CN110635772B - 一种基于cmos工艺的反馈增强型跨阻放大器 - Google Patents

一种基于cmos工艺的反馈增强型跨阻放大器 Download PDF

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Abstract

一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器，第一反馈放大器和第二反馈放大器的偏置电压输入端连接外部偏置电压VBIAS，第一反馈放大器的输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，第一反馈放大器和第一主放大器的信号输入端连接第一输入信号VIN1，第一主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，第二反馈放大器的输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，第二反馈放大器和第二主放大器的信号输入端连接第二输入信号VIN2，第二主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，负电容电路连接第一输出端VOUT1和第二输出端VOUT2。本发明输入端降低跨阻放大器等效输入阻抗，输出端缓解跨阻放大器增益和带宽的矛盾。

Description

一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器
技术领域
本发明涉及一跨阻放大器种。特别是涉及一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器。
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，其增益、噪声、带宽等性能都直接决定着光接收机系统的质量。而光电探测器通常具有较大的结电容，跨阻放大器直接与光电探测器相连，等效输入电阻一定的前提下，光探测器较大的结电容致使输入端时间常数增大，电路的带宽随之降低。
传统的调节型共源共栅(RGC，Regulate Cascode)结构跨阻放大器，在单级共栅放大器输出和输出端之间引入共源放大器作为有源反馈，能够有效的降低输入端等效阻抗，提升跨阻放大器带宽。但是由于密勒电容的存在，共源放大器会在输入端引入电容。而且该密勒电容会随着反馈深度的增加，不断增大，严重限制了跨阻放大器带宽的进一步提升。同时，随着半导体制造技术的不断进步，光电探测器的结电容越来越小，跨阻放大器输入极点逐渐向高频移动，输入、输出极点的主次关系变得模糊，因此输出极点的频率也同样决定着电路的速率。而传统RGC结构跨阻放大器的增益直接由输出阻抗决定，在此情况下，传统RGC结构跨阻放大器增益和带宽的矛盾显得尤为突出。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，提供一种具有带宽高、成本低等优点的基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器，包括有，第一反馈放大器、第一主放大器、负电容电路、第二主放大器和第二反馈放大器，其中，第一反馈放大器和第二反馈放大器的偏置电压输入端均连接外部偏置电压VBIAS，所述第一反馈放大器的输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，所述第一反馈放大器和第一主放大器的信号输入端均连接第一输入信号VIN1，所述第一主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，所述第二反馈放大器的输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，所述第二反馈放大器和第二主放大器的信号输入端均连接第二输入信号VIN2，所述第二主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，所述负电容电路分别连接第一输出端VOUT1和第二输出端VOUT2。
本发明的一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器，引入反馈增强技术，在输入端，采用反馈增强技术提升输入极点频率，将反向器结构放大器作为主放大器的反馈，进一步降低跨阻放大器等效输入阻抗。并在反馈结构中使用Cascode结构，隔离密勒电容，降低反馈放大器对于主放大器输入极点的影响；在输出级引入负电容结构，抵消负载电容的影响，即在输出端使用负电容带宽扩展技术缓解跨阻放大器增益和带宽的矛盾。本发明具有如下优点：
1、反馈深度增强，输入等效阻抗进一步降低。采用反相器作为共栅放大器的反馈放大器，在相同功耗下，能够提供更强的反馈深度。
2、输入端引入的密勒电容减小。通过引入共源共栅结构，将反馈放大器的输出和输入隔离，降低密勒效应的影响，进而减小输入端等效寄生电容。
3、提升输出极点频率，跨阻放大器增益和带宽的矛盾得以缓解。负电容技术的引入可以抵消负载电容的影响，在相同增益的情况下，提升输出极点频率。
附图说明
图1是本发明一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器的电路原理图；
图2是反馈增强型跨阻放大器半边电路结构示意图；
图3是反馈增强型跨阻放大器半边小信号等效电路示意图；
图4是本发明负电容电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器，包括有，第一反馈放大器、第一主放大器、负电容电路、第二主放大器和第二反馈放大器，其中，第一反馈放大器和第二反馈放大器的偏置电压输入端均连接外部偏置电压VBIAS，所述第一反馈放大器的输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，所述第一反馈放大器和第一主放大器的信号输入端均连接第一输入信号VIN1，所述第一主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，所述第二反馈放大器的输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，所述第二反馈放大器和第二主放大器的信号输入端均连接第二输入信号VIN2，所述第二主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，所述负电容电路分别连接第一输出端VOUT1和第二输出端VOUT2。
