CN112073012B

CN112073012B - 一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路及芯片

Info

Publication number: CN112073012B
Application number: CN202010961532.7A
Authority: CN
Inventors: 陈莹梅; 李林; 王蓉
Original assignee: Southeast University; Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Southeast University; Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112073012A

Abstract

本发明公开了一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，通过利用为后级主放大器提供直流偏置的辅助跨阻放大器，将射极相连实现伪差分结构的跨阻放大器。引入射极退化电阻，实现输出直流电压抬高的同时，提高开环增益的线性度，同时对闭环增益的线性度也进行一定的优化。该结构利用辅助跨阻放大器提供一定的增益，将辅助跨阻放大器的反馈电阻降低后，有效抑制辅助跨阻放大器的噪声。辅助跨阻放大器的主次极点与主跨阻放大器的主次极点相同，因此与传统结构相比不改变放大器的等效二阶系统的响应形式。采用PAM4信号调制方式时，该跨阻放大器具有低噪声、高线性、高带宽、高增益和高输出直流电压等特点，经过55nm BiCMOS工艺验证，最大工作速率可达56Gbaud/s。

Description

一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路及芯片

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路及芯片。

背景技术

光纤通信在现代通信系统中有着广泛的应用，随着5G时代的到来，光纤通信已成为实现大容量数据传输的关键技术。PAM4信号较NRZ信号相比，在相同带宽下可以实现更高速率的数据传输，然而PAM4信号对线性度、噪声等指标的要求更加严格。

光纤通信系统包含发射机系统和接收机系统，接收机中的前端放大器的性能决定了整个接收机的性能，前端放大器一般采用跨阻放大器结构，现有的跨阻放大器结构往往存在线性度差的缺点，同时在高速率的情况下，难以实现高增益和低噪声的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路及芯片，通过伪差分结构的跨阻放大器实现高输出电压，同时提高线性度和增益，并实现低噪声的性能。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，包括四只NPN双极型晶体管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，三只MOS管M₁、M₂、M₃，六只电阻R_S、R_C、R_F、R_S1、R_C1、R_F1，四只电感L、L_OUT、L₁、L_OUT1和一只光电二极管PD，电路中的电流源I_in和C_PD为PD的等效模型；该跨阻放大器包括主放大跨阻放大器和辅助跨阻放大器两个模块。

主放大跨阻放大器结构如下：晶体管Q₁的基极接来自光电二极管PD输入电流I_in，集电极通过电阻R_S和电感L串联与电源电压VDD连接，发射极通过电阻R_C与地GND连接；晶体管Q₂为Q₁主放大管的射随器，基极接Q₁的集电极，集电极直接与电源VDD连接，发射极与MOS管电流镜连接，提供电流偏置；反馈电阻R_F跨接在Q₁的基极和Q₂的发射极；电压信号V_OUTP从Q₂的发射极串联电感L_OUT输出。

辅助跨阻放大器结构如下：晶体管Q₃的基极无信号输入接反馈电阻R_F1，集电极通过电阻R_S1和电感L₁串联与电源电压VDD连接，发射极通过电阻R_C1与地GND连接；晶体管Q₄的基极接Q₃的集电极，集电极直接与电源VDD连接，发射极与MOS管电流镜连接，提供电流偏置；反馈电阻R_F1跨接在Q₃的基极和Q₄的发射极，构成电压-电压负反馈；电压信号V_OUTN从Q₄的发射极串联电感L_OUT1输出。再将Q₁和Q₃的发射极相连，即构成伪差分结构。

作为本发明的优选，为了提高线性度并能提供较大的带宽，跨阻放大器等效的二阶系统需满足Butterworth响应，该响应条件下反馈电阻R_F的阻值满足：

其中，A为开环增益；C_tot＝C_PD+C_IN,C_PD为光电二极管的寄生电容，C_IN为跨阻放大器的输入寄生电容；ω_3dB为环路的3dB带宽，A的值根据工艺f_T和电路设计的带宽指标初步估值。

作为本发明的优选，所述电感L和电感L1为开环并联峰化电感，可提供一个零点来提高开环带宽。

作为本发明的优选，所述电感L_OUT和电感L_OUT1为串联峰化电感，因为噪声、增益和带宽是相互折中的关系，该电感在满足系统仍然符合Butterwourh响应时，最大可允许扩展

