CN113114127B - 具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，一方面在传统电流模CML放大器中加入射极负反馈电阻，拓展带宽并改善线性度；另一方面反向叠加预失真支路，预失真支路预先产生非线性特性，并且与主通路信号相减，来抵消主通路产生的非线性失真，从而改善驱动电路的线性度。其中，预失真支路由两个晶体管、两个尾电流源以及射极负反馈电阻组成。射极负反馈电阻用来减小晶体管基极和发射极之间的信号摆幅，使得输入输出特性具有更好的线性度。该高线性度的大摆幅驱动电路，具有结构简单、带宽高、摆幅大和线性度高的特点；同时芯片采用射极退化电阻和电容来拓展带宽，占用的芯片面积较小，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信系统中高线性度的调制器驱动电路和驱动芯片设计，尤其涉及一种具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，对I/O端口和芯片之间传输速度的要求也大大增加。为了满足不断增长的网络数据流量需求，并降低每比特传输成本，需要采用多进制数据传输技术如PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4)技术来提高速率。在相同的带宽下，PAM4码型信号的数据速率是NRZ信号的两倍，具有更高的传输效率。然而，多幅度调制需要解决PAM4信号非线性失真的难题，由于输入信道的损耗或电-光转换引入的非线性，PAM4信号不同电平的内眼可能具备不同的眼高和眼宽。
在光纤的前端为光发射端，光发射端需要将高速信号经过驱动器电路放大后，驱动光负载发光，转换为高速光信号，通过光纤传送出去。光纤通信系统中发射端驱动电路为了满足高速和远距离传输，一般采用间接调制，驱动器需要满足较大的输出电压摆幅，更易产生非线性失真，从而对驱动电路的线性度提出了更高的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，通过增加少量的元器件实现大信号的线性放大，具有结构简单、易于实现的优势。
技术方案：一种具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，电路具体包括：
晶体管Q1的基极分别与输入电压Vinp和晶体管Q4的基极连接，晶体管Q1的集电极分别与电阻R1的第一端和晶体管Q3的集电极连接，晶体管Q1的发射极分别与MOS管M1的漏极、电阻R3的第一端和电容C1的第一端连接，电阻R3和电容C1相并接；
晶体管Q2的基极分别与输入电压Vinn和晶体管Q3的基极连接，晶体管Q2的集电极分别与电阻R2的第一端和晶体管Q4的集电极连接，晶体管Q2的发射极分别与MOS管M2的漏极、电阻R3的第二端和电容C1的第二端连接；
晶体管Q3的发射极分别与MOS管M3的漏极、电阻R4的第一端和电容C2的第一端连接，电阻R4和电容C2相并接；
晶体管Q4的发射极分别与MOS管M4的漏极、电阻R4的第二端和电容C2的第二端连接；
MOS管M1的栅极分别与直流偏置电压Vbias、MOS管M2、M3、M4的栅极连接，MOS管M1的源极分别与GND地、MOS管M2、M3、M4的源极连接；
电阻R1的第二端和电阻R2的第二端与电源电压VDD连接。
进一步地，晶体管Q1的集电极和晶体管Q3的集电极为输出节点Voutn；晶体管Q2的集电极和晶体管Q4的集电极为输出节点Voutp。
进一步地，电阻R3和电容C1的取值满足：R3C1＝R1CL，其中，CL表示输出节点Voutn和Voutp处的负载电容。
进一步地，电阻R3的取值可调，用于不同程度的非线性预失真。
进一步地，电阻R4的取值可调，用于不同程度的非线性预失真。
进一步地，电容C1和电阻R3并联形成的反馈电路实现预加重功能，拓展了带宽，改善了线性度。设Q1的跨导为gm，分析其左半边电路，放大器的等效跨导为：
其中，表示电容C1和电阻R3反馈电路的并联阻抗，当R3C1＝R1CL，放大器的带宽扩展/>倍。
