CN109120232A - 适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子领域，公开了一种适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器。该放大器包括多级级联的可变增益放大电路和可变反馈电阻。可变增益放大电路在能够提供高增益的同时，通过对于自身增益的可调谐性，有效地解决了宽动态范围带来的环路稳定性问题。该放大电路采用共源结构的输入结构，有效地抑制了后级电路噪声的影响。此外，该跨阻放大器结构适用于各种制造工艺，能够很好地适用于光通信前端跨阻放大器的设计。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域，特别涉及放大器技术。
背景技术
传统的电阻反馈型跨阻放大器电路如下图1所示，在运放A(s)的输入端和输出端之间接入一个跨接电阻，在宽动态范围要求下，即RF从数万欧姆变化到数十欧姆的时候，由运放A(s)及反馈电阻RF组成的闭环结构在应用中存在着环路稳定性难以得到保证的缺陷。
传统的实现高增益、低噪声的跨阻放大器采用共源共栅结构，其电路图如图2所示，该跨阻放大器能够提高增益，同时该电路采用的共栅结构能够减少共源输入管的米勒效应；此外，共源共栅结构对于后级电路的噪声有一定的抑制作用。
在实际应用中当上述共源共栅放大器与反馈电阻构成跨阻放大器时，因为共源共栅电路的频响特性，包括增益、极点位置并不会因为反馈电阻的变化而变化，当反馈电阻变化范围剧烈时，其闭环系统在某些特定的反馈电阻值时失去稳定性，即闭环系统的相位裕度变化剧烈，甚至出现零相位裕度的情况。
此外，该共源共栅放大器的输出节点的阻抗比较高，在此节点上可能会产生一个低频极点，使得闭环之后有两个比较低频的极点(另一个低频极点在运放的输入处，由反馈电阻、输入节点容性负载决定)，因此该电路的稳定性难以得到保障。
随着光通信的普及与推广，光通信的前端跨阻放大器的要求越来越多。低噪声、宽动态范围、高速以及高稳定性都是其需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，所述放大器电路中设置有多个可变电阻，通过改变可变电阻的阻值调节该放大器电路的增益和运放内部节点产生的极点位置，以提高该电路在闭环应用中的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，包括：
N级级联的可变增益放大电路，其中N为大于1的奇数；
在相邻的两级可变增益放大电路的输出端之间分别跨接有可变电阻，用于实现放大器的增益调谐。
在一个优选例中，放大电路为一个NMOS管，放大器的增益由Gm*R决定，其中Gm为NMOS管的跨导，R为可变电阻的电阻值。
在一个优选例中，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3的源极分别接地，MN1的栅极连接输入端AMP_IN,漏极分别连接电流源Is1的正极、MN2的栅极和可变电阻R1的一端；MN2的漏极分别连接电流源Is2的正极、MN3的栅极、可变电阻R1另一端和可变电阻R2的一端；MN3的漏极分别连接电流源Is3的正极、可变电阻R2的另一端和输出端AMP_OUT。
在一个优选例中，可变电阻的计算公式是
A0＝-gm_MN1*(R1-1/gm_MN2)*gm_MN3*(R2-1/gm_MN3)。
在一个优选例中，放大电路是PMOS晶体管。
在一个优选例中，放大电路是运算放大器。
在一个优选例中，放大器的输入端与放大器的输出端之间设置有跨接电阻。
在一个优选例中,上述放大器中放大电路的级联级数N＝3。
在一个优选例中，各PMOS晶体管的漏极接地，源极分别连接一个电流源，和下一级PMOS晶体管的栅极连接，并在相邻的两级PMOS晶体管的输出端之间分别跨接有可变电阻。
本发明实施方式与现有技术相比，至少具有以下区别和效果：
本发明的实施方式公开的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器是由放大电路多级级联而成的奇数级放大器，并在相邻的两级放大电路的输出端之间分别跨接有可变电阻。通过改变可变电阻的阻值实现对该放大器的增益调解，在提高增益的同时能够改变改变内部节点的极值位置以提高该电路的稳定性。
进一步地，该放大器中的放大电路既可以通过单个或者多个NMOS晶体管或者PMOS晶体管实现，也可以通过运算放大器实现。此外，该跨阻放大器结构适用于各种制造工艺，能够很好地适用于光通信前端跨阻放大器的设计。
可以理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式和例子)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是现有技术中典型的电阻反馈型跨阻放大器电路示意图；
