CN112202410B - 双环路跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种双环路跨阻放大器，包括：电流信号输入端；放大器组，连接所述电流信号输入端，包括依次相连第一级放大器和第二级放大器；反馈电阻，其两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成电阻负反馈环路；反馈电容，其一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成电容正反馈环路，其与电阻负反馈环路共享第一级放大器，构成嵌套式双环路跨阻放大器。

Description

双环路跨阻放大器
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种双环路跨阻放大器，用于光电信号前端信号处理。
背景技术
跨阻放大器广泛应用于光电探测领域，具体应用行业包括光纤通信、激光测距、激光制导等，其功能为微弱光电信号的检测及放大处理。跨阻放大器主要两种结构：电阻反馈型跨阻放大器和调节共栅型跨阻放大器。电阻反馈型跨阻放大器可以实现较低噪声，但其带宽、噪声等参数对输入寄生参数较为敏感，电路通用性较低，且带宽严格受限；调节共栅型跨阻放大器对输入寄生参数的影响不敏感，通用性较高，但共栅型结构的引入恶化了噪声。
由此，如何解决上述问题是一个亟需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种双环路跨阻放大器，以缓解现有技术中跨阻放大器带宽噪声等参数受限，且对电路输入寄生参数较敏感等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种双环路跨阻放大器，包括：电流信号输入端；放大器组，连接所述电流信号输入端，包括依次相连第一级放大器和第二级放大器；反馈电阻，其两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成电阻负反馈环路；反馈电容，其一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成电容正反馈环路，其与电阻负反馈环路共享第一级放大器，构成嵌套式双环路跨阻放大器。
在本公开实施例中，所述第一级放大器或第二级放大器为MOS管和/或三极管与电阻、电容、电感中任意一个或多个的组合。
在本公开实施例中，所述第一级放大器或第二级放大器采用单端或差分结构。
在本公开实施例中，所述反馈电阻类型包括固定电阻，可变电阻，数控电阻。
在本公开实施例中，所述的双环路跨阻放大器，包括2个反馈电阻，每个反馈电阻的两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成差分结构的电阻负反馈环路。
在本公开实施例中，所述的双环路跨阻放大器，包括2个反馈电容，每个反馈电容的一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成差分结构的电容正反馈环路。
在本公开实施例中，电容正反馈环路中放大器组等效增益：
G0＝G1G2；
其中，G1为电阻负反馈环路中第一级放大器增益，G2为电容正反馈环路中第二级放大器增益。
在本公开实施例中，电容正反馈环路中反馈电容Cf根据米勒效应可以等效为电流输入端和电压输出端两个等效电容，其中：
CIIP≈-G0Cf；
CVOP≈Cf；
双环路跨阻放大器带宽公式；
其中，Rf为反馈电阻值，Cp为输入节点寄生电容，CIIP为反馈电容Cf在输入节点的米勒效应等效电容。
在本公开实施例中，所述的双环路跨阻放大器，其等效输入噪声公式：
其中，为双环路跨阻放大器的等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，ω为角频率；T为温度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开双环路跨阻放大器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可以显著提高跨阻放大器带宽指标；
(2)可以显著降低跨阻放大器带宽指标对输入寄生参数敏感性；
(3)可以在同等带宽下显著提高跨阻放大器增益指标；
(4)可以显著降低跨阻放大器等效输入噪声水平；
(5)可以显著降低跨阻放大器噪声指标对输入寄生参数敏感性；
(6)在不改变跨阻电路基本架构情况下，能够以极小的电路改进达成显著的性能指标提升。
附图说明
图1为本公开实施例双环路跨阻放大器的组成结构示意图。
图2为本公开实施例双环路跨阻放大器的电路结构示意图。
图3为本公开实施例双环路跨阻放大器中电容正反馈环路米勒效应原理示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
IIP-正向电流输入端；
IIN-负向电流输入端；
VOP-正向电压输出端；
VON-负向电压输出端；
loop1a、loop1b-电阻负反馈环路；
loop2a、loop2b-电容正反馈环路；
M1a、M1b、M2a、M2b-MOS管；
R1a、R1b、R2a、R2b-负载电阻；
RFa、RFb-反馈电阻；
CFa、CFb-反馈电容。
具体实施方式
本公开提供了一种双环路跨阻放大器，其在传统的电阻反馈跨阻放大器中引入电容正反馈环路，两个反馈环路相互嵌套，电容正反馈环路与电阻反馈环路共享前级放大器，电容正反馈环路增加后级放大器，使得本申请的双环路跨阻放大器具有高带宽、低噪声、低寄生灵敏度等优势。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种双环路跨阻放大器，结合图1至图2所示，所述双环路跨阻放大器，包括：
电流信号输入端；
放大器组，包括依次相连第一级放大器和第二级放大器；
反馈电阻，其两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成电阻负反馈环路；
反馈电容，其一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成电容正反馈环路，其与电阻负反馈环路共享第一级放大器，构成嵌套式双环路跨阻放大器。
