CN110086435B - 跨阻放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨阻放大器电路，包括一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管与跨接电阻构成的基本跨阻放大器；一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管构成的增益放大器；一个运放和一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管构成的偏置电路。本发明跨阻放大器具有高灵敏度、噪声低和低直流偏置的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信系统中的跨阻放大器。
背景技术
光通信技术（optical fiber communications），已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。
目前的光通信接收系统中，PIN正在成为广泛应用于光电转换的常用器件，而跨阻放大器（TIA）是将PIN产生的信号电流放大，成为后续电路可以处理的电压信号。由于TIA和PIN往往封装在一起，所以它成为光通信接收机中独立的一颗不可被后续电路集成的关键性电路。
请参阅图1，这是光通信接收机的基本结构。光敏二极管PIN将光信号转换成电流信号，再由跨阻放大器将电流信号放大转换为电压信号，经过限幅放大器放大整形，送给时钟数据恢复电路，完成数据再生。
由此可见，跨阻放大器是光通信接收机中不可缺少的电路，又因为它常与PIN封装在一起而不能与后续电路集成做SOC，所以TIA就成为光通信接收机中的关键电路。
请参阅图2，跨阻放大器（TIA）是一种三端口的电子器件，包括输入端口IN、阻抗控制端口RC和输出端口OUT。其功能就是实现V=I×R，而R一般可调。
跨阻放大器是光通信接收机中的核心电路，其主要性能参数包括灵敏度和带宽等。
请参阅图3，这是一种现有的跨阻放大器电路原理示意图，由共源极NMOS管N1与负载电阻R1构成增益放大器，再由共漏极NMOS管N4与负载R2构成源极跟随器，其输出通过反馈电阻R_FB接到N1管的输入端iin，这样就构成了一个常见的跨阻放大器。
上述跨阻放大器的输入管N1的偏置电压由后面的源极跟随器输出提供，而一般为了获得足够大的增益和相对小的噪声，N1管需要较高的直流偏置电压，而这个无法满足现在常用PIN器件时对输入电压0.5V左右的要求，而为了满足0.5V输入电压要求往往不得不牺牲噪声性能，导致灵敏度或信号带宽受损。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的跨阻放大器，能够具有较低的直流输入偏置电压满足0.5V的要求，同时又具有较高的灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明跨阻放大器包括一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管与跨接电阻构成的基本跨阻放大器；一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管构成的增益放大器；一个运放和一对共源极且共漏极的NMOS晶体管和PMOS晶体管构成的偏置电路。偏置电路为基本跨阻放大器提供合适的偏置电压小于等于0.5V，输入电流信号通过基本跨阻放大器输出给增益放大器，再经增益放大器进一步放大后输出。
本发明跨阻放大器通过输入级互补放大器和特别偏置电路的使用获得了较低的直流偏置电压，同时获得了较低的噪声保证了灵敏度，因而实现了两项指标的均衡。
附图说明
图1是光通信接收系统示意图；
图2是跨阻放大器原理示意图；
图3是一种现有的跨阻放大器的基本结构示意图；
图4是本发明跨阻放大器的基本模块示意图；
图5是本发明跨阻放大器的结构示意图；
图6是图5中的可变电阻res_ver模块的具体结构示意图。
图中附图标记说明：
以x表示自然数，Nx为NMOS晶体管；Px为PMOS晶体管；Cx为电容；Rx为电阻；R_fb为反馈电阻。
具体实施方式
请参阅图4，本发明跨阻放大器由基本跨阻放大器、增益放大器和偏置电路三个基本模块组成。其中基本跨阻放大器请参阅图5，由res_var模块和P0，N1构成，一对共源极且共漏极的P0和N1够成互补型放大器，当输入直流偏置较低时，P0可以提供较高的GM，从而保证有足够的增益，NMOS和PMOS互补即保证了足够的电路带宽又保证了足够的增益和噪声要求。res_var模块请参阅图6，由两个电阻和一个NMOS管构成，当输入信号靠近灵敏度附近时，vcl电压很低，N10处于截止区非导通状态，此时res_var的输入p1和输出p2两端的等效电阻为R0，当输入信号增大，需要减小增益避免电路过饱和时，增加vcl电压，使得N10管导通进入线性区，从而实现与R0并联构成可变电阻，其等效电阻随vcl电压升高而减小。