图2是现有技术中共源共栅结构的跨阻放大器电路示意图；
图3是本发明实施方式中可变增益、高带宽放大器电路示意图；
图4是本发明实施方式中可变增益、高带宽放大器的相位裕度随着跨接电阻的变化仿真结果图。
图5是在本发明的实施方式中的一种信号放大电路。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本申请的发明要点概述：
本申请提出的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其多级级联的可变增益放大电路能够在一定范围内跟踪反馈电阻的变化，该放大器自身的增益会随着反馈电阻的变化而变化，从而缩小由于反馈电阻变化而导致的闭环的带宽变化，提高电路的稳定性。与此同时，当可变增益放大电路的增益发送变化时，其内部节点的极点位置也会发生变化，进而进一步保证了环路的稳定性。该高带宽跨阻放大器具备以下特点：
i.三级级联可以提供足够高的增益以满足跨阻放大器的带宽要求
ii.增益跟随反馈电阻变化而变化
iii.运放内部节点产生的极点位置也随反馈电阻变化而变化
此外，该运算放大器用作闭环使用时，其稳定性相对其他放大器而言更容易得到保证。
本申请提出的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器首次被用在FOC0250这款宽动态范围的跨阻放大器中，在一组仿真结果中，随着可变电阻控制电压的变化，跨阻放大器的跨阻由100分贝欧姆变化为42分贝欧姆(换算为功率的动态范围变化为29dB)，其闭环跨阻放大器的相位裕度基本保持恒定，均能保持在60度以上，且偏差不超过8度。FOC0250的芯片测试结果良好，目前已进入量产阶段，具有足够高的可行性、可靠性。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的实施方式公开了一种可变增益、高带宽放大器电路包括：
N级级联的可变增益放大电路，其中N为大于1的奇数；例如N＝3、N＝5、N＝7等等。
在相邻的两级所述可变增益放大电路的输出端之间分别跨接有可变电阻，用于实现所述放大器的增益调谐。
图3是一种可变增益、高带宽放大器电路放大器电路图。如图3所示，该可变增益、高带宽放大器电路由三个单级放大器级联而成的单端放大器，其输入端为“AMP_IN”，输出端为“AMP_OUT”。NMOS晶体管MN1、MN2、MN3的源极分别接地，MN1的栅极连接输入端AMP_IN,漏极分别连接电压源Us1的正极、MN2的栅极和可变电阻R1的一端；MN2的漏极分别连接电压源Us2的正极、MN3的栅极、可变电阻R1另一端和可变电阻R2的一端；MN3的漏极分别连接电压源Us3的正极、可变电阻R2的另一端和输出端AMP_OUT。
该放大器的增益调谐主要是由可变电阻R1、R2实现，增益主要由Gm*R决定，其中Gm为单级放大器的NMOS管的跨导，R为单级放大器级间可变电阻。因为该放大器的极点位置都为Gm/C，其中C为单级放大器输出节点的容性负载之和，因此该运算放大器的带宽更高,更适用于高频应用。
在本申请的一个实施例中，图5是一种信号放大电路。如图5所示，该放大器电路的输入端与所述输出端之间设置有跨接电阻RF。A(s)是图3所示的三级级联的可变增益、高带宽放大器电路放大器电路，其中电流源Iin是指光二极管的电流，Cp是指运放输入节点上的容性负载，包括光二极管的负载以及IO引入的负载。
VOUT/Iin＝A(s)*RF/[A(s)+1+RF*Cp*s] 公式(1)
A(s)＝A0/(1+s/w0) 公式(2)
其中A0为运放A(s)的直流增益，w0是运放的主极点，此时假定A(s)是单极点系统。
假定闭环系统是稳定的，闭环的非主极点远高于闭环系统的主极点，此时主极点的位置可以近似为
wp1＝(A0+1)/(RF*Cp+1/w0)。 公式(3)
闭环的非主极点的位置约为
wp2＝w0+1/(RF*Cp)， 公式(4)
因此该闭环系统具备稳定性的条件是wp2>>wp1,即w0>>(A0+1)/(RF*Cp)。
在实际应用中，RF可能的变化范围是数十欧姆到数十千欧姆。当RF足够大时，wp2>>wp1成立，因此该闭环系统具备稳定性。当RF减小时，A0随之减小，且保持尽量保持A0/RF恒定，由公式能够推导出wp1接近正比于A0/RF，因此，wp1的位置不变，始终满足稳定条件wp2>>wp1。
该三级级联放大器的直流增益为：
A0＝-gm_MN1*(R1-1/gm_MN2)*gm_MN3*(R2-1/gm_MN3) 公式(5)
