CN112039452B

CN112039452B - 一种宽带跨阻放大器

Info

Publication number: CN112039452B
Application number: CN202010926576.6A
Authority: CN
Inventors: 张有润; 杨锐; 赵乙蔷; 甄少伟; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: CN112039452A

Abstract

一种宽带跨阻放大器，包括第一级差分放大器、第二级共基放大器、偏置模块、反馈电阻和滤波电容，偏置模块用于提供偏置；第二级共基放大器与第一级差分放大器直接耦合构成整体运放，利用共基级高频特性好的特点实现高开环增益，在不增加电路复杂度的同时实现了跨阻放大器更高的带宽范围；同时针对采用共基级耦合带来的等效输入阻抗小、拉低第一级负载电阻的问题，第一级差分放大器的输入管采用达林顿管结构，从而有效提高电流输入对管的电流增益，在一定程度上缓解了第一级运放开环增益不足的问题。反馈电阻接在跨阻放大器的输入端和输出端之间用于提供跨阻增益，滤波电容用于稳定基准电压，一些实施例中还设置了输入过流保护模块以保护整体电路。

Description

一种宽带跨阻放大器

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种宽带跨阻放大器。

背景技术

跨阻放大器(TIA)是光接收芯片中极其重要的组成部分，通常作为前置放大器用以将微弱光电流放大并转化为电压信号以方便后级电路进行处理。而光接收芯片通常应用于光通信领域(如光电耦合器中的光接收模块)，随着现代高速光通信的发展，要实现高速光通信中的高速信号传输必然要求光接收芯片有着更高的光电转换速率，本质上便是需要更大带宽的跨阻放大器，如何设计出大带宽的跨阻放大器便成为一个重要的研究方向。

目前跨阻放大器大多采用并联-并联负反馈的拓扑结构，其组成如图1所示。由运算放大器A提供开环增益，由反馈电阻Rf将输入电流转换为电压信号，提供跨阻增益。这种结构等效于设计性能优异的运算放大器A，只要保证运算放大器A的高增益、高带宽、低噪声便能在一定程度上保证整体跨阻放大器的高带宽、低噪声。在开环增益足够的情况下，跨阻增益仅由反馈电阻Rf的值确定。

传统应用于并联-并联负反馈跨阻放大器的电压运算放大器，大多为差分级、共源级(共射级)、Cascade(共源共栅)结构等直接级联构成，因为需要较大的开环增益来实现较大的闭环带宽，因此多级运放是无法避免的。以图3示例传统运放结构下的跨阻放大器，采用传统运放结构的跨阻放大器中包括反馈电阻Rf、由三极管Q11、Q12和电阻R7、R8构成的第一级结构，以及由三极管Q13和电阻R9、R10构成的第二级结构。参考图4表示共射级寄生节点电容，显然在第一级和第二级的直接耦合点a处存在较大的节点电容，并且由于是从基极端进行信号输入，节点a的电阻将是一个较大值，即节点a是一个大阻抗节点。这等同于跨阻放大器中运算放大器A的寄生主极点P_A位于较低频率处。而对整个跨阻放大器系统而言，P_A等同于跨阻放大器系统的次极点(跨阻放大器系统主极点由输入节点中光电二极管的寄生电容和反馈电阻值共同确定，一般远低于运算放大器A内部的寄生极点)，如果次极点频率过低，将严重降低系统的闭环带宽，并且可能带来稳定性问题。具体可参考图5所示幅频曲线，在环路单位增益带宽(GWB)之内，引入次极点P_A导致增益以更大幅度降低，严重减小了GBW的值，从而降低闭环系统带宽。

发明内容

针对上述采用传统电压运放结构的跨阻放大器由于寄生主极点过低，导致降低开环单位增益带宽GBW的问题，本发明提出一种宽带跨阻放大器，第二级采用共基电路与第一级进行级联，在不过度增加电路复杂度的同时，有效提高了运放寄生主极点的位置，增加了跨阻放大器系统带宽；同时将第一级输入管替代为达林顿管从而增加输入管电流放大倍数，有效克服了共基级输入电阻过小而降低第一级增益的问题。