进一步地，该电路采用BiCMOS工艺实现。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：
(1)本发明在传统CML放大器基础上反向叠加了一条预失真支路，进行大输出摆幅驱动电路的非线性失真补偿，提高了线性度；
(2)射极负反馈电阻可以减小晶体管基极和发射极之间施加的信号摆幅，拓展了带宽，同时使得输入-输出特性具有更好的线性度；
(3)电容C1和电阻R3反馈方式产生一个零点来抵消了主极点，扩展了电路带宽；
(4)该具有预加重和预失真功能的大输出摆幅驱动器电路，采用了简单的电容电阻元件而非电感元件来拓展电路带宽和改善线性度，结构简单且占用芯片面积较少，降低了芯片制造成本。
附图说明
图1为本发明的具体电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，晶体管Q1的基极一方面接输入电压Vinp，另一方面接晶体管Q4的基极，晶体管Q1的集电极一方面接电阻R1的第一端，另一方面接晶体管Q3的集电极，晶体管Q1的发射极一方面接MOS管M1的漏极，另一方面接电阻R3的第一端和电容C1的第一端；
晶体管Q2的基极一方面接输入电压Vinn，另一方面接晶体管Q3的基极，晶体管Q2的集电极一方面接电阻R2的第一端，另一方面接晶体管Q4的集电极，晶体管Q2的发射极一方面接MOS管M2的漏极，另一方面接电阻R3的第二端和电容C1的第二端；
晶体管Q3的基极一方面接输入电压Vinn，另一方面接晶体管Q2的基极，晶体管Q3的集电极一方面接电阻R1的第一端，另一方面接晶体管Q1的集电极，晶体管Q3的发射极一方面接MOS管M3的漏极，另一方面接电阻R4的第一端和电容C2的第一端；
晶体管Q4的基极一方面接输入电压Vinp，另一方面接晶体管Q1的基极，晶体管Q4的集电极一方面接电阻R2的第一端，另一方面接晶体管Q2的集电极，晶体管Q4的发射极一方面接MOS管M4的漏极，另一方面接电阻R4的第二端和电容C2的第二端；
MOS管M1的栅极接直流偏置电压Vbias和MOS管M2、M3、M4的栅极，MOS管M1的漏极接晶体管Q1的发射极、电阻R3和电容C1并联反馈电路的第一端，MOS管M1的源极接地，并且接MOS管M2、M3、M4的源极；
MOS管M2的栅极接直流偏置电压Vbias和MOS管M1、M3、M4的栅极，MOS管M2的漏极接晶体管Q2的发射极、电阻R3和电容C1并联反馈电路的第二端，MOS管M2的源极接地，并且接MOS管M1、M3、M4的源极；
MOS管M3的栅极接直流偏置电压Vbias和MOS管M1、M2、M4的栅极，MOS管M3的漏极接晶体管Q3的发射极、电阻R4和电容C2并联反馈电路的第一端，MOS管M3的源极接地，并且接MOS管M1、M2、M4的源极；
MOS管M4的栅极接直流偏置电压Vbias和MOS管M1、M2、M3的栅极，MOS管M4的漏极接晶体管Q4的发射极、电阻R4和电容C2并联反馈电路的第二端，MOS管M4的源极接地，并且接MOS管M1、M2、M3的源极；
电阻R1的第一端接晶体管Q1的集电极和晶体管Q3的集电极，第二端接电源电压VDD和电阻R2的第二端；
电阻R2的第一端接晶体管Q2的集电极和晶体管Q4的集电极，第二端接电源电压VDD和电阻R1的第二端；
电阻R3的第一端接晶体管Q1的发射极、MOS管M1的漏极、电容C1的第一端，第二端接晶体管Q2的发射极、MOS管M2的漏极、电容C1的第二端；
电阻R4的第一端接晶体管Q3的发射极、MOS管M3的漏极、电容C2的第一端，第二端接晶体管Q4的发射极、MOS管M4的漏极、电容C2的第二端；
电容C1的第一端接晶体管Q1的发射极、MOS管M1的漏极、电阻R3的第一端，第二端接晶体管Q2的发射极、MOS管M2的漏极、电阻R3的第二端；
电容C2的第一端接晶体管Q3的发射极、MOS管M3的漏极、电阻R4的第一端，第二端接晶体管Q4的发射极、MOS管M4的漏极、电阻R4的第二端。
其中，实现预加重功能来拓展带宽，采用电容C1和电阻R3并联形成反馈电路，电阻R3和电容C1的取值满足：R3C1＝R1CL，其中，CL表示驱动器输出节点Voutn和Voutp处的负载电容。晶体管Q1的集电极和晶体管Q3的集电极为输出节点Voutn；晶体管Q2的集电极和晶体管Q4的集电极为输出节点Voutp。