其中gm_MN1、gm_MN2、gm_MN3为MOS管MN1、MN2、MN3的跨导，R1、R2为跨接电阻R1、R2的阻值，A0为节点AMP_IN到AMP_OUT的直流增益。直流增益A0与电阻R1、R2成正比。该电路的极点位置正比于gm/C，gm为MOS管跨导，C为节点AMP_STG1、AMP_STG2、AMP_OUT的容性负载。
令A0>0，则R1>1/gm_MN2，此为电阻R1的最小值；
R2>1/gm_MN3,此为电阻R2的最小值。
在图5所示的电路中，其带宽wp1＝A0/RF*Cp由主极点决定，即wp1为已知设计指标，RF和Cp均是已知值，因此A0为确定值,电阻R1/R2(假定R1＝R2)的值可由公式(5)得知，与A0、gm相关。gm由TIA的噪声特性决定，当满足噪声特性时，gm的值确定，从而得到R1/R2的值，即为R1/R2的上限。R1/R2是个依据RF变化而变化的值，其变化的速率与RF变化的速率相同。
此外，在如图3所示的放大器中，通过三级级联能够提供足够高的增益以满足跨阻放大器的带宽要求，增益和运放内部节点产生的极点位置随着反馈电阻变化而变化，因此该运算放大器用作闭环使用时具有足够高的稳定性。该放大器的仿真结果如图4所示，随着可变电阻控制电压的变化，跨阻放大器的跨阻由100分贝欧姆变化为42分贝欧姆(换算为功率的动态范围变化为29dB)，其闭环跨阻放大器的相位裕度基本保持恒定，均能保持在60度以上，且偏差不超过8度。
在本申请的一个实施例中，该放大器中的放大电路是PMOS晶体管，在该电路中各PMOS晶体管的漏极接地，源极分别连接一个电流源和下一级PMOS晶体管的栅极，并在相邻的两级所述PMOS晶体管的输出端之间分别跨接有可变电阻。
在本申请的一个实施例中，该放大器中的放大电路是由多个NMOS和/或PMOS连接而成的实现放大作用的电路,或者是运算放大器。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，包括：
N级级联的可变增益放大电路，其中N为大于1的奇数；
在相邻的两级所述可变增益放大电路的输出端之间分别跨接有可变电阻，用于实现所述放大器的增益调谐。
2.根据权利要求1所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述放大电路为一个NMOS管，所述放大器的增益由Gm*R决定，其中Gm为所述NMOS管的跨导，R为所述可变电阻的电阻值。
3.根据权利要求2所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，NMOS晶体管MN1、MN2、MN3的源极分别接地，所述MN1的栅极连接输入端AMP_IN,漏极分别连接电流源Is1的正极、所述MN2的栅极和可变电阻R1的一端；所述MN2的漏极分别连接电流源Is2的正极、所述MN3的栅极、所述可变电阻R1另一端和可变电阻R2的一端；所述MN3的漏极分别连接电流源Is3的正极、所述可变电阻R2的另一端和输出端AMP_OUT。
4.根据权利要求2所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述可变电阻的取值通过下列公式推导计算：
A0＝-gm_MN1*(R1-1/gm_MN2)*gm_MN3*(R2-1/gm_MN3)；
其中，其中A0为运放A(s)的直流增益，其中gm_MN1、gm_MN2、gm_MN3分别为MOS管MN1、MN2、MN3的跨导，R1、R2为跨接电阻R1、R2的阻值。
5.根据权利要求1所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述放大电路是PMOS晶体管。
6.根据权利要求1所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述放大电路是运算放大器。
7.根据权利要求1-6所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述放大器的输入端与所述放大器的输出端之间设置有跨接电阻。
8.根据权利要求1-6所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，N＝3。
9.根据权利要求5所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，各所述PMOS晶体管的漏极接地，源极分别连接一个电流源和下一级PMOS晶体管的栅极，并在相邻的两级所述PMOS晶体管的输出端之间分别跨接有可变电阻。
10.根据权利要求1-6所述的适用于低噪声、宽动态范围的高带宽跨阻放大器，其特征在于，所述可变电阻是由电阻和MOS晶体管连接而成的结构。
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