
背景技术
随着社会信息化程度的不断提升，以物联网、云计算及移动互联网等大数据载体为代表的宽带业务蓬勃发展，这使得人类社会对网络带宽和数据流量的需求成倍增长。为满足海量信息的传输，用于干线网络传输的超高速、超大容量光纤通信技术已取得突破性进展。然而，受工艺和成本的限制，光纤通信的“最后一公里”仍然没有得到很好的解决。
在光纤通信系统中，对于光接收机来说，将光电二极管及放大电路单片集成在同一衬底上可以大幅度减小外接光电二极管所导致的寄生电容及电感。而处在光接收机放大电路前端的跨阻放大器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，跨阻放大器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。对于跨阻放大器的设计来说，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及噪声表现。为了解决这个问题，涌现出了多种电路结构以提高带宽。
目前，常见的跨阻放大器多采用共源(Common Source，CS)、共栅(Common Gate，CG)及调节型共源共栅(Regulated Cascode，RGC)等多种结构。其中，调节型共源共栅(RGC)结构具有较小的输入阻抗，可有效屏蔽包括：光电二极管结电容、静电保护电路(ESD)寄生电容及输入PAD电容在内的输入寄生电容，将主极点从输入结点转移到其他结点，实现较宽的频带设计，所以调节型共源共栅(RGC)结构广泛应用于宽带跨阻放大器的设计中。
随着制备工艺水平的不断提升，器件的特征尺寸以及电源电压不断减小，调节型共源共栅(RGC)结构应用在先进工艺中会暴露出一些问题。例如，在某些40nm工艺节点中，电源电压大约为900mV，MOS管的阈值电压约为430mV，如果考虑到衬偏效应，MOS管的阈值电压会进一步增加。调节型共源共栅(RGC)结构中有源反馈支路对电源电压的过度消耗会造成电压余度变小、输出电压摆幅不足等问题。同时，由于器件的特征尺寸达到了纳米级，其各种二阶效应更加显著，例如速度饱和效应会影响MOS管线性区与饱和区的界限电压Vdsat，使得Vdsat不在简单地等于过驱动电压，而是通过一系列模型修正得到一个相对准确的近似值，因而对电源电压在同一支路上的利用提出了更高的要求。正因如此，对于传统电路结构在先进CMOS工艺中的应用提出新的挑战。同时，在深亚微米级及以下工艺节点中MOS器件的寄生效应更大，这也使得基于CMOS工艺的宽带跨阻放大器设计变得更为困难。为了实现宽带跨阻放大器，研究人员提出了各种不同形式的改进方案，如并联电感峰化、串联电感峰化等技术，但电感的引入会使版图整体面积显著增加，制造成本也会相应提高。
总的来说，目前光接收机跨阻放大器设计面临的关键问题是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，同时单片集成光接收机的迫切需求需要研究基于CMOS或兼容CMOS工艺的光电二极管和接收电路设计。
发明内容
本发明在分析调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器优缺点的基础上，提出了一种用于光接收机前端的低电压、高带宽有源反馈型跨阻放大器，利用改变共源极有源反馈的连接方式来克服调节型共源共栅(RGC)结构在先进工艺中电压余度不足等问题，详见下文描述：
一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，所述放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；
所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；
所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；
所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。
进一步地，所述跨阻放大器利用改变共源极有源反馈的连接方式克服调节型共源共栅结构在先进工艺中电压余度不足的问题。
其中，所述跨阻放大器的低频输入阻抗为：
Figure BDA0001780496530000021
其中，gm1和gm2分别为MOS管M1和M2的跨导。
其中，所述跨阻放大器的低频跨阻增益为：
Figure BDA0001780496530000022
其中，“||”为并联符号。
进一步地，所述跨阻放大器的高频时的传输函数为：
Figure BDA0001780496530000031
其中，
Figure BDA0001780496530000032
ωi为输入结点对应的极点，ω1为输出结点对应的极点。
进一步地，所述跨阻放大器的-3dB截止频率为：
Figure BDA0001780496530000033
其中，所述跨阻放大器电路的-3dB带宽有41％的带宽扩展。
有益效果
1、本发明所述电路的共栅极输入MOS管和有源反馈MOS管消耗更少的电压余度，可实现在低电源电压下仍有较大的输出电压摆幅；
2、由于具有与调节型共源共栅(RGC)电路相近的输入阻抗，所以本发明设计电路可有效隔离输入寄生电容对带宽的影响；
