CN110557099A - 基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器 - Google Patents

基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器 Download PDF

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Abstract

一种基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，包括有依次串联连接的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第三主放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4，第一主放大器GCH(s)1的输入端构成限幅放大器的输入端连接输入信号Vin，第四主放大器GCH(s)4的输出端构成限幅放大器的信号输出端Vout，第一主放大器GCH(s)1的输入端与第二主放大器GCH(s)2的输出端之间设置第一反馈放大器Gf(s)1，第二主放大器GCH(s)2的输入端与第三主放大器GCH(s)3的输出端之间设置第二反馈放大器Gf(s)2，第三主放大器GCH(s)3的输入端与第四主放大器GCH(s)4的输出端之间设置第三反馈放大器Gf(s)3。本发明将电路的零点分离，消除有源反馈带来的增益峰化，提升信号传输质量。

Description

基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器
技术领域
本发明涉及一种限幅放大器。特别是涉及一种基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器。
背景技术
随着大数据时代的来临，人类社会对网络带宽和数据流量的需求呈现指数性增长。由于趋肤效应的存在，传统以铜芯电缆为介质的电互连传输方式在传输高速数据时，会出现严重的损耗和串扰，不能满足信息时代数据传输量和传输速率的需求。而以光为传输载体，光纤为传输介质的光互连模式可以摆脱趋肤效应束缚，具有损耗低、串扰小以及带宽高等优势，必定是未来数据传输的主要方式。
光接收机作为光互连系统的核心模块之一，自然成为硅基光电子的研究热点方向。与此同时，随着半导体工艺进入深亚微米时代，CMOS工艺的最小尺寸不断缩减，特征频率逐渐增加，与BiCMOS工艺相比具有集成度高、功耗小和成本低等优点，是目前高速光接收机模拟前端放大电路设计中常用的工艺，也是未来发展的方向。
跨阻放大器对光电探测器的输出光电流进行转化和放大，是光接收机系统的第一级，限幅放大器通常位于跨阻放大器后端。限幅放大器不仅要对跨阻放大器的输出波形进行整形，还需要对输入信号进行进一步的放大，目前低供电电压条件下，单级放大器的增益通常只有几dB，要实现较大的增益势必会采用多级级联，但多级级联会导致放大器带宽快速下降，因此目前限幅放大器设计的难点和重点都在带宽的提升上总的来说目前基于CMOS工艺的传统RGC结构跨阻放大器面对的主要问题是共源有源反馈结构对输入极点频率提升有限，同时输出极点频率和增益之间难以平衡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够消除级间寄生电容的影响，在保证限幅放大器足够增益的基础上，有效提升带宽的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，包括有依次串联连接的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第三主放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4，其中，第一主放大器GCH(s)1的输入端构成限幅放大器的输入端连接输入信号Vin，第四主放大器GCH(s)4的输出端构成限幅放大器的信号输出端Vout，第一主放大器GCH(s)1的输入端与第二主放大器GCH(s)2的输出端之间设置有第一反馈放大器Gf(s)1，第二主放大器GCH(s)2的输入端与第三主放大器GCH(s)3的输出端之间设置有第二反馈放大器Gf(s)2，第三主放大器GCH(s)3的输入端与第四主放大器GCH(s)4的输出端之间设置有第三反馈放大器Gf(s)3。
