CN109861652A - 一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器，属于激光三维成像中的模拟信号处理领域。本发明能够适应大输入电容的应用条件，尤其能够应用于大光敏面雪崩二极管阵列读出电路中，跨阻放大器包括慢通路和快通路，慢通路包含两级放大器，第一级放大器为第二NMOS管和第一NMOS管组成共源共栅结构，第二级放大器为第六NMOS管MN6组成共栅放大器，慢通路提供了系统的主要增益；第八NMOS管为共源放大器，形成一个快通道，为系统提供前馈通路，改善系统的稳定性；快通路和慢通路并联在系统中产生左半平面零点，代替传统跨阻放大器中的补偿电容，降低了系统的Q值，实现了跨阻放大器的稳定，解决了传统跨阻放大器的带宽和增益受到雪崩二极管输入电容限制的问题。

Description

一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器

技术领域

本发明属于激光三维成像中的模拟信号处理领域，涉及一种应用于大输入电容的跨阻放大器，具体涉及一种能够应用于大光敏面雪崩二极管(Avalanche Photodiode，APD)阵列读出电路中的具有高增益高带宽特点的跨阻放大器。

背景技术

激光三维成像技术是激光雷达技术(Laser Detection and Ranging，LADAR)的一个主要分支，与传统的二维遥感图像技术相比，激光三维成像技术能够更准确的获取目标的三维信息，广泛应用于情报侦察、无人驾驶、目标识别、精确制导和安全监测等军事和民用领域。激光三维成像主要由激光器、雪崩二极管阵列和相应的读出电路(ReadoutCircuits，ROIC)组成，如图1所示，其中跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier，TIA)是读出电路的核心部分，其性能很大程度上决定了光电探测器的性能。激光三维成像通过半导体激光器发射激光，光学系统将光信号射向空间，雪崩二极管接收到光信号后，将光信号转化为微弱电流信号，然后光电流流入跨阻放大器，跨阻放大器将光电流转化为电压信号。传统并联-并联负反馈跨阻放大器拓扑结构如图2所示，跨阻放大器包括一个跨阻和一个电压放大器，跨阻放大器的带宽主要由雪崩二极管输入电容、跨阻及电压放大器的增益带宽积(GBW，Gain Bandwidth)决定，当雪崩二极管的输入电容较大时，跨阻放大器的带宽和增益会受到雪崩二极管输入电容的限制。

发明内容

针对上述传统跨阻放大器在大光敏面雪崩二极管输入电容较大时，其带宽和增益受到雪崩二极管输入电容的限制的不足之处，本发明提出了一种跨阻放大器电路，具有较高增益和带宽，解决了传统跨阻放大器的带宽和增益受到雪崩二极管输入电容限制的问题，能够适应大输入电容，尤其能够应用于大光敏面雪崩二极管阵列读出电路中。

本发明的技术方案为：

一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源和偏置电压源；

第二NMOS管的栅极连接第八NMOS管的栅极并作为所述跨阻放大器的输入端，其漏极连接第一NMOS管的源极和第二PMOS管的漏极，其源极连接第三NMOS管、第五NMOS管和第八NMOS管的源极并接地；

第一NMOS管的栅极一方面通过第一电容后接地，另一方面通过第一电阻后连接第七NMOS管的栅极、第六NMOS管和第六PMOS管的漏极，其漏极连接第四NMOS管的栅极和第四PMOS管的漏极；

第五NMOS管的栅极连接第三NMOS管的栅极和漏极以及第三电流源，其漏极连接第四NMOS管和第六NMOS管的源极；

第六NMOS管的栅极连接偏置电压源；

第七NMOS管的源极连接第八NMOS管的漏极并作为所述跨阻放大器的输出端，其漏极连接第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管的源极并连接电源电压；

第一PMOS管的栅漏短接并连接第二PMOS管的栅极和第一电流源；

第三PMOS管的栅漏短接并连接第四PMOS管的栅极和第二电流源；

第五PMOS管的栅漏短接并连接第六PMOS管的栅极和第四电流源；

第二电阻接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间。

本发明的有益效果是：本发明提出的跨阻放大器通过改善电路结构，实现了具有较高增益和带宽的跨阻放大器，适用于大输入电容，应用于大光敏面雪崩二极管时能够解决传统跨阻放大器的带宽和增益受到雪崩二极管输入电容限制的问题。

附图说明

图1为激光三维成像技术的系统结构示意图。

图2为传统的并联-并联负反馈跨阻放大器的结构示意图。

图3为本发明提出的一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器的具体电路示意图。

图4为本发明提出的一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器的结构等效示意图。

图5为本发明提出的一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器在实施例中的幅频特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：