倍的带宽。

本发明还提供了一种线性伪差分跨阻放大器芯片，该芯片包括伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路。

作为本发明的一种改进，该芯片采用BiCMOS工艺来实现。

该跨阻放大器的工作原理是：

1.跨阻放大器为光接收机前端放大器，功能是将光电二极管产生的电流信号，转化为电压信号。作为前端放大器，提供一定的增益和带宽的同时，还要满足一定的噪声指标。这三者之间存在折中关系。跨阻放大器一般采用反馈结构，因此放大器的增益约等于反馈电阻R_F的值。

2.除了上述增益、带宽、噪声等指标外，设计中要注意输出电压给第二级电路留有裕量。本专利的伪差分电路与传统跨阻放大器相比，在提供相同小信号开环增益时，本发明的R_C电阻值是传统电路的两倍。因此，本发明的跨阻放大器可以在提供相同小信号开环增益时，还能有效抬高输出直流电压。

3.本发明的噪声指标方面与传统跨阻放大器相比也有改善。信号主放大跨阻放大器的噪声计算根据基本热噪声，散弹噪声等分析得出。现主要分析辅助跨阻放大器噪声抑制问题。辅助跨阻放大器的等效输入噪声电流i_TIAD ²可以通过反馈电阻R_F1等效到输出端为噪声电压。由于跨阻放大器后接差分放大器，所以辅助跨阻放大器输出端的噪声电压可等效到主通路跨阻放大器的输出端，再通过反馈电阻R_F等效到输入端。

4.利用反馈的原理可知，主通路跨阻放大器是电压-电流反馈形式，辅助跨阻放大器是电压-电压反馈形式。分别推导出两条通路的传递函数：

跨阻放大器的差分输出信号的传递函数将上述两个公式相减可得到。通过传递函数推导可以发现伪差分结构的主次极点没有发生变化，因此不会影响电路的带宽和线性度。但是，增益却能得到一定程度的提高。

5.利用电感L_OUT和_LOUT1的串联峰化技术，可以在保证线性度的同时，可将带宽扩展

倍；因此，可以将电阻R_F扩大

倍，电阻R_F所贡献的热噪声将大大减小，优化电路的噪声性能。

有益效果：

A)本发明采用伪差分结构，辅助跨阻放大器可以提供一部分增益；

B)两个放大器虽然反馈形式不同，但是主次极点位置相同，伪差分结构等效的二阶系统仍然可以满足Butterworth响应，该响应在满足较好的群延时偏差的同时，还可以提供最大平滑的增益曲线；

C)光接收机系统中跨阻放大器后接主放大器，前级的跨阻放大器需要提供一定的直流电压偏置裕量。本发明引入了射极退化电阻，电路中两个退化电阻为并联形式，与传统的射极退化结构相比，在提供相同的小信号增益的同时，退化电阻可为抬高直流点贡献两倍的阻值，可更有效的提供直流偏置电压；

D)本发明可以通过减小辅助跨阻放大器的反馈电阻，进而抑制辅助跨阻放大器的噪声；

E)利用电感L_OUT和L_OUT1的串联峰化技术，可以在保证线性度的同时，扩展带宽；还可有效的解决了噪声和带宽之间的矛盾问题。

F)经过55nm BiCMOS工艺验证，采用PAM4信号调制方式时，该电路具有低噪声、高线性、高带宽、高增益和高输出电压直流点等特点，工作速率可达56Gbaud/s。

附图说明

图1是本发明中线性伪差分结构跨阻放大器电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本实施例中伪差分结构线性跨阻放大器电路，各元器件的连接方式如下：