所述的第一反馈放大器，包括有第五NMOS管M5、第三NMOS管M3和第七P MOS管M7，其中，所述第五NMOS管M5的栅极连接外部偏置电压VBIAS，第五NMOS管M5的源极连接第三NMOS管M3的漏极，第五NMOS管M5的漏极构成偏置电压输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，该漏极还连接第七P MOS管M7的漏极，所述第三NMOS管M3和第七P MOS管M7的栅极连接第一输入信号VIN1，所述第三NMOS管M3的源极接地，所述第七P MOS管M7的源极接电源VDD。
所述的第二反馈放大器，包括有第六NMOS管M6、第四NMOS管M4和第八P MOS管M8，其中，所述第六NMOS管M6的栅极连接外部偏置电压VBIAS，第六NMOS管M6的源极连接第四NMOS管M4的漏极，第六NMOS管M6的漏极构成偏置电压输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，该漏极还连接第八P MOS管M8的漏极，所述第四NMOS管M4和第八P MOS管M8的栅极连接第二输入信号VIN2，所述第四NMOS管M4的源极接地，所述第八P MOS管M8的源极接电源VDD。
所述的第一反馈放大器和所述的第二反馈放大器中，第三NMOS管M3和第七P MOS管M7或第四NMOS管M4和第八P MOS管M8构成反相器型放大器，该放大器为反馈放大器，能够有效降低等效输入阻抗。位于第三NMOS管M3和第五NMOS管M5或第四NMOS管M4和第六NMOS管M6，组成共源共栅结构，隔离输入节点的密勒电容。
所述的第一主放大器，包括有第一NMOS管M1，所述第一NMOS管M1的栅极构成第一主放大器的偏置电压输入端连接第一反馈放大器的偏置电压输出端，所述第一NMOS管M1的源极连接第一输入信号VIN1，该源极还通过第三电流源I3接地，所述第一NMOS管M1的漏极构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，该漏极还分别通过第一电阻R1连接电源VDD，以及连接负电容电路。
所述的第二主放大器，包括有第二NMOS管M2，所述第二NMOS管M2的栅极构成第二主放大器的偏置电压输入端连接第二反馈放大器的偏置电压输出端，所述第二NMOS管M2的源极连接第二输入信号VIN2，该源极还通过第四电流源I4接地，所述第二NMOS管M2的漏极构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，该漏极还分别通过第二电阻R2连接电源VDD，以及连接负电容电路。
所述的第一主放大器和第二主放大器，是由NMOS管和电阻R构成共栅放大器，共栅结构较小的输入电阻能提升输入极点的频率。
所述的负电容电路包括有第九NMOS管M9和第十P MOS管M10，其中，所述第九NMOS管M9的漏极和第十P MOS管M10的栅极连接第一输出端VOUT1，所述第九NMOS管M9的栅极和第十P MOS管M10的漏极连接第二输出端VOUT2，所述第九NMOS管M9和第十P MOS管M10的源极之间连接电容C，所述第九NMOS管M9的源极通过第一电流源I1接地，第十P MOS管M10的源极通过第二电流源I2接地。电容C，通过正反馈形式在输出节点产生负电容，从而抵消输出负载电容的影响，可以提升输出极点频率，进而扩展跨阻放大器带宽。
下面对本发明的一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器进行详尽分析与说明。
A、反馈增强技术
传统的RGC型跨阻放大器使用共源结构放大器作为共栅主放大器的反馈，反馈放大器增益越大，等效输入电阻便会越小。但是由于密勒电容的存在，共源放大器增益越大，必定会在输入端引入更大的密勒电容。为解决这一问题，本发明提出反馈增强技术，单端电路结构如图2所示，采用共源共栅(Cascode)结构反相器作为反馈放大器，反相器中Mn和Mp可以公用漏源电流，因此反相器可以为共栅TIA提供两倍于共源放大器的反馈增益。级联的M2与Mn形成Cascode结构，可以增大反相器的输出电阻，进一步提升反馈增益，同时又可以减少Mn在输入端产生的密勒电容。忽略Mn、Mp栅源电容Cgsn、Cgsp的影响，将PAD电容Cpad，Mn、Mp栅漏电容Cgdn、Cgdp在输出端产生的等效密勒电容以及静态保护寄生电容Cesd的和等效为Cin,equ，根据图2所示新型TIA小信号模型分析可得跨阻增益为：
Figure BDA0002203319860000041
式中：AINV,feed＝(1+(gmn+gmp)(rop||(ro2+(1+gm2ro2)ron)))。上述公式表明，反馈增强型能够为共栅TIA提供相比于传统RGC结构接近两倍的反馈增益,使得输入端等效输入电阻Rin,equ＝1/(AINV,feed·gm1)，输入极点向高频移动，TIA带宽得以拓展。
B、负电容补偿技术
在光接收机系统中，跨阻放大器需要级联限幅放大器，以提升增益，确保输出摆幅能后续数字电路的处理需要。但是后级的寄生电容会给前级造成极大的电容负载，尤其是考虑到密勒效应之后，负载电容将会进一步增大。而负电容补偿技术将电容以正反馈的形式连接到被补偿电容输入端，在两级放大器连接处引入负电容，对负载电容进行补偿，从而将输出极点推向高频，达到扩展带宽的目的。
最基本的负电容补偿结构如图4所示，其中场效应管M1和M2的的栅极和漏极相互交叉连接。不考虑沟道长度调制效应，其等效输出阻抗可以表示为：
Figure BDA0002203319860000042
忽略低频条件下sCGS的影响，上式可以简化为：
Figure BDA0002203319860000043
明显可以看出，负电容结构电路在电路接入端引入了负的容值，可以利用负电容结构的此种特性，将该结构置于跨阻放大器输出之间，可以减小等效负载电容，实现级联电路的带宽扩展，缓解跨阻放大器增益和带宽的矛盾。
本发明的一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器为差分结构，如图1所示，光电探测器产生的电流信号经由输入端VIN1进入第一NMOS管M1的源极以及第三NMOS管M3和第七P MOS管M7的栅极，由于CMOS电路栅极无电流的特性，电流信号全部通过第一NMOS管M1及其漏极电阻R1，并转化为电压信号，由输出端口VOUT1进行信号的输出。同时输入端口VIN1又与第三NMOS管M3和第七P MOS管M7的栅极相接，输出信号经由该反相器放大、反相后，经由第七P MOS管M7和第五NMOS管M5的漏极作用于第一NMOS管M1的栅极，为其提供偏置电压。第五NMOS管M5处于第三NMOS管M3和第七P MOS管M7之间，栅极电压由片外偏置提供，起到隔离密勒电容的作用。与此同时，输出端VOUT1还与第九NMOS管M9漏极以及第十P MOS管M10的栅极相连接，电容C处于第九NMOS管M9和第十P MOS管M10的源极，组成负电容结构。电流源I1、I2、I3、I4为各条之路提供直流偏置。电路左右结构相互对称。