本发明的技术方案为：

一种宽带跨阻放大器，包括第一级差分放大器、第二级共基放大器、偏置模块、反馈电阻和滤波电容，

所述偏置模块用于为所述第一级差分放大器和第二级共基放大器提供偏置；

第一级差分放大器包括第一NPN型三极管、第二NPN型三极管、第三NPN型三极管、第四NPN型三极管、第一电阻和第五电阻，

第二NPN型三极管的基极作为所述宽带跨阻放大器的输入端，其发射极连接第一NPN型三极管的基极，其集电极连接第一NPN型三极管的集电极和第五电阻的一端并作为所述第一级差分放大器的输出端；

第四NPN型三极管的基极连接基准电压并通过所述滤波电容后接地，其发射极连接第三NPN型三极管的基极，其集电极连接第三NPN型三极管的集电极和第五电阻的另一端并连接电源电压；

第一电阻一端连接第一NPN型三极管的发射极和第三NPN型三极管的发射极，另一端接地；

所述第二级共基放大器包括第二电阻、第一PNP型三极管和第五NPN型三极管，

第一PNP型三极管的发射极连接所述第一级差分放大器的输出端，其集电极连接第五NPN型三极管的基极和集电极，其基极连接偏置电压；

第二电阻一端连接第五NPN型三极管的发射极并作为所述宽带跨阻放大器的输出端，另一端接地；

反馈电阻接在所述宽带跨阻放大器的输入端和输出端之间。

具体的，所述偏置模块包括第六NPN型三极管、第七NPN型三极管、第八NPN型三极管、第三电阻、第四电阻和第六电阻，

第八NPN型三极管的基极和集电极连接第七NPN型三极管的基极以及基准电流并产生所述基准电压连接至第四NPN型三极管的基极，其发射极通过第四电阻后接地；

第七NPN型三极管的集电极连接第六NPN型三极管的基极和集电极并产生所述偏置电压连接至第一PNP型三极管的基极，其发射极通过第三电阻后接地；

第六电阻接在第六NPN型三极管的发射极和电源电压之间。

具体的，所述宽带跨阻放大器还包括输入过流保护模块，所述输入过流保护模块包括第九NPN型三极管，第九NPN型三极管的基极连接第四NPN型三极管的基极，其发射极连接所述宽带跨阻放大器的输出端，其集电极接地。

本发明的有益效果为：本发明将共基级与第一级差分放大器直接耦合，提高了跨阻放大器的高频特性，在不增加电路复杂度的同时实现了跨阻放大器更高的带宽范围；同时将第一级差分放大器的输入管替代为达林顿管，增加输入管电流放大倍数，从而有效克服了共基级输入电阻过小而降低第一级增益的问题；另外设置了输入过流保护模块，提升电路稳定性和安全性。

附图说明

图1为并联-并联负反馈跨阻放大器拓扑结构示意图。

图2为跨阻放大器系统断环分析原理图。

图3为采用传统级联运放的跨阻放大器示意图。

图4为共射极电路寄生结电容示意图。

图5为传统跨阻放大器结构与本发明提出的一种宽带跨阻放大器的幅频特性曲线对比示意图。

图6为本发明提出的一种宽带跨阻放大器在实施例中的结构示意图。

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。

本发明提出一种宽带跨阻放大器，包括第一级差分放大器、第二级共基放大器、偏置模块、反馈电阻Rf和滤波电容C1，其中第一级差分放大器和第二级共基放大器构成了宽带跨阻放大器中的运放，第一级差分放大器作为输入级，如图6所示，包括第一NPN型三极管Q1、第二NPN型三极管Q2、第三NPN型三极管Q3、第四NPN型三极管Q4、第一电阻R1和第五电阻R5，第二NPN型三极管Q2的基极作为宽带跨阻放大器的输入端连接输入信号PD_in，其发射极连接第一NPN型三极管Q1的基极，其集电极连接第一NPN型三极管Q1的集电极和第五电阻R5的一端并作为第一级差分放大器的输出端即节点a；第四NPN型三极管Q4的基极连接基准电压Vref并通过滤波电容C1后接地GND，其发射极连接第三NPN型三极管Q3的基极，其集电极连接第三NPN型三极管Q3的集电极和第五电阻R5的另一端并连接电源电压VDD；第一电阻R1一端连接第一NPN型三极管Q1的发射极和第三NPN型三极管Q3的发射极，另一端接地GND。

第二级共基放大器用于提供额外开环增益，如图6所示，包括第二电阻R2、第一PNP型三极管Q5和第五NPN型三极管Q6，第一PNP型三极管Q5的发射极连接第一级差分放大器的输出端，其集电极连接第五NPN型三极管的基极和集电极，其基极连接偏置电压；第二电阻R2一端连接第五NPN型三极管的发射极并作为宽带跨阻放大器的输出端OUT，另一端接地GND。