增益放大器请参阅图5，由一对共源极且共漏极的P1和N2组成的互补型放大器构成。
偏置电路请参阅图5，由一对短接的共源极且共漏极的P2和N3组成的自偏置电路，R0和C1组成的低通滤波器，一个运算放大器和一个NMOS管构成。特别注意的是，P0/N1,P1/N2,P2/N3三对P/N管的尺寸比皆相同，这样做即保证了电路的稳定性，又具有较好的温度跟随特性，从而进一步保证电路工作可靠。工作原理是，调整P2和N3尺寸保证其自偏置电路输出电压vref在0.5V附近，同时作为运放的一个输入端，输入信号iin经过R0、C1的低通滤波后接在运放的另一个输入端，运放的输出接在N0的栅极，整个回路构成了负反馈，保证TIA输入端iin的直流偏置电压稳定在0.5V附近。
本发明的跨阻放大器电路具有结构简单，稳定可靠，解决了低输入电压条件下，实现低噪声、高灵敏度和较高信号带宽的应用要求。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种跨阻放大器电路，其特征在于，包括：
一基本跨阻放大器，所述基本跨阻放大器包括一对共源极的第一NMOS晶体管和第一PMOS晶体管，以及跨接电阻；所述第一NMOS晶体管的栅极与第一PMOS晶体管的栅极连接并作为整个跨阻放大器电路的输入端，所述第一NMOS晶体管的漏极与第一PMOS晶体管的漏极连接，所述跨接电阻连接在所述栅极和所述漏极之间，所述第一PMOS晶体管的源极接电源，所述第一NMOS晶体管的源极接地；
一增益放大器，所述增益放大器包括一对共源极的第二NMOS晶体管和第二PMOS晶体管；所述第二NMOS晶体管的栅极与第二PMOS晶体管的栅极、第一NMOS晶体管的漏极和第一PMOS晶体管的漏极连接，所述第二NMOS晶体管的漏极与第二PMOS晶体管的漏极连接并作为整个跨阻放大器电路的输出端，所述第二PMOS晶体管的源极接电源，所述第二NMOS晶体管的源极接地；
一偏置电路，所述偏置电路包括一个运放、一第三NMOS管以及一对共源极的第四NMOS晶体管和第四PMOS晶体管，所述第三NMOS管的栅极接所述运放的输出，漏极接整个跨阻放大器电路的输入端，源极接地；所述运放的正向输入端接所述整个跨阻放大器电路的输入端，所述运放的反向输入端接参考偏置电压，所述第四NMOS晶体管的栅极与第四PMOS晶体管的栅极连接，所述第四NMOS晶体管的漏极与第四PMOS晶体管的漏极连接并输出参考偏置电压，所述第四PMOS晶体管的源极接电源，所述第四NMOS晶体管的源极接地；
所述偏置电路为所述基本跨阻放大器提供合适的偏置电压，所述跨阻放大器电路的输入电流信号通过所述基本跨阻放大器输出给所述增益放大器，再经所述增益放大器进一步放大后输出。
2.根据权利要求1所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的基本跨阻放大器中的所述第一NMOS晶体管和第一PMOS晶体管与跨接电阻构成自偏置电路。
3.根据权利要求1或2所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的跨接电阻包括一可调电阻。
4.根据权利要求1所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的偏置电路还包括一低通滤波器，用于对输入到运放正向输入端的信号进行低通滤波。
5.根据权利要求4所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的低通滤波器为RC低通滤波器。
6.根据权利要求1-2、4-5任一项所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的增益放大器中的所述的第二NMOS晶体管与第二PMOS晶体管的尺寸宽长比，与所述基本跨阻放大器中的所述第一NMOS晶体管与所述第一PMOS晶体管的尺寸宽长比相同。
7.根据权利要求3所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的增益放大器中的所述的第二NMOS晶体管与第二PMOS晶体管的尺寸宽长比，与所述基本跨阻放大器中的所述第一NMOS晶体管与所述第一PMOS晶体管的尺寸宽长比相同。
8.根据权利要求1-2、4-5任一项所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的偏置电路中的所述第四NMOS晶体管与所述第四PMOS晶体管尺寸宽长比，与所述基本跨阻放大器中的第一NMOS晶体管与第一PMOS晶体管尺寸宽长比相同。
9.根据权利要求3所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述的偏置电路中的所述第四NMOS晶体管与所述第四PMOS晶体管尺寸宽长比，与所述基本跨阻放大器中的第一NMOS管晶体与第一PMOS晶体管尺寸宽长比相同。
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