在本公开实施例中，如图1和图2所示，放大器组中，第一级放大器或第二级放大器包括MOS管与负载电阻；例如第一级放大器A1可以采用差分结构，MOS管M1a与负载电阻R1a为一组，MOS管M1b与负载电阻R1b为一组。例如第二级放大器A2可以采用差分结构，MOS管M2a与负载电阻R2a为一组，MOS管M2b与负载电阻R2b为一组，IB为偏置电流。上述放大器组中放大器的数量、MOS管与负载电阻的数量仅是示例型说明，本公开并不以此为限。例如放大器A1与A2可以采用单端或者差分等结构；放大器A1与A2可以采用全差分或者伪差分等结构；放大器A1与A2可以采用单级或者多级等结构；放大器A1与A2可以采用固定增益，可变增益，数控增益等结构。
在本公开实施例中，电阻负反馈环路包括，第一级放大器A1与反馈电阻RF；如图1和图2所示，例如电阻负反馈环路可以采用差分结构，其包括电阻负反馈环路Loop1a，由M1a、R1a、RFa构成；电阻负反馈环路Loop1b，由M1b、R1b、RFb构成。反馈电阻RF的取值依据系统设计的增益需求，反馈电容CF的取值依据系统设计的带宽需求，本公开不以此为限，例如反馈电阻RF可采用固定电阻，可变电阻，数控电阻等结构；反馈电容CF可采用固定电容，可变电容，数控电容等结构。
在本公开实施例中，电容正反馈环路包括第一级放大器A1、第二级放大器A2以及反馈电容CF；如图1和图2所示，例如电容正反馈环路可以采用差分结构，其包括电容正反馈环路Loop2a，由M1a、R1a、M2a、R2a构成，电容正反馈环路Loop2b，由M1b、R1b、M2b与R2b构成。
在本公开实施例中，电阻负反馈环路使用第一级放大器A1，电容正反馈环路同时共享使用第一级放大器A1，同时也使用第二级放大器，形成嵌套式双环路，使得整体环路增益更高。
嵌套式双环路跨阻放大器的电容正反馈环路构成米勒效应，如图3所示，其中G0为电容正反馈环路中放大器组等效增益：
G0＝G1G2＝gm1R1gm2R2；
其中，G1为电阻负反馈环路中第一级放大器增益，G2为电容正反馈环路中第二级放大器增益，gm1为第一级放大器中MOS管跨导，R1为第一级放大器中负载电阻，gm2为第二级放大器中MOS管跨导，R2为第二级放大器中负载电阻。
电容正反馈环路中反馈电容Cf根据米勒效应可以等效为电流输入端和电压输出端两个等效电容，其中：
CIIP≈-G0Cf；
CVOP≈Cf；
双环路跨阻放大器带宽公式；
其中，Rf为反馈电阻值，Cp为输入节点寄生电容，CIIP为反馈电容Cf在输入节点的米勒效应等效电容。
双环路跨阻放大器等效输入噪声公式：
其中，为双环路跨阻放大器的等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，ω为角频率；T为温度。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开双环路跨阻放大器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种双环路跨阻放大器，其可以显著提高跨阻放大器带宽指标，降低跨阻放大器带宽指标、噪声指标对输入寄生参数敏感性，在同等带宽下显著提高跨阻放大器增益指标；显著降低跨阻放大器等效输入噪声水平；在不改变跨阻电路基本架构情况下，能够以极低的电路改进达成显著的性能指标提升。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双环路跨阻放大器，包括：
电流信号输入端；
放大器组，连接所述电流信号输入端，包括依次相连第一级放大器和第二级放大器；
反馈电阻，其两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成电阻负反馈环路；
反馈电容，其一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成电容正反馈环路，其与电阻负反馈环路共享第一级放大器，构成嵌套式双环路跨阻放大器。
2.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，所述第一级放大器或第二级放大器为MOS管和/或三极管与电阻、电容、电感中任意一个或多个的组合。
3.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，所述第一级放大器或第二级放大器采用单端或差分结构。
4.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，所述反馈电阻类型包括固定电阻，可变电阻，数控电阻。
5.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，包括2个反馈电阻，每个反馈电阻的两端分别连接所述第一级放大器的输入端和输出端，形成差分结构的电阻负反馈环路。
6.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，包括2个反馈电容，每个反馈电容的一端连接所述第二级放大器的输出端后连接至双环路跨阻放大器的电压信号输出端，另一端连接所述第一级放大器的输入端，形成差分结构的电容正反馈环路。
7.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，电容正反馈环路中放大器组等效增益：
G0＝G1G2；
其中，G1为电阻负反馈环路中第一级放大器增益，G2为电容正反馈环路中第二级放大器增益。
8.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，电容正反馈环路中反馈电容Cf根据米勒效应可以等效为电流输入端和电压输出端两个等效电容，其中：
CIIP≈-G0Cf；
CVOP≈Cf；
双环路跨阻放大器带宽公式；
其中，Rf为反馈电阻值，Cp为输入节点寄生电容，CIIP为反馈电容Cf在输入节点的米勒效应等效电容。
9.根据权利要求1所述的双环路跨阻放大器，其等效输入噪声公式：
其中，为双环路跨阻放大器的等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，ω为角频率；T为温度。
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