偏置模块用于为运放提供所需偏置，包括偏置电流、偏置电压等，如图6所示是偏置模块的一种实现结构示意图，包括第六NPN型三极管Q7、第七NPN型三极管Q8、第八NPN型三极管Q9、第三电阻R3、第四电阻R4和第六电阻R6，第八NPN型三极管Q9的基极和集电极连接第七NPN型三极管Q8的基极以及基准电流Iref并产生基准电压Vref连接至第四NPN型三极管Q4的基极，其发射极通过第四电阻R4后接地GND；第七NPN型三极管Q8的集电极连接第六NPN型三极管Q7的基极和集电极并产生偏置电压连接至第一PNP型三极管Q5的基极，其发射极通过第三电阻R3后接地GND；第六电阻R6接在第六NPN型三极管Q7的发射极和电源电压VDD之间。

反馈电阻Rf接在跨阻放大器的输入端和输出端之间用于提供跨阻增益，滤波电容C1用于稳定基准电压Vref。一些实施例中还设置了输入过流保护模块以保护整体电路，如图6所示，过流保护模块包括第九NPN型三极管Q10，第九NPN型三极管Q10的基极连接第四NPN型三极管Q4的基极，其发射极连接宽带跨阻放大器的输出端，其集电极接地GND。

本发明将两级放大器直接耦合，带来了极好的高频特性；第二级共基放大器中的共基结构通常作为单级放大器使用，很少会将其直接与其他运放级联，因为这样做会降低与其级联的第一级运放的输出电阻，从而降低整体运放增益，达不到整体运放高增益的需求。而本发明中利用共基级的高频特性好的特点，将其应用于跨阻放大器中与第一级差分放大器级联构成整体运放，实现了高开环增益，满足大带宽需要。同时针对输入电阻小的问题，本发明将第一级差分放大器中的输入管采用达林顿结构来解决这一问题，差分输入对管采用复合管能够提高整体开环增益。因此本发明既利用了共基级高频特性好的优点以实现大带宽，同时也有效地避免了其会降低第一级运放输出电阻的缺点。

本发明的工作原理为：

本发明提出的跨阻放大器整体系统采用并联-并联负反馈拓扑结构，由电压运放A提供开环增益。运放A由单端输入单端输出的差分级与共基级直接耦合而成，其中单端输入是指差分对结构中，仅将第二NPN型三极管Q2基极连接的输入信号PD_in作为小信号输入，第四NPN型三极管Q4保持共模电平不变，而单端输出是指仅将第一NPN型三极管Q1的支路作输出支路。反馈电阻Rf将输入光电流转化为电压信号得到跨阻增益，且在开环增益足够大的时候，跨阻仅由反馈电阻Rf的电阻值决定。跨阻放大器系统环路中，主次极点的位置极大影响了系统的闭环带宽，其中主极点由输入节点光电二极管寄生结电容Cd与反馈电阻Rf确定，而系统次极点则由运算放大器内部的主极点P_A确定。由于环路极点对幅频曲线带来的是20dB/dec的下降，因此在经跨阻放大器次极点P_A后，增益曲线将是40dB/dec的下降速率，对于存在GBW之内的次极点来说，这将严重影响带宽与稳定性。本发明的核心思想便是通过级联共基级，有效降级两级运放直接耦合处的节点寄生电容与寄生电阻，使得运放主极点推至更高频率处，位于GBW之外，从而减小对整体带宽的衰减效果。而为了应对共基级等效输入阻抗小，拉低第一级负载电阻的负面影响，将第一级差分放大器的差分输入对管采用达林顿结构，这样有效提高电流输入对管的电流增益β，在一定程度上缓解了第一级运放开环增益不足的问题。

下面结合上述原理介绍，推导本发明提出的跨阻放大器拓扑结构的传输函数。

图2为我们所需研究的环路系统，假设运放为单极点系统，且主极点为P_A，断环分析，根据节点KCL(基尔霍夫电流定律)方程：

环路传输函数为：

显然本发明提出的跨阻放大器系统存在2个极点，主极点P₁为

次极点为

对环路来讲，GBW越大，闭环系统带宽越大。参考图5，整个跨阻放大器闭环系统的主极点P₁受限于光电二极管的寄生电容C_d以及跨阻值R_f，输入光电二极管的寄生电容一般是无法改变的，对要求固定增益的跨阻放大器来讲，R_f也是无法减小的。因此传统运放的寄生主极点(也就是闭环系统的次极点)P_A1的大小严重影响GBW的值。传统运放寄生极点P_A1通常容易处于图5所示实线情况，本发明则注重于通过合理电路调整将本发明运放的主极点(闭环系统次极点)P_A2调至虚线所示情况，显然有效提高是GBW从而增加跨阻放大器系统带宽。

