CN113300675B - 减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，跨阻放大器第一级采用共发共基Cascode结构，降低输入晶体管寄生电容的密勒效应，从而提高跨阻放大器的带宽；放大器第二级为射极跟随器，进行隔离，避免反馈网络负载效应而导致的开环增益降低；光电二极管产生电流信号输入至跨阻放大器，低通滤波器提取出跨阻放大器输出信号的直流电压，与跨阻放大器检测点的直流电压通过比较器进行比较，输出电压信号来调节反馈电阻阻值，从而改变跨阻增益，实现闭环自动增益控制。本发明结构简单，可以通过调整低通滤波器的时间常数以及比较器的压摆率，显著减小稳定时间，经过工艺验证，稳定时间可小于20ns。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信等系统中的光接收机模块集成电路，尤其涉及一种减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路。
背景技术
光接收机可以分为连续模式光接收机和突发模式光接收机，高速突发模式光接收机用于传输信号幅度随时间变换较大的光纤通信系统中，这就需要光接收机对于任意输入信号能够快速稳定在所需的工作状态。
跨阻放大器作为光接收机的前端放大器，将微弱的输入电流信号进行初步放大并转换为电压信号。由于突发模式光接收机输入信号的幅度变换很大，这就需要跨阻放大器具有增益调节的功能，以保障其输出信号幅度的稳定，便于下一级电路工作，与此同时还需要保证较小的稳定时间，从而传输更多的数据。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，减小光接收机接收突发信号时的稳定时间，实现高带宽电路，传输更多的数据，具有结构简单可靠，稳定时间短的优点。
技术方案：一种突发模式光接收机跨阻放大器电路，电路具体包括：
晶体管Q1的基极接输入电流Iin和反馈电阻RF的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q2的发射级，晶体管Q1的发射级接地，
晶体管Q2的基极接偏置电压Vb，晶体管Q2的集电极接电阻R1的第一端和晶体管Q3的基极，
晶体管Q3的集电极接PMOS管M1的栅极、漏极和PMOS管M2的栅极，晶体管Q3的发射级接电阻R4的第一端和反馈电阻RF的第二端，
PMOS管M1的源极接电源电压VDD，PMOS管M2的漏极接电阻R2的第一端和电阻R3的第一端，PMOS管M2的源极接电源电压VDD，电阻R1的第二端接电源电压VDD，电阻R2的第二端接地，电阻R3的第二端接电容C1的第一端，电阻R4的第二端接地，电容C1的第二端接地。
主放大晶体管Q1和晶体管Q2形成共发共基Cascode结构，减小主放大晶体管Q1的寄生密勒电容Cμ1，从而减小跨阻放大器输入端主极点的寄生电容，提升跨阻放大器的带宽。
为了避免反馈网络负载效应导致的开环增益降低，添加晶体管Q3作为主放大晶体管Q1的射极跟随器，起到隔离和缓冲的作用。
进一步地，晶体管Q3的基极为输出节点Vout；电阻R3的第二端为输出节点Vcm。
进一步地，Vcm和参考电压Vref经过比较器产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc。
进一步地，电阻R3与电容C1相连构成低通滤波器。Vcm为经过由电阻R3和电容C1构成的低通滤波器输出的直流电压信号，该信号可反映出输入电流Iin的幅度大小情况，Vcm和参考电压Vref经过比较器比较，即可产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc。
进一步地，光电二极管产生电流信号Iin输入至跨阻放大器，跨阻放大器将电流信号Iin放大并转换为电压信号Vcm，电压信号Vcm和参考电压Vref经过比较器产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc，跨阻放大器输出电压Vout。
利用低通滤波器提取出跨阻放大器输出信号的直流电压，与跨阻放大器检测点的直流电压通过比较器进行比较，输出电压信号来调节反馈电阻阻值，从而改变跨阻增益。该简单结构的低通滤波器和比较器方案，相比于普通的电流反馈方案，可以显著减小稳定时间，可以通过调整低通滤波器的时间常数以及比较器的压摆率来缩短稳定时间。