本发明提出的跨阻放大器的具体电路如图3所示，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第一电阻R₁、第二电阻R_F、第一电容C₁、第一电流源I₁、第二电流源I₂、第三电流源I₃、第四电流源I₄和偏置电压源V₁；第二NMOS管MN2的栅极连接第八NMOS管MN8的栅极并作为跨阻放大器的输入端，其漏极连接第一NMOS管MN1的源极和第二PMOS管MP2的漏极，其源极连接第三NMOS管MN3、第五NMOS管MN5和第八NMOS管MN8的源极并接地VSS；第一NMOS管MN1的栅极一方面通过第一电容C₁后接地VSS，另一方面通过第一电阻R₁后连接第七NMOS管MN7的栅极、第六NMOS管MN6和第六PMOS管MP6的漏极，其漏极连接第四NMOS管MN4的栅极和第四PMOS管MP4的漏极；第五NMOS管MN5的栅极连接第三NMOS管MN3的栅极和漏极以及第三电流源I₃，其漏极连接第四NMOS管MN4和第六NMOS管MN6的源极；第六NMOS管MN6的栅极连接偏置电压源V₁；第七NMOS管MN7的源极连接第八NMOS管MN8的漏极并作为跨阻放大器的输出端，其漏极连接第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的源极并连接电源电压VDD；第一PMOS管MP1的栅漏短接并连接第二PMOS管MP2的栅极和第一电流源I₁；第三PMOS管MP3的栅漏短接并连接第四PMOS管MP4的栅极和第二电流源I₂；第五PMOS管MP5的栅漏短接并连接第六PMOS管MP6的栅极和第四电流源I₄；第二电阻R_F接在跨阻放大器的输入端和输出端之间。

其中第二电阻R_F是跨阻放大器的跨阻，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第一电阻R₁、第一电容C₁、第一电流源I₁、第二电流源I₂、第三电流源I₃、第四电流源I₄和偏置电压源V₁构成跨阻放大器中的电压放大器。本发明提出的跨阻放大器具有高增益高带宽的特点，能够应用于大输入电容，大光敏面雪崩二极管APD的输入电容较大，将本发明提出的高增益高带宽跨阻放大器用于大光敏面雪崩二极管APD时，能够解决传统跨阻放大器的带宽和增益受到雪崩二极管输入电容限制的问题，跨阻放大器将雪崩二极管的微弱光电流放大并转成电压信号，以便后续进行信号处理，下面以将本发明提出的跨阻放大器应用到大光敏面雪崩二极管APD为例，本实施例的工作原理如下。

跨阻放大器的带宽主要由雪崩二极管APD的输入电容、跨阻放大器的跨阻值和电压放大器的增益带宽积(GBW，Gain Bandwidth)决定。本实施例中大光敏面光电二极管的输入电容为pF级，以输入电容为2pF为例，为了得到跨阻放大器更大的带宽，则需要电压放大器具有更大的增益带宽积。本发明提出的并联-并联跨阻放大器拓扑结构如图4(a)所示，慢通路A₁和快通路A₂的并联在系统中产生左半平面零点，代替传统跨阻放大器中的补偿电容，降低系统的Q值，实现跨阻放大器的稳定。为了便于分析，假设慢通路A₁和快通路A₂都简化为单极点系统，慢通路A₁和快通路A₂传输函数分别可以表示为：

其中w_p1和w_p2分别是慢通路A₁和快通路A₂的主极点，当慢通路A₁和快通路A₂并联(A₁＞＞A₂)时其产生的新的传输函数为：

式(2)说明，当快通路A₂的极点w_p2远远大于慢通路A₁的极点w_p1时，可以忽略w_p2，从而将表达式(2)简化为：

其中A为并联后运算放大器的低频增益，w_z和w_p1分别是并联后运算放大器的零点和极点，那么跨阻放大器的闭环传输函数为：

其中C_D是雪崩二极管APD的输入电容，只要调节慢通路A₁和快通路A₂的增益，跨阻放大器就能达到稳定。

式(4)表明电压放大器的增益带宽积GBW决定了跨阻放大器的带宽，本发明提出的跨阻放大器中第八NMOS管MN8为共源放大器，形成快通路A₂，为系统提供前馈通路，在电压放大器中合适的位置产生零点，起补偿作用；第二NMOS管MN2、第一NMOS管MN1、第四NMOS管MN4、第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7组成慢通路A₁，该通路包含两级放大器，提供系统的主要增益，第一级放大由第二NMOS管MN2和第一NMOS管MN1组成共源共栅结构，第二级放大由第六NMOS管MN6组成共栅放大器。第一级放大器中，第二NMOS管MN2为共源放大器，第一NMOS管MN1为共栅放大器，第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4组成电流镜为第一级提供偏置电流，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2组成电流镜从第二NMOS管MN2抽取部分电流，可以提高第二NMOS管MN2的跨导、提高第一级的输出阻抗；第四NMOS管MN4是共漏放大器，用于调节第一级输出电平、降低第二级放大器的输入阻抗；第二级放大是第六NMOS管MN6共栅放大器，第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6为第二级放大器提供偏置电流，第一电阻R₁和第一电容C₁为第一NMOS管MN1提高偏置和调节系统的零极点；第七NMOS管MN7是源跟随器，用来降低系统的输出阻抗，提高驱动能力；忽略源跟随器的增益，本发明提出的跨阻放大器中电压放大器的等效结构如图4(b)所示，分析该电压放大器核心部分的增益带宽等特性，列节点方程如下：

