CN110190821B - 一种高灵敏度超宽带超级跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨阻放大器电路，包括一级共源极放大器，一级改进型共栅极放大器，一级cascode共源共栅极放大器和一级改进型NMOS源极跟随器组成的跨阻放大器电路。本发明跨阻放大器具有高灵敏度、低噪声、低直流偏置和超宽带的特点。

Description

一种高灵敏度超宽带超级跨阻放大器

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，同时又具有高灵敏度、低噪声和超宽带的特点。

为解决上述技术问题，本发明跨阻放大器包括第一级NMOS共源极放大器；其输出分别送给一级改进型共栅极放大器和一级cascode共源共栅极放大器；共栅极放大器的输出送给改进型源极跟随器，而cascode共源共栅极放大器的共源极输出则送给改进型源极跟随器电流源NMOS管的输入；改进型源极跟随器的输出，即整个跨阻放大器的输出，通过反馈电阻接在第一级NMOS共源极放大器的输入端，构成负反馈。

本发明跨阻放大器通过将若干级放大器巧妙地组合在一起，信号经过多级放大后通过反馈电阻构成负反馈从而获得了较低的直流偏置电压，同时获得了很低的噪声保证了高灵敏度，还保证了相当高的带宽，因而实现了多指标的全面提升。

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是传统源极跟随器基本结构示意图。

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高增益放大器、偏置电路和反馈电阻组成。其中高增益放大器请参阅图5，由若干级放大器级联组成。第一级共源极放大器由N0和R0构成，N0栅极是PIN电流信号输入端，其输出分别送给一级改进型共栅极放大器和一级cascode共源共栅极放大器，分别说明如下：改进型共栅极放大器请参阅图5，由N1和R1构成；cascode共源共栅极放大器请参阅图5，由N2,N3,R2,R4构成。传统共栅极放大器栅极仅接直流电平，本发明的接法使得N1栅极接N3的信号放大输出，从而使得N1的输出具有更高的增益和带宽，故称其为改进型共栅极放大器。

偏置电路请参阅图5，由一级改进型源极跟随器构成。传统源极跟随器请参阅图6，N10共漏极接法，增益小于1，一般只有0.7左右。改进型源极跟随器请参阅图5，将图6中的电阻换成了MOS管N4,而N4的栅极接N2的漏极，这样就使得电路增益比传统跟随器大，而且压低了噪声，故称其为改进型源极跟随器。

通过调整合适的管子尺寸，源极跟随器的输出通过反馈电阻R_fb为第一级共源极放大器提供栅极偏置，并形成负反馈，保证电路的稳定性。

本发明的跨阻放大器通过高增益组合放大器，使得第一级放大器没有必要高电压偏置获得大电流大增益，从而使得0.5V左右的电压偏置得以实现，同时又实现了低噪声、高灵敏度和大带宽的应用设计要求。本发明跨阻放大器实测工作带宽超过2GHz，灵敏度达到-31dBm。

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 (2)

1.一种跨阻放大器电路，其特征是，包括第一级NMOS共源极放大器；所述第一级NMOS共源极放大器输出分别送给一改进型共栅极放大器和一cascode共源共栅极放大器；所述改进型共栅极放大器的输出送给改进型源极跟随器的输入，而所述cascode共源共栅极放大器的输出则送给所述改进型源极跟随器中的作为电流源的第六NMOS管的输入；改进型源极跟随器的输出是整个跨阻放大器电路的输出，其通过反馈电阻接在第一级NMOS共源极放大器的输入，构成负反馈；

所述的第一级NMOS共源极放大器包括一第一NMOS管和一负载电阻，所述负载电阻两端分别接所述第一NMOS管的漏极和电源，所述第一NMOS管的漏极为所述第一级NMOS共源极放大器的输出，所述第一NMOS管的栅极为第一级NMOS共源极放大器的输入和整个整个跨阻放大器电路的输入，所述第一NMOS管的源极接地；

所述的cascode共源共栅极放大器包括一第二NMOS管和一第三NMOS管，其中所述第二NMOS管是共源极NMOS管，所述第三NMOS管是共栅极NMOS管，所述第二NMOS管的漏极和所述第三NMOS管的源极相连，所述第三NMOS管的栅极和漏极分别通过一个电阻接电源，所述第三NMOS管的漏极是所述的cascode共源共栅极放大器的第一输出端，而所述第二NMOS管的漏极是所述的cascode共源共栅极放大器的第二输出端，所述第二NMOS管的栅极接所述的第一级NMOS共源极放大器的输出，所述第二NMOS管的源极接地；

所述的改进型共栅极放大器包括一第四NMOS管，所述第四NMOS管的源极接所述第一级NMOS共源极放大器的输出，所述第四NMOS管的漏极通过一个电阻接电源，所述第四NMOS管的栅极接所述的cascode共源共栅极放大器的第一输出端，所述第四NMOS管的漏极为所述的改进型共栅极放大器的输出；

所述的改进型源极跟随器包括一第五NMOS管和一第六NMOS管，所述第六NMOS管作为所述的改进型源极跟随器的电流源，所述第五NMOS管的栅极作为所述改进型源极跟随器的输入，第五NMOS管的漏极接电源，第五NMOS管的源极为所述的改进型源极跟随器的输出，并接在所述第六NMOS管的漏极，第六NMOS管的栅极接所述的cascode共源共栅极放大器的第二输出端，第六NMOS管的源极接地。

2.根据权利要求1所述的跨阻放大器电路，其特征在于，所述跨阻放大器电路的反馈电阻的两端分别接所述第一级NMOS共源极放大器中的第一NMOS管的栅极和所述改进型源极跟随器的输出。

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