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)本发明采用Cascode输入级结构，可以减小晶体管Q1基极和集电极之间的密勒寄生电容，拓展了跨阻放大器的带宽；
(2)晶体管Q3作为射极跟随器，可以避免反馈网络负载效应导致的开环增益降低，起到隔离和缓冲作用；
(3)通过改变由电压信号Vc控制的反馈电阻RF的阻值，可以实现跨阻放大器增益的调节；
(4)该具有减小稳定时间的自动增益控制跨阻放大器电路，采用了简单的滤波器和比较器结构来实现自动增益控制，从而实现较短的稳定时间。经过工艺验证，稳定时间可以小于20ns。
附图说明
图1为本发明的减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路图；
图2为本发明的减小稳定时间的突发模式光接收机系统框图。
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，本实施例中具有减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，元器件包括：三只NPN双极性晶体管Q1、Q2、Q3，两只PMOS管M1、M2，五只电阻R1、R2、R3、R4、RF和一只电容C1；
主放大晶体管Q1的基极接输入电流Iin，集电极接晶体管Q2的发射级；晶体管Q2的基极接偏置电压Vb，集电极通过电阻R1与电源电压VDD连接，发射级与晶体管Q1的集电极相连接，形成Cascode结构。晶体管Q3为主放大晶体管Q1的射极跟随器，基极连接晶体管Q2的集电极，集电极通过PMOS管电流镜M1与VDD连接，发射级与电阻R4连接；PMOS管M1的栅漏相接并与晶体管Q3的集电极和PMOS管M2的栅极相连，源极直接连接电源电压VDD；PMOS管M2的漏极通过电阻R2接地，源极直接连接电源电压VDD；电阻R3与电容C1相连构成低通滤波器；受电压信号Vc控制的反馈电阻RF跨接在晶体管Q1的基极和晶体管Q3的发射级。
其中，为了减小主放大晶体管Q1的寄生密勒电容Cμ1对输入端主极点的影响，第一级添加晶体管Q2形成Cascode结构，可以提升跨阻放大器的带宽；为了避免反馈网络负载效应导致的开环增益降低，添加了晶体管Q3作为主放大晶体管Q1的射极跟随器，起到隔离和缓冲的作用。
具体地，各元器件的详细连接方式如下：
晶体管Q1的基极接输入电流Iin和电阻RF的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q2的发射级，晶体管Q1的发射级接地。
晶体管Q2的基极接偏置电压Vb，晶体管Q2的集电极接电阻R1的第一端和晶体管Q3的基极，晶体管Q2的发射级接晶体管Q1的集电极。
晶体管Q3的基极接电阻R1的第一端和晶体管Q2的集电极，晶体管Q3的集电极接PMOS管M1的栅极、漏极和PMOS管M2的栅极，晶体管Q3的发射级接电阻R4的第一端和电阻RF的第二端。
PMOS管M1的栅极接PMOS管M1的漏极、PMOS管M2的栅极和晶体管Q3的集电极，PMOS管M1的源极接电源电压VDD。
PMOS管M2的栅极接PMOS管M1的栅极、漏极和晶体管Q3的集电极，PMOS管M2的漏极接电阻R2的第一端和电阻R3的第一端，PMOS管M2的源极接电源电压VDD。
电阻R1的第一端接晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的基极，电阻R1的第二端接电源电压VDD。
电阻R2的第一端接PMOS管M2的漏极和电阻R3的第一端，电阻R2的第二端接地。
电阻R3的第一端接PMOS管M2的漏极和电阻R2的第一端，电阻R3的第二端接电容C1的第一端。
电阻R4的第一端接晶体管Q3的发射级和电阻RF的第二端，电阻R4的第二端接地。
电阻RF的第一端接晶体管Q1的基极，电阻RF的第二端接晶体管Q3的发射级和电阻R4的第一端。
电容C1的第一端接电阻R3的第二端，电容C1的第二端接地。
如图2所示，减小稳定时间的突发模式光接收机系统框图，具体包括：
光电二极管产生电流信号Iin输入至跨阻放大器，跨阻放大器将电流信号Iin放大并转换为电压信号Vcm，电压信号Vcm和参考电压Vref经过比较器产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc，跨阻放大器输出电压Vout。