Claims (1)

1.一种基于CMOS工艺的反馈增强型跨阻放大器，其特征在于，包括有，第一反馈放大器、第一主放大器、负电容电路、第二主放大器和第二反馈放大器，其中，第一反馈放大器和第二反馈放大器的偏置电压输入端均连接外部偏置电压VBIAS，所述第一反馈放大器的输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，所述第一反馈放大器和第一主放大器的信号输入端均连接第一输入信号VIN1，所述第一主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，所述第二反馈放大器的输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，所述第二反馈放大器和第二主放大器的信号输入端均连接第二输入信号VIN2，所述第二主放大器的信号输出端构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，所述负电容电路分别连接第一输出端VOUT1和第二输出端VOUT2；
所述的第一反馈放大器，包括有第五NMOS管（M5）、第三NMOS管（M3）和第七P MOS管（M7），其中，所述第五NMOS管（M5）的栅极连接外部偏置电压VBIAS，第五NMOS管（M5）的源极连接第三NMOS管（M3）的漏极，第五NMOS管（M5）的漏极构成偏置电压输出端连接第一主放大器的偏置电压输入端，第五NMOS管（M5）的漏极还连接第七P MOS管（M7）的漏极，所述第三NMOS管（M3）和第七P MOS管（M7）的栅极连接第一输入信号VIN1，所述第三NMOS管（M3）的源极接地，所述第七P MOS管（M7）的源极接电源VDD；
所述的第一主放大器，包括有第一NMOS管（M1），所述第一NMOS管（M1）的栅极构成第一主放大器的偏置电压输入端连接第一反馈放大器的偏置电压输出端，所述第一NMOS管（M1）的源极连接第一输入信号VIN1，该源极还通过第三电流源（I3）接地，所述第一NMOS管（M1）的漏极构成跨阻放大器的第一输出端VOUT1，该漏极还分别通过第一电阻（R1）连接电源VDD，以及连接负电容电路；
所述的第二反馈放大器，包括有第六NMOS管（M6）、第四NMOS管（M4）和第八P MOS管（M8），其中，所述第六NMOS管（M6）的栅极连接外部偏置电压VBIAS，第六NMOS管（M6）的源极连接第四NMOS管（M4）的漏极，第六NMOS管（M6）的漏极构成偏置电压输出端连接第二主放大器的偏置电压输入端，第六NMOS管（M6）的漏极还连接第八P MOS管（M8）的漏极，所述第四NMOS管（M4）和第八P MOS管（M8）的栅极连接第二输入信号VIN2，所述第四NMOS管（M4）的源极接地，所述第八P MOS管（M8）的源极接电源VDD；
所述的第二主放大器，包括有第二NMOS管（M2），所述第二NMOS管（M2）的栅极构成第二主放大器的偏置电压输入端连接第二反馈放大器的偏置电压输出端，所述第二NMOS管（M2）的源极连接第二输入信号VIN2，该源极还通过第四电流源（I4）接地，所述第二NMOS管（M2）的漏极构成跨阻放大器的第二输出端VOUT2，该漏极还分别通过第二电阻（R2）连接电源VDD，以及连接负电容电路；
所述的负电容电路包括有第九NMOS管（M9）和第十P MOS管（M10），其中，所述第九NMOS管（M9）的漏极和第十P MOS管（M10）的栅极连接第一输出端VOUT1，所述第九NMOS管（M9）的栅极和第十P MOS管（M10）的漏极连接第二输出端VOUT2，所述第九NMOS管（M9）和第十P MOS管（M10）的源极之间连接电容（C），所述第九NMOS管（M9）的源极通过第一电流源（I1）接地，第十P MOS管（M10）的源极通过第二电流源（I2）接地。
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