CN113346851B - 一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块 - Google Patents

一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块，包括：电压源、第一有源电感单元、第二有源电感单元、压降电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、外部偏压、电流信号输入端和电压信号输出端；第一有源电感单元和第二有源电感单元均包括并联的单元内电阻和单元内晶体管；有源电感单元的输入端连接单元内晶体管的漏极，同时通过单元内电阻连接单元内晶体管的栅极，输出端连接单元内晶体管的源极。本发明通过有源电感与前馈共栅跨阻放大电路中的共源放大级并联使用，使跨阻放大电路的带宽和跨阻增益均得到有效提升，具有跨阻增益高、带宽大、结构简单、效率高、容易实现等优点。

Description

一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块
技术领域
本发明属于光纤通信领域，具体涉及一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块。
背景技术
光纤通信由于其传输容量大、安全性高、串扰少、抗电磁干扰等优点而受到人们的广泛应用。跨阻放大电路作为在光纤通信接收机电路中最前端的电路，跨阻放大电路的带宽代表了整个光接收机电路的上限带宽。
随着电路技术的发展，目前已实现多种结构的跨阻放大器。由于输入电阻小、工作频带宽，调节型共源共栅跨阻放大电路成为最为常用的一种跨阻放大器拓扑结构，但调节型共源共栅跨阻放大电路存在净空消耗过大的问题，带宽和跨阻增益受到很大限制，若要提升性能，则需要改变晶体管结构，则又会进一步改变晶体管的电气性质，产生连锁反应。如何简单有效的提高放大器的带宽和跨阻增益，对大容量光纤通信起着至关重要的作用，已成为光纤通信领域的研究重点。
发明内容
本发明提出了一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块，使用有源电感与前馈共栅跨阻放大电路中的共源放大级并联，使跨阻放大电路的带宽和跨阻增益均得到有效提升，简单有效的实现了跨阻增益高、带宽大的突出效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块，包括：电压源VDD、第一有源电感单元、第二有源电感单元、压降电阻RV、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、外部偏压vb、电流信号输入端IN和电压信号输出端O；
所述电压源VDD分别与所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端连接；
所述电压源VDD还通过所述压降电阻RV分别与所述第二晶体管M2的漏极和所述第三晶体管M3的栅极连接；
所述第一有源电感单元的输出端和所述第一晶体管M1的漏极均与所述电压信号输出端O连接；
所述第一晶体管M1的源极、所述第二晶体管M2的源极和所述第四晶体管M4的漏极均与所述电流信号输入端IN连接；
所述第一晶体管M1的栅极和所述第二有源电感单元的输出端均与所述第三晶体管M3的漏极连接；
所述第二晶体管M2的栅极和所述第四晶体管M4的栅极均与所述外部偏压vb连接；
所述第三晶体管M3的源极和所述第四晶体管M4的源极均接地。
优选的，所述第一有源电感单元和所述第二有源电感单元均包括单元内电阻和单元内晶体管；
所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端均通过所述单元内电阻连接所述单元内晶体管的栅极；
所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端还均连接所述单元内晶体管的漏极；
所述第一有源电感单元的输出端和所述第二有源电感单元的输出端均连接所述单元内晶体管的源极。
优选的，所述单元内电阻为可调电阻。