晶体管Q₁的基极接输入电流I_in和电阻R_F的第一端，晶体管Q₁的集电极接电阻R_S的第一端和晶体管Q₂的基极，晶体管Q₁的发射极接电阻R_C的第一端；

晶体管Q₂的基极接晶体管Q₁的集电极，集电极接电源VDD，发射极接MOS管M₂的漏极和电感L_OUT的第一端；

晶体管Q₃的基极接电阻R_F1的第一端，晶体管Q₃的集电极接电阻R_S1的第一端和晶体管Q₄的基极，晶体管Q₃的发射极接电阻R_C1的第一端；

晶体管Q₄的基极接晶体管Q₃的集电极，集电极接电源VDD，发射极接MOS管M₃的漏极和电感L_OUT1的第一端；

MOS管M₁的栅极和漏极相接到偏置电流I_bias，MOS管M₁的源极接地；

MOS管M₂的栅极接偏置电流I_bias，MOS管的漏极接晶体管Q₂的发射极，MOS管M₂的源极接地；

MOS管M₃的栅极接偏置电流I_bias，MOS管的漏极接晶体管Q₄的发射极，MOS管M₂的源极接地；

电阻R_S的第一端接晶体管Q₁的集电极，第二端接电感L的第一端；

电阻R_S1的第一端接晶体管Q₃的集电极，第二端接电感L₁的第一端；

电阻R_C的第一端接晶体管Q₁的发射极，第二端接地；

电阻R_C1的第一端接晶体管Q₃的发射极，第二端接地；

电阻R_F的第一端接晶体管Q₁的基极，第二端晶体管Q₂的发射极；

电阻R_F1的第一端接晶体管Q₃的基极，第二端晶体管Q₄的发射极；

电感L的第一端接电阻R_S的第二端，第二端接电源VDD；

电感L₁的第一端接电阻R_S1的第二端，第二端接电源VDD；

电感L_OUT的第一端接晶体管Q₂的发射极和MOS管M₂的漏极，第二端输出电压信号V_OUTP；

电感L_OUT1的第一端接晶体管Q₄的发射极和MOS管M₃的漏极，第二端输出电压信号V_OUTN；

本实施例中跨阻放大器具有线性度好、输出直流电压点高、噪声性能好和增益大等特点，经过55nm BiCMOS工艺验证，采用PAM4调制信号时，工作速率达到56Gbaud/s。该跨阻放大器可以应用于光纤通信系统中，与光电二极管PD管相集成，实现光电集成(OEIC)芯片。

Claims

1.一种伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，其特征在于：包括四只NPN双极型晶体管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，三只MOS管M₁、M₂、M₃，六只电阻R_S、R_C、R_F、R_S1、R_C1、R_F1，四只电感L、L_OUT、L₁、L_OUT1和一只光电二极管PD；所述的晶体管Q₁的基极接来自光电二极管PD输入电流I_in，集电极通过电阻R_S和电感L串联与电源电压VDD连接，发射极通过电阻R_C与地GND连接；所述的晶体管Q₂基极接Q₁的集电极，集电极直接与电源VDD连接，发射极与MOS管M₂电流镜连接，提供电流偏置；反馈电阻R_F跨接在晶体管Q₁的基极和晶体管Q₂的发射极，构成电压-电流负反馈；电压信号V_OUTP从晶体管Q₂的发射极串联电感L_OUT输出；所述的晶体管Q₃的基极无信号输入接反馈电阻R_F1，集电极通过电阻R_S1和电感L₁串联与电源电压VDD连接，发射极通过电阻R_C1与地GND连接；所述的晶体管Q₄的基极接晶体管Q₃的集电极，集电极直接与电源VDD连接，发射极与MOS管M₃电流镜连接，提供电流偏置；反馈电阻R_F1跨接在Q₃的基极和Q₄的发射极，构成电压-电压负反馈；电压信号V_OUTN从Q₄的发射极串联电感L_OUT1输出；所述的Q₁和Q₃的发射极相连，构成伪差分结构。

2.根据权利要求1所述的伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，其特征在于：所述反馈电阻R_F的阻值满足Butterworth响应：

其中，A为开环增益；C_tot＝C_PD+C_IN，C_PD为光电二极管的寄生电容，C_IN为跨阻放大器的输入寄生电容；ω_3dB为环路的3dB带宽。

3.根据权利要求1所述的伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，其特征在于：所述电感L和电感L₁为开环并联峰化电感，可提供一个零点来提高开环带宽。

4.根据权利要求1所述的伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路，其特征在于，所述电感L_OUT和电感L_OUT1为串联峰化电感，该电感在满足系统仍然符合Butterwourh响应时，最大可允许扩展

倍的带宽。

5.一种线性伪差分结构跨阻放大器芯片，其特征在于：包括如权利要求1-4中任意一项所述的伪差分结构低噪声高线性跨阻放大器电路。

6.根据权利要求5所述的线性伪差分结构跨阻放大器芯片，其特征在于：该芯片采用BiCMOS工艺实现。