对于慢通路A₁，第一级放大器为共源共栅放大器，其增益A_gain1为：

其中，g_m，MN1和g_m，MN2是第一NMOS管MN1跨导和第二NMOS管MN2跨导，r_ds，MN1、r_ds，MN2、r_ds，MP4分别为第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第四PMOS管MP4的输出电阻，C₂为第一级放大器的输出电容。

第二级放大器共栅放大器的增益A_gain2为：

其中，g_m，MN4和g_m，MN6分别为第四NMOS管MN4和第六NMOS管MN6跨导，r_ds，MN5、r_ds，MN6、r_ds，MP6分别为第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第六PMOS管MP6的输出电阻。

慢通路A₁的增益A_slow为两级放大相乘：

快通路A₂的增益A_fast为：

其中，g_m，MN7和g_m，MN8为第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8跨导，r_ds，MN8为第八NMOS管MN8的输出电阻，C_out为输出点的节点电容。

跨阻放大器的开环传输函数可以化简为：

其中慢通路A₁的主极点w_p1和快通路A₂的主极点w_p2是电压放大器产生的两个极点，通过推导表明，跨阻放大器存在两个左半平面零点和三个极点，带内零点的引入拓宽了电压放大器的增益带宽积，从而改善了跨阻放大器的带宽性能。

本实施例中采用0.18μm CMOS工艺对本发明提出的跨阻放大器进行仿真验证。仿真时，光电二极管模型为电流源与2pF电容并联，其幅频特性曲线如图5所示，仿真结果表明，本发明提出的跨阻放大器的增益为103.68dB，对应的-3dB带宽为211MHz。应用在大光敏面雪崩二极管输入电容较大时，本发明提出的跨阻放大器的结构能够拓宽其带宽，前馈通路的引入改善了跨阻放大器的稳定性，使得跨阻放大器有足够高增益的同时也有高的带宽。

综上所述，本发明提出的跨阻放大器跨阻放大器包括慢通路和快通路，慢通路包含两级放大器，第一级放大器为第二NMOS管和第一NMOS管组成共源共栅结构，第二级放大器为第六NMOS管MN6组成共栅放大器，慢通路提供了系统的主要增益；第八NMOS管为共源放大器，形成一个快通道，为系统提供前馈通路，改善系统的稳定性；快通路和慢通路并联在系统中产生左半平面零点，代替传统跨阻放大器中的补偿电容，降低了系统的Q值，实现了跨阻放大器的稳定，解决了传统跨阻放大器的带宽和增益受到雪崩二极管输入电容限制的问题。

值得说明的是，虽然本实施例以应用到大光敏面雪崩二极管APD的情况为例，其他输入电容比较大的场景也适用本发明提出的跨阻放大器，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形、组合和应用，这些变形、组合和应用仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种应用于大输入电容的高带宽高增益跨阻放大器，其特征在于，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源和偏置电压源；

第二NMOS管的栅极连接第八NMOS管的栅极并作为所述跨阻放大器的输入端，其漏极连接第一NMOS管的源极和第二PMOS管的漏极，其源极连接第三NMOS管、第五NMOS管和第八NMOS管的源极并接地；

第一NMOS管的栅极一方面通过第一电容后接地，另一方面通过第一电阻后连接第七NMOS管的栅极、第六NMOS管和第六PMOS管的漏极，其漏极连接第四NMOS管的栅极和第四PMOS管的漏极；

第五NMOS管的栅极连接第三NMOS管的栅极和漏极以及第三电流源，其漏极连接第四NMOS管和第六NMOS管的源极；

第六NMOS管的栅极连接偏置电压源；

第七NMOS管的源极连接第八NMOS管的漏极并作为所述跨阻放大器的输出端，其漏极连接第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和第六PMOS管的源极并连接电源电压；

第一PMOS管的栅漏短接并连接第二PMOS管的栅极和第一电流源；

第三PMOS管的栅漏短接并连接第四PMOS管的栅极和第二电流源；

第五PMOS管的栅漏短接并连接第六PMOS管的栅极和第四电流源；

第二电阻接在所述跨阻放大器的输入端和输出端之间。