优选的，所述单元内晶体管为NMOS晶体管。
优选的，所述第二晶体管M2和所述第四晶体管M4均工作在饱和区；
所述第二晶体管M2的漏极源极电压大于所述第二晶体管M2的栅极源极电压与所述第二晶体管M2的阈值电压的差值；
所述第四晶体管M4的漏极源极电压小于所述第四晶体管M4的栅极源极电压与所述第四晶体管M4的阈值电压的差值。
优选的，所述第二晶体管M2的漏极源极电压等于所述第三晶体管M3的栅极电压与所述电流信号输入端IN的电压的差值，所述第二晶体管M2的栅极源极电压等于所述外部偏压vb与所述电流信号输入端IN的电压；
所述第四晶体管M4的漏极源极电压等于所述电流信号输入端IN的电压，所述第四晶体管M4的栅极源极电压等于外部偏压vb。
优选的，所述外部偏压vb小于所述第三晶体管M3的栅极电压。
优选的，所述第一晶体管M1、所述第二晶体管M2、所述第三晶体管M3和所述第四晶体管M4均为NMOS晶体管。
优选的，所述压降电阻RV为可调电阻。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块，通过有源电感与前馈共栅跨阻放大电路中的共源放大级并联使用，使跨阻放大电路的带宽和跨阻增益均得到有效提升，本发明的前馈共栅跨阻放大器模块具有跨阻增益高、带宽大、结构简单、效率高、容易实现等优点，非常适合作为20Gb/s光纤通信系统的前端应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的前馈共栅跨阻放大器原理示意图；
图2为现有的前馈共栅跨阻放大电路的共源放大电路原理示意图；
图3为现有的使用有源电感并联替换电阻后的共源放大电路原理示意图；
图4为本申请实施例中改进的前馈共栅跨阻放大器模块示意图；
图5为本申请实施例中改进的前馈共栅跨阻放大电器模块的仿真结果。
附图标记说明：VDD、电压源；RV、压降电阻；M1、第一晶体管；M2、第二晶体管；M3、第三晶体管；M4、第四晶体管；vb、外部偏压；IN、电流信号输入端；O、电压信号输出端；VO、电压信号；Iin、电流信号；X、Y、线路连结点；R11、第一有源电感单元内电阻；R22、第二有源电感单元内电阻；M5、第一有源电感单元内晶体管；M6、第二有源电感单元内晶体管；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R、电阻；M、晶体管；CL、负载电容；Vin、输入电压；Vout、输出电压；RS、现有技术中有源电感单元内电阻；M0、现有技术中有源电感单元内晶体管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，为现有的前馈共栅跨阻放大器原理示意图，该前馈共栅跨阻放大器由三级放大电路和负载电阻构成。其主要作用是电流信号输入端IN接收光电检测器输出的微弱电流信号IIN，并将其转换、放大为电压信号VO。当光电检测器的输出电流从经典前馈共栅跨阻放大器的输入端流入，经共栅放大器和两级共源放大器放大，并转换为电压信号，从电压信号输出端O输出。
前馈共栅跨阻放大电路的输入阻抗相比于RGC电路和共源放大电路，前馈共栅跨阻放大电路的输入阻抗更小。第二晶体管M2和第二电阻R2组成的共栅放大电路跨接在电流信号输入端IN和线路连结点X之间，共栅放大电路具有很低的输入阻抗和很大的工作带宽，为第三晶体管M3的正常工作提供了足够的栅压。然而，线路连结点Y的第三晶体管M3和第三电阻R3以及电压信号输出端O的第一晶体管M1和第一电阻R1构成的两级共源放大电路，虽然它们为前馈共栅跨阻放大电路提供了主要的增益，但是在线路连结点X与电流信号输入端IN之间和线路连结点Y与电压信号输出端O之间的晶体管寄生电容，分别与第一电阻R1和第三电阻R3产生极点，构成了两级低通滤波电路，极大限制了前馈共栅跨阻放大电路的带宽。为了减小对带宽的限制提出使用有源电感代替电阻，与前馈共栅跨阻放大电路的共源放大级并联，利用有源电感的电感特性抵消共源放大电路中寄生电容带来的带宽限制，从而提升整体前馈共栅跨阻放大电路的带宽。
图2是前馈共栅跨阻放大电路的共源放大电路原理示意图，图3是使用有源电感并联替换电阻后的共源放大电路原理示意图，CL是负载电容，其中包含与下一级之间的寄生电容。