图4表示了普通三极管寄生结电容的存在位置。显然若采用传统基极输入的级联形式，电容C_be、C_bc都将耦合进小信号通路，并且输入电阻也是一较大值。这意味着在图3的节点a处存在着大电容、大电阻，节点a将是一高阻抗节点。此时寄生极点P_A1表示如下式：

其中R_in为共基极的等效输入电阻，由于寄生电容的存在，寄生极点将处于较低频率，严重减小了GBW。

而本发明采用共基级耦合，电压信号从集电极输入，发射极输出，同时第一PNP三极管Q5基极外接电压偏置以保证晶体管处于放大区，如图6所示。此时a点的寄生电容将处于一个极小值(设为C_a)，并且节点a的输入电阻表示为式(5)，此时该运放主极点(不考虑输出极点)P_A2为式(6)所示

其中r_be6为第五NPN型三极管Q6的小信号电阻，β₆为第五NPN型三极管Q6的电流增益，显然P_A2远远大于P_A1的频率，幅频曲线将处于图4虚线所示状态，对提升GBW有显著效果。

如图6所示，本发明提出的跨阻放大器结构存在一个问题，即共基极输入电阻极小，等效降低了差分级的负载电阻，使得第一级电压运放增益降低，若是开环增益降低，同样会降低GBW的值。图6所示单入单出的差分运放增益简单表示为式(7)：

此处R_L等同于式(5)(即差分级的负载电阻)，r_be-all表示第二NPN型三极管Q2基极至第一NPN型三极管Q1发射级的等效小信号电阻。可见第五电阻R₅并联一小电阻后，整体电阻降低。为了解决这一问题，本发明采用达林顿管作为输入管，此时对于式(7)，总的电流增益如下式所示：

β_all＝β₁*β₂ (8)

其中β₁为第一NPN型三极管Q1的电流放大倍数，β₂为第二NPN型三极管Q2的电流放大倍数。因此，本发明通过采用极大的电流增益在一定程度上弥补了负载电阻降低的问题，整体上维持较大开增益A，不会对GBW带来额外的负面影响。

综上所述，本发明将共基级直接与差分级耦合，有效避免了三极管发射结、集电结寄生结电容的引入，相比传统共射电路级联实现开环增益的结构而言，降低了共基级输入节点的节点电容和节点电阻，从而提高了跨阻放大器的高频特性，实现高开环增益，满足大带宽需要；同时针对级联共基级而引入的输入电阻小的问题，将第一级差分放大器中的输入管采用达林顿结构，不仅降低单三极管的基极漏电优化了噪声特性，而且由于复合管极高的电流增益β，使得差分运放拥有很高的增益，这在一定程度上解决了共基级电路输入电阻低导致的拉低差分级电压增益的问题，让整体开环增益能够保持一个合理值。因此本发明的电路在不增加电路复杂度的同时，推高运放内部寄生主极点位置，并且维持原有开环增益，大大提高跨阻放大器带宽，与传统电路需要增加开环增益牺牲稳定性以提高带宽的做法相比更具优势。

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和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种宽带跨阻放大器，其特征在于，包括第一级差分放大器、第二级共基放大器、偏置模块、反馈电阻和滤波电容，

反馈电阻接在所述宽带跨阻放大器的输入端和输出端之间。

2.根据权利要求1所述的宽带跨阻放大器，其特征在于，所述偏置模块包括第六NPN型三极管、第七NPN型三极管、第八NPN型三极管、第三电阻、第四电阻和第六电阻，

第六电阻接在第六NPN型三极管的发射极和电源电压之间。

3.根据权利要求1或2所述的宽带跨阻放大器，其特征在于，所述宽带跨阻放大器还包括输入过流保护模块，所述输入过流保护模块包括第九NPN型三极管，第九NPN型三极管的基极连接第四NPN型三极管的基极，其发射极连接所述宽带跨阻放大器的输出端，其集电极接地。