所述的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第主三放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4结构相同，均包括有：串联连接的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2，以及连接在所述第一放大器G(s)1的输出端和第二放大器G(s)2的输出端之间的反馈电阻RF。
所述的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2结构相同，均是由第一场效应管M1和漏极电阻RD组成的共源放大器，其中，所述第一场效应管M1的栅极为放大器的输入端，源极接地，漏极为放大器的输出端，所述的漏极通过所述的漏极电阻RD连接电压VDD。
所述的第一反馈放大器Gf(s)1、第二反馈放大器Gf(s)2和第三反馈放大器Gf(s)3结构相同，均是由第二场效应管M2构成，其中，所述第二场效应管M2的栅极为反馈放大器的输入端，源极接地，漏极为反馈放大器的输出端。
本发明的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，将Cherry Hooper结构与交错有源反馈技术相结合，提升带宽的同时，将电路的零点分离，消除传统有源反馈带来的增益峰化，提升信号传输质量。具有如下优点：
1、消除带宽级间寄生电容的影响。通过使用Cherry Hooper结构，消除了传统共源放大器直接之间所产生的密勒寄生电容，在实现相同增益的前提下可以获得更高的带宽。
2、提升限幅放大器幅频平坦度，提高信号传输质量。通过交错有源反馈技术，分离传统有源反馈结构重合的零点，在扩展限幅放大器带宽的同时，消除峰化增益，提升系统平坦度。
附图说明
图1是本发明基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器的拓扑结构图；
图2是本发明基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器的电路原理图；
图3是本发明中第一放大器G(s)1或第二放大器G(s)2的电路原理图；
图4是本发明中第一反馈放大器或第二反馈放大器或第三反馈放大器的电路原理图；
图5是两级级联共源放大器电路原理图；
图6是Cherry Hooper结构限幅放大器电路原理图；
图7是增益和带宽随反馈因数变化图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器做出详细说明。
本发明旨在保证限幅放大器增益的前提下，消除级间电容的影响，在提升放大器带宽的同时，克服峰化增益，提升信号传输质量。为此本发明采用放大器G(s)为主放大器，共八级依次进行级联。RF作为反馈电阻，连接偶数级的输入端口和输出端口，八级差分放大器形成四级Cherry Hooper结构放大器，以两倍的电路面积和功耗为代价，消除奇偶级之间的寄生电容，提升限幅放大器的带宽。Gf(s)为反馈放大器，在四级级联Cherry Hooper结构限幅放大器传递函数中引入零点，扩展整体带宽。主放大器G(s)的电路结构如图3所示，场效应管M1和漏极电阻RD组成共源放大器。有源反馈放大器结构与主放大器结构相同，如图4所示，反馈电压信号经输入端Vin作用于三级管M2，输出信号以电流的形式从输出端Vout。
如图1所示，本发明的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，包括有依次串联连接的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第三主放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4，其中，第一主放大器GCH(s)1的输入端构成限幅放大器的输入端连接输入信号Vin，第四主放大器GCH(s)4的输出端构成限幅放大器的信号输出端Vout，第一主放大器GCH(s)1的输入端与第二主放大器GCH(s)2的输出端之间设置有第一反馈放大器Gf(s)1，第二主放大器GCH(s)2的输入端与第三主放大器GCH(s)3的输出端之间设置有第二反馈放大器Gf(s)2，第三主放大器GCH(s)3的输入端与第四主放大器GCH(s)4的输出端之间设置有第三反馈放大器Gf(s)3。
如图2所示，所述的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第主三放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4结构相同，均包括有：串联连接的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2，以及连接在所述第一放大器G(s)1的输出端和第二放大器G(s)2的输出端之间的反馈电阻RF。