为了改善眼图的非线性失真，采用一条由两个晶体管Q3和Q4、和两个尾电流源M3和M4、以及R4和C2射极负反馈组成的预失真支路进行驱动电路的非线性预失真补偿。电阻R4的取值可以调节，以适应不同程度的非线性失真。
该大输出摆幅驱动电路的工作原理是：
输入信号Vin经过由M1、M2、Q1、Q2、R1～R3组成的差分放大电路放大，经过Q1、Q2的集电极输出，由于输入输出信号的电压摆幅过大，且PAM4信号对线性度的要求更高，引入由M3、M4、Q3、Q4、C2、R4组成的预失真支路来改善非线性失真。调节电阻R3和R4的取值，使得预失真支路产生比主通路更为严重的非线性，所以将预失真支路与主通路输出信号相减，抵消主通路由于非线性产生的PAM4眼图眼高不等的“大小眼”现象。由于仍需要满足驱动器输出大摆幅的要求，通过调整预失真支路尾电流源的宽长比来改变预失真支路的尾电流，从而调节主通道的输出幅度。
同时，采用射极负反馈电阻，减小晶体管基极和发射极之间施加的信号摆幅，使得输入-输出特性具有更好的线性度；其次，电容C1和电阻R3并联形成的反馈电路实现了预加重功能，拓展了带宽，改善了线性度。设Q1的跨导为gm，分析其左半边电路，则放大器的等效跨导为：
其中，用于表示电容C1和电阻R3反馈电路的并联阻抗，从该式中可以看出等效跨导Gm包含一个极点/>和一个零点/>用CL表示调制器输出节点处的负载电容，则输出节点产生的极点频率为/>若R3C1＝R1CL，则零点与输出节点处产生的极点相抵消，/>成为主极点，放大器的带宽扩展了/>倍。
本发明还提供了一种应用于PAM4信号的高线性度的大输出摆幅驱动芯片，除了采用上述大输出摆幅驱动器的线性度提升方法，还采用BiCMOS工艺来实现该驱动电路，本技术方案具有结构简单、带宽高、输出摆幅大和线性度高的特点。
Claims (3)
1.一种具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，其特征在于，电路具体包括：
晶体管Q1的基极分别与输入电压Vinp和晶体管Q4的基极连接，晶体管Q1的集电极分别与电阻R1的第一端和晶体管Q3的集电极连接，晶体管Q1的发射极分别与MOS管M1的漏极、电阻R3的第一端和电容C1的第一端连接，电阻R3和电容C1相并接；
晶体管Q2的基极分别与输入电压Vinn和晶体管Q3的基极连接，晶体管Q2的集电极分别与电阻R2的第一端和晶体管Q4的集电极连接，晶体管Q2的发射极分别与MOS管M2的漏极、电阻R3的第二端和电容C1的第二端连接；
晶体管Q3的发射极分别与MOS管M3的漏极、电阻R4的第一端和电容C2的第一端连接，电阻R4和电容C2相并接；
晶体管Q4的发射极分别与MOS管M4的漏极、电阻R4的第二端和电容C2的第二端连接；
MOS管M1的栅极分别与直流偏置电压Vbias、MOS管M2、M3、M4的栅极连接，MOS管M1的源极分别与GND地、MOS管M2、M3、M4的源极连接；
电阻R1的第二端和电阻R2的第二端与电源电压VDD连接；
所述晶体管Q1的集电极和晶体管Q3的集电极为输出节点Voutn；所述晶体管Q2的集电极和晶体管Q4的集电极为输出节点Voutp；
所述电阻R3和电容C1的取值满足：R3C1=R1CL，其中，CL表示输出节点Voutn和Voutp处的负载电容；
所述电阻R3的取值可调，用于不同程度的非线性预失真；
所述晶体管Q1的跨导为gm，放大器的等效跨导表达式为：
，
其中，表示电容C1和电阻R3反馈电路的并联阻抗，s=jω，当/>，放大器的带宽扩展/>倍。
2.根据权利要求1所述的具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，其特征在于，所述电阻R4的取值可调，用于不同程度的非线性预失真。
3.根据权利要求1所述的具有高线性度的大信号输出摆幅驱动电路，其特征在于，所述电路采用BiCMOS工艺实现。
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