3、由于增加的容性退化产生了新的零点，该零点可以抵消前端放大器电路的极点，所以本发明所设计的电路可有效扩展带宽；
4、本发明设计的跨阻放大器与标准CMOS工艺兼容，可实现同一芯片上高性能的光接收机模拟前端与数字信号处理后端的单片集成，从而降低成本，增强功能。
附图说明
图1为现有技术中的调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器的电路原理图；
图2为本发明设计的有源反馈型跨阻放大器的电路原理图；
图3为本发明设计的有源反馈型跨阻放大器的小信号等效电路图；
图4为本发明设计的增加容性退化的有源反馈型跨阻放大器的电路原理图；
图5为本发明设计的有源反馈型跨阻放大器的幅频特性。
具体实施方式
实施例1
一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，参见图2，该放大器包括：
1、使用固定偏置替换调节型共源共栅(RGC)结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗。
即，减少了一个MOS管阈值电压对电源电压的消耗。
2、使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅(RGC)结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响。
即，在图2中结点2为信号输入端，从该结点向电路内部进行观察，可以看出利用带有共源极有源反馈的共栅极输入端。
3、增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时进一步提高电压的增益。
综上所述，本发明实施例利用容性退化来展宽带宽和提高增益。通过对电路元器件参数的调节和优化，在保证跨阻放大器整体增益基本不变的前提下，大幅提升了电路带宽，实现了一种低电压、高带宽的有源反馈型跨阻放大器。
实施例2
下面结合附图1-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
图1所示为调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器的电路原理图。所述电路由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与电阻R2和MOS管M2构成的共源级辅助放大器两部分构成。
其中，整个跨阻放大器的主要作用是接收光电探测器输出的微弱电流信号，并将其转换、放大为电压信号。在对本发明实施例中所设计的电路进行讨论之前，先对调节型共源共栅(RGC)结构的一些特点进行阐述。
首先分析直流工作点，要保证整体电路稳定工作，必须先保证所有MOS管工作在饱和区。从图1所示的电路原理图可知，MOS管M1、M2的开启条件为V2>VTH2、V1-V2>VTH1，即VTH1+VTH2<V1<VDD。其中，V1为结点1处的直流电压，V2为结点2处的直流电压。
VTH1为MOS管M1的阈值电压，VTH2为MOS管M2的阈值电压，VDD为电源电压。
目前，一些较为先进工艺的电源电压VDD已经低于1V，如果仍将传统RGC结构电路应用到此类工艺节点中，由于衬底偏置效应引起MOS管阈值电压增大，可能会导致图1中的结点1处所需电压大于电源电压VDD，此时MOS管将无法正常工作。
同时，由共源极有源反馈引起的结点1处的电压摆动也可能导致MOS管进入亚阈值区，从而使放大器电路失去稳定性。但因调节型共源共栅(RGC)结构的高带宽特性，其仍在电源电压能满足条件的工艺中得到广泛应用。
调节型共源共栅输入级可以提供非常低的输入阻抗，低频输入阻抗为：
Figure BDA0001780496530000051
其中，gm1和gm2分别为MOS管M1和M2的跨导。
低频跨阻增益为：
ZT,RGC(0)≈R1 (2)
高频时的传输函数为：
Figure BDA0001780496530000052
其中，Cpd为光电探测器的寄生电容，Ci为RGC结构的输入电容，Co为RGC结构的输出电容，CL为负载电容，vo为输出信号电压，s为复频率，ipd为光电探测器输出信号电流。
由传输函数式(3)可知，存在两个影响电路的-3dB带宽的极点，分别为输入结点对应的极点ωi,RGC＝gm1(1+gm2R2)/(Cpd+Ci)和输出结点对应的极点ω1,RGC＝1/R1(CL+Co)。
由于传统RGC结构具有较小的输入阻抗，所以ωi,RGC>ω1,RGC，故电路的-3dB带宽约为：
Figure BDA0001780496530000053
其中，ω1为输出结点对应的极点。
图2为本发明实施例提出的有源反馈型跨阻放大器电路原理图。所述电路由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成。从电路结构上可以看出，本发明实施例提出的有源反馈型跨阻放大器电路可通过调节MOS管M1的漏电流改变结点1处的直流电压，使MOS管M2处于饱和状态，在电源电压较小的情况下仍可通过上述方法调整输出结点的直流电压来保证有源反馈支路PMOS管工作在饱和区。