本发明采用G(s)为基本的差分放大器，每一级放大器的输入端连接上一级的输出端，共八级级联。相邻奇偶级放大器之间采用反馈电阻RF连接，将八级级联差分放大器转变为四级级联Cherry Hooper放大器，消除了奇偶级放大器的寄生电容，提升了电路的速度。
如图3所示，所述的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2结构相同，均是由第一场效应管M1和漏极电阻RD组成的共源放大器，其中，所述第一场效应管M1的栅极为放大器的输入端，源极接地，漏极为放大器的输出端，所述的漏极通过所述的漏极电阻RD连接电压VDD。
如图4所示，所述的第一反馈放大器Gf(s)1、第二反馈放大器Gf(s)2和第三反馈放大器Gf(s)3结构相同，均是由第二场效应管M2构成，其中，所述第二场效应管M2的栅极为反馈放大器的输入端，源极接地，漏极为反馈放大器的输出端。
本发明的三个交错有源反馈放大器Gf(s)，分别处于第一主放大器GCH(s)1与第二主放大器GCH(s)2，第二主放大器GCH(s)2与第三主放大器GCH(s)3以及第三主放大器GCH(s)3与第四主放大器GCH(s)4输入输出端口之间，可以为系统引入分散的极点，提升系统带宽的同时，消除峰化增益。
本发明的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，采用Cherry Hooper结构，通过反馈电阻，消除级间寄生电容的影响，扩展限幅放大器带宽。同时引入交错有源反馈技术，提升系统幅频响应曲线的平坦度。本发明使用了Cherry Hooper结构放大器作为主放大器，该结构能够解决传统多级级联限幅放大器，带宽急速下降的问题，扩展带宽。传统多级级联限幅放大器的基本单元之间的级间结构如图5所示，第一级共源放大器的增益和带宽可以分别写为：AV＝gm1RD1、ω1＝(RD1Cx)-1，其中Cx为节点X的等效电容，由于密勒效应的存在
第一级共源放大器在节点X的等效电容为
第二级在节点X处产生的等效电容为
而Cx＝Cx1+Cx2，同时为实现高增益，要求场效应管M1、M2的宽长比较大，进一步增大了节点X的等效寄生电容，因此两级级联结构限幅放大器的带宽会受到严重制约，通常的做法是使用源极跟随器限制密勒电容对带宽带来的影响，源极跟随器的带宽很高，但考虑到提效应和沟道长度调制效应，其增益永远小于1，势必会造成增益的下降，与此同时跟随器还消耗了电压裕度，恶化了噪声。
而Cherry Hooper结构限幅放大器，如图6所示，在两级共源级放大器之间引入反馈电阻RF，反馈电阻检测输出电压变化，并通过电流的方式反馈到节点X，这样就在两级共源级放大器之间建立了两条通道，M2和RF。为求Cherry Hooper结构限幅放大器的低频增益，忽略场效应管M1、M2的寄生电容以及沟道长度调制效应，同时将电流源看作理想电源，则M1漏极小信号电流全部流经反馈电阻M1，有
Vout-gm1VinRF＝VX (3)
Vout-gm1VinRF＝VX (4)
同时场效应管M2的漏极小信号电流也一定流经反馈电阻RF，因此，
gm2(Vout-gm1VinRF)＝-gm1Vin (5)
整合三式可得
通常情况下，反馈电阻RF＞＞1/gm2，因此Cherry Hooper结构限幅放大器的低频增益和单级共源反馈放大器的增益相同，甚至更低。但Cherry Hooper结构限幅放大器的优势在于其频率特性，两个节点处的小信号电阻均很小，约为1/gm2，远小于传统差分对级联结构限幅放大器的负载电阻RD，以及共源级反馈电阻RF，而节点电容CX几乎不变，因此CherryHooper结构限幅放大器的带宽较之传统限幅放大器有较大的提升。
本发明在cherryhooper结构的基础上引入了交错有源反馈技术，旨在消除多重反馈引起的峰化增益，提升系统幅频曲线平坦度。Cherryhooper结构消除了级间的密勒电容，但是两级之间的密勒电容并未消除，因此级联型Cherryhooper放大器的主极点应该在输出端，可以将其视为一阶放大器：
如图1所示，而令反馈放大器Gf(s)＝αGCH(s)，根据梅森公式计算可得该限幅放大器的传递函数为，
将式(7)带入式(8)，并对增益和频率均作归一化处理，即A0＝1，ω0＝1可得，
通过MATLAB计算得出结论如图7所示，当反馈因数α为0.4时，该结构的带宽可以扩展到1.35ω0，仅带来约1.3dB的峰化增益。