利用低通滤波器提取出跨阻放大器输出信号的直流电压，与跨阻放大器检测点的直流电压通过比较器进行比较，输出电压信号来调节反馈电阻阻值，从而改变跨阻增益。该简单结构的低通滤波器和比较器方案，相比于普通的电流反馈方案，可以显著减小稳定时间，可以通过调整低通滤波器的时间常数以及比较器的压摆率来缩短稳定时间。
该跨阻放大器的工作原理是：
(1)跨阻放大器作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初步放大并转换为电压信号。跨阻放大器在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RF的值。
(2)Vcm为经过由电阻R3和电容C1构成的低通滤波器输出的直流电压信号，该信号可反映出输入电流Iin的幅度大小情况，Vcm和参考电压Vref经过比较器比较，即可产生控制反馈电阻RF的电压信号Vc。
(3)由于突发模式光接收机输入电流信号的幅度变换较大，例如可由微安级别变化至毫安级别。作为前端放大器的跨阻放大器应具有自动增益控制功能，对不同幅度的信号进行不同增益的放大。本发明设计的跨阻放大器的反馈电阻RF阻值受到比较器输出的电压信号Vc的控制，可以实现不同的跨阻增益值。当控制信号Vc为低电平时，反馈电阻RF阻值较大，跨阻放大器提供高增益；当控制信号Vc为高电平时，反馈电阻RF阻值较小，跨阻放大器提供低增益。
(4)普通的跨阻放大器一般采用电流反馈方案，将放大器输出的电压信号先转换为电流，然后将电流反馈回跨阻放大器的输入端，电流反馈方案由于电压电流的转换，稳定时间较长，一般都在100ns以上。本突发模式跨阻放大器减小稳定时间的方法是：利用低通滤波器提取出跨阻放大器输出信号的直流电压，与跨阻放大器检测点的直流电压通过比较器进行比较，输出电压信号来调节反馈电阻阻值，从而改变跨阻增益。该简单结构的低通滤波器和比较器方案，通过调整低通滤波器的时间常数以及比较器的压摆率，可以显著减小稳定时间。
本实施例中跨阻放大器具有带宽高、结构简单和稳定时间短等优点，经过工艺验证，采用NRZ调制信号时，该跨阻放大器电路稳定时间小于20ns。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 (3)
1.一种减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，其特征在于，电路具体包括：
晶体管Q1的基极接输入电流Iin和反馈电阻RF的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q2的发射级，晶体管Q1的发射级接地，
晶体管Q2的基极接偏置电压Vb，晶体管Q2的集电极接电阻R1的第一端和晶体管Q3的基极，
晶体管Q3的集电极接PMOS管M1的栅极、漏极和PMOS管M2的栅极，晶体管Q3的发射级接电阻R4的第一端和反馈电阻RF的第二端，
PMOS管M1的源极接电源电压VDD，PMOS管M2的漏极接电阻R2的第一端和电阻R3的第一端，PMOS管M2的源极接电源电压VDD，电阻R1的第二端接电源电压VDD，电阻R2的第二端接地，电阻R3的第二端接电容C1的第一端，电阻R4的第二端接地，电容C1的第二端接地；
所述晶体管Q3的基极为输出节点Vout；所述电阻R3的第二端为输出节点Vcm；
所述Vcm和参考电压Vref经过比较器产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc；
所述电阻R3与电容C1相连构成低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，其特征在于，光电二极管产生电流信号Iin输入至跨阻放大器，所述跨阻放大器将所述电流信号Iin放大并转换为电压信号Vcm，所述电压信号Vcm和参考电压Vref经过比较器产生控制反馈电阻RF电阻值的电压信号Vc，所述跨阻放大器输出电压Vout。
3.根据权利要求2所述的减小稳定时间的突发模式光接收机跨阻放大器电路，其特征在于，所述电路采用BiCMOS工艺实现。
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