因此，与调节型共源共栅(RGC)结构相比，本发明实施例提出的电路结构在低电压系统中更具优势。由于其与调节型共源共栅(RGC)结构具有相同的输入电路组态，故可对前端光电二极管引入的等效输入电容实现很好的屏蔽效果。
图3为有源反馈型跨阻放大器的小信号等效电路。由小信号等效电路可得，有源反馈型跨阻放大器低频输入阻抗为：
Figure BDA0001780496530000061
低频跨阻增益为：
Figure BDA0001780496530000062
其中，“||”为并联符号。
高频时的传输函数为：
Figure BDA0001780496530000063
其中，C1≈Cgs1+Csb1+Cdb2，C2≈Cgs2+Cgd1+Cdb1，Cgd2为MOS管M2的栅漏电容，CL为负载电容。
对比式(1)和式(5)可知，有源反馈型跨阻放大器与调节型共源共栅(RGC)结构跨阻放大器具有相近的输入阻抗。在调节型共源共栅(RGC)结构跨阻放大器电路中，需要设计较大的跨导gm2和较小的电阻R1来保证电路的稳定性。
根据式(5)和式(6)，在有源反馈型跨阻放大器的设计中，需要较大的电阻R1和较小的跨导gm2来得到较小的输入阻抗和维持相对较大的增益。同时，MOS管M2的沟道热噪声也会直接增加输入参考噪声电路。因此，保证MOS管M2尺寸较小可同时提高增益和噪声表现。如果选择较小尺寸的MOS管M2和相对较大的电阻Rs，式(7)可简化成为：
Figure BDA0001780496530000064
其中，
Figure BDA0001780496530000065
ωi为输入结点对应的极点，此时的i仅为标号，不是变量。ω1为输出结点对应的极点。
由于本发明实施例所提出的放大电路具有较小的输入阻抗，所以ωi>ω1，主极点为ω1。
从式(8)可以看出，这是一个典型的-3dB带宽高于主极点的二阶系统，根据巴特沃斯响应，截止频率f-3dB＝ωn/2π，且：
Figure BDA0001780496530000066
通过调整电路元器件参数，可以设计ωi＝2ω1。此时-3dB截止频率为：
Figure BDA0001780496530000067
由式(9)可得，gm2R1＝1。
与ω1作为主极点的调节型共源共栅(RGC)结构相比，本发明实施例所提出的跨阻放大器电路的-3dB带宽约有41％的带宽扩展。对比式(4)和式(13)、式(2)和式(6)可以发现，本发明实施例所述电路可以在牺牲少量增益的情况下，大幅度提升带宽。
图4是增加容性退化的有源反馈型跨阻放大器的电路原理图。容性退化电路是由电阻R2、电阻R3和MOS管M3组成的带有源极负反馈的共源极放大电路以及并联在负反馈电阻R3上的电容C3构成。此级容性退化电路可以贡献一个ω2＝(R3C3)-1的零点来补偿由输入级产生的滚降效应，从而扩展带宽。同时还可以通过此级容性退化的放大作用来补偿前级放大电路相对于调节型共源共栅(RGC)结构的增益损失。
基于TSMC(台积电)40nm的CMOS工艺，经参数调整和优化设计的有源反馈型跨阻放大器电路的幅频特性如图5所示。由图5可见，未加容性退化级时，本发明实施例所述有源反馈型跨阻放大器的-3dB带宽为8.2GHz，通过增加一级电容退化产生新的零点抵消前级放大器极点后，带容性退化级的有源反馈型跨阻放大器的-3dB带宽达到9.2GHz，有效提高了跨阻放大器的带宽。
综上所述，本发明实施例所述的低电压、高带宽有源反馈型跨阻放大器可在保证增益基本不变的前提下，大幅度扩展工作带宽，可用于高速光通信系统的光接收机中。

Claims (2)

1.一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；
所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；
所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；
所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益；
所述跨阻放大器利用改变共源极有源反馈的连接方式克服调节型共源共栅结构在先进工艺中电压余度不足的问题；
所述跨阻放大器的低频输入阻抗为：
Figure FDA0003424212170000011
其中，gm1和gm2分别为MOS管M1和M2的跨导；
所述跨阻放大器的低频跨阻增益为：
Figure FDA0003424212170000012
其中，“||”为并联符号；
所述跨阻放大器的高频时的传输函数为：
Figure FDA0003424212170000013
其中，
Figure FDA0003424212170000014
ωi为输入结点对应的极点，ω1为输出结点对应的极点；
所述跨阻放大器的-3dB截止频率为：
Figure FDA0003424212170000015
所述跨阻放大器电路的-3dB带宽有41％的带宽扩展。
2.根据权利要求1所述的一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述容性退化电路是由电阻R2、电阻R3和MOS管M3组成的带有源极负反馈的共源极放大电路、以及并联在负反馈电阻R3上的电容C3构成。
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