Claims (4)

1.一种基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，其特征在于，包括有依次串联连接的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第三主放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4，其中，第一主放大器GCH(s)1的输入端构成限幅放大器的输入端连接输入信号Vin，第四主放大器GCH(s)4的输出端构成限幅放大器的信号输出端Vout，第一主放大器GCH(s)1的输入端与第二主放大器GCH(s)2的输出端之间设置有第一反馈放大器Gf(s)1，第二主放大器GCH(s)2的输入端与第三主放大器GCH(s)3的输出端之间设置有第二反馈放大器Gf(s)2，第三主放大器GCH(s)3的输入端与第四主放大器GCH(s)4的输出端之间设置有第三反馈放大器Gf(s)3。
2.根据权利要求1所述的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，其特征在于，所述的第一主放大器GCH(s)1、第二主放大器GCH(s)2、第主三放大器GCH(s)3和第四主放大器GCH(s)4结构相同，均包括有：串联连接的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2，以及连接在所述第一放大器G(s)1的输出端和第二放大器G(s)2的输出端之间的反馈电阻RF。
3.根据权利要求2所述的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，其特征在于，所述的第一放大器G(s)1和第二放大器G(s)2结构相同，均是由第一场效应管M1和漏极电阻RD组成的共源放大器，其中，所述第一场效应管M1的栅极为放大器的输入端，源极接地，漏极为放大器的输出端，所述的漏极通过所述的漏极电阻RD连接电压VDD。
4.根据权利要求1所述的基于Cherry Hooper结构的交错反馈型限幅放大器，其特征在于，所述的第一反馈放大器Gf(s)1、第二反馈放大器Gf(s)2和第三反馈放大器Gf(s)3结构相同，均是由第二场效应管M2构成，其中，所述第二场效应管M2的栅极为反馈放大器的输入端，源极接地，漏极为反馈放大器的输出端。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116094468A (zh) * 2023-04-06 2023-05-09 南京米乐为微电子科技有限公司 一种低噪声放大器以及一种超宽带接收机

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080030266A1 (en) * 2006-07-21 2008-02-07 Mediatek Inc. Limiting amplifiers
JP2009239330A (ja) * 2008-03-25 2009-10-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 振幅制限増幅回路
US20100164618A1 (en) * 2007-12-28 2010-07-01 Esa Tiiliharju Feedback network for cascaded amplifiers
JP2011124711A (ja) * 2009-12-09 2011-06-23 Yokogawa Electric Corp 光受信器
US20130207722A1 (en) * 2012-02-14 2013-08-15 International Business Machines Corporation Peaking amplifier with capacitively-coupled parallel input stages
US20170026007A1 (en) * 2015-02-02 2017-01-26 Skyworks Solutions, Inc. Feedback compensation for multistage amplifiers

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080030266A1 (en) * 2006-07-21 2008-02-07 Mediatek Inc. Limiting amplifiers
US20100164618A1 (en) * 2007-12-28 2010-07-01 Esa Tiiliharju Feedback network for cascaded amplifiers
JP2009239330A (ja) * 2008-03-25 2009-10-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 振幅制限増幅回路
JP2011124711A (ja) * 2009-12-09 2011-06-23 Yokogawa Electric Corp 光受信器
US20130207722A1 (en) * 2012-02-14 2013-08-15 International Business Machines Corporation Peaking amplifier with capacitively-coupled parallel input stages
US20170026007A1 (en) * 2015-02-02 2017-01-26 Skyworks Solutions, Inc. Feedback compensation for multistage amplifiers

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MONIREH MOAYEDI POUR FARD，等: ""1.23-pJ/bit 25-Gb/s Inductor-Less Optical Receiver With Low-Voltage Silicon Photodetector"", 《IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS》 *
黄杏丽，等: ""一种具有温度补偿的宽带CMOS可变增益放大器"", 《固体电子学研究与进展》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116094468A (zh) * 2023-04-06 2023-05-09 南京米乐为微电子科技有限公司 一种低噪声放大器以及一种超宽带接收机
CN116094468B (zh) * 2023-04-06 2023-08-01 南京米乐为微电子科技有限公司 一种低噪声放大器以及一种超宽带接收机

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