图2采用电阻负载的共源放大电路的传输函数为
式中，s＝jω＝j2πf，j代表虚数单位，ω表示角速度，f为输入信号的频率，Vin为输入电压信号，Vout为输出电压信号，gm为晶体管M的跨导。可以看到和前面所述一致，负载电容CL与电阻R构成了一个低通滤波电路，产生一个极点ωcs_p0＝1/RCL，这个极点决定了共源放大电路的带宽。
图3有源电感并联后的共源放大电路传输函数和低频跨阻增益分别为
式中，gm0为晶体管M0的跨导，Cgs0为晶体管M0的栅源寄生电容，Rs与晶体管M0组成有源电感，是组成有源电感的一部分。
共源放大电路传输函数(2)式中的两个极点为ωcs_p1和ωcs_p2，设ωcs_p1<<ωcs_p2，可计算得其的零极点分别为ωcs_p1＝gm0/(CL-Cgs0)，ωcs_p2＝(CL-Cgs0)/RsCLCgs0，ωcs_z＝1/Cgs0Rs。
可以看到，共源放大电路并联有源电感后，一方面Cgs0和负载电容CL串联减小了负载电容CL的限制，另一方面为电路系统引入了一对零极点，可以通过调整零点ωcs_z的位置来靠近主极点ωcs_p1减小影响。零点ωcs_z只与电阻Rs和电容Cgs0有关，改变电容Cgs0需要改变晶体管M0的沟道宽度，然而晶体管M0沟道宽度也决定了跨导gm0。因此改变电容Cgs0会影响式(3)共源放大电路的低频跨阻增益。
本发明选择改变图3中的电阻Rs来减小零点ωcs_z，如图4所示，为本发明一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块示意图，包括：电压源VDD、第一有源电感单元、第二有源电感单元、压降电阻RV、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、外部偏压vb、电流信号输入端IN和电压信号输出端O；
电压源VDD分别与第一有源电感单元的输入端和第二有源电感单元的输入端连接，电压源还通过压降电阻RV分别与第二晶体管M2的漏极和第三晶体管M3的栅极连接,在线路上设置线路连结点X；
第一有源电感单元的输出端和第一晶体管M1的漏极均与电压信号输出端O连接；
第一晶体管M1的源极、第二晶体管M2的源极和第四晶体管M4的漏极均与电流信号输入端IN连接；第一晶体管M1的栅极和第二有源电感单元的输出端均与第三晶体管M3的漏极连接,在线路上设置线路连结点Y；第二晶体管M2的栅极和第四晶体管M4的栅极均与外部偏压vb连接；第三晶体管M3的源极和第四晶体管M4的源极均接地。
其中，第一有源电感单元和第二有源电感单元结构完全相同，均包括单元内电阻和单元内晶体管，第一有源电感单元由第一单元内电阻R11和第一单元内晶体管M5并联组成，第一单元内电阻R11的一端和第一单元内晶体管M5的漏极连接作为第一有源电感单元的输入端，第一单元内电阻R11的另一端和第一单元内晶体管M5的栅极连接，第一单元内晶体管M5的源极为第一有源电感单元的输出端；第二有源电感单元由第二单元内电阻R22和第二单元内晶体管M6并联组成，第二单元内电阻R22的一端和第二单元内晶体管M6的漏极连接作为第二有源电感单元的输入端，第二单元内电阻R22的另一端和第二单元内晶体管M6的栅极连接，第二单元内晶体管M6的源极为第二有源电感单元的输出端；两个单元内电阻R11、R22采用可调电阻，晶体管M5、M6为NMOS晶体管。
同时，第二晶体管M2和第四晶体管M4均工作在饱和区，满足条件：VDS＞VGS-VTH，其中，VDS为漏源电压，VGS为栅源电压、VTH为阈值电压，是晶体管的物理电气属性。
晶体管M2的漏源电压VDS2＝VX-VIN，栅源电压VGS2＝vb-VIN，VDS2＞VGS2-VTH，VX＞vb；
晶体管M4的漏源电压VDS4＝VIN，栅源电压VGS4＝vb,VDS4＞VGS4-VTH，VIN+VTH＞vb。
第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶管M4均为NMOS晶体管，压降电阻RV为可调电阻。
如前所述，通过图3可知，改变图3中电阻Rs以减小零点ωcs_z，靠近主极点ωcs_p1，当电阻Rs满足下列条件(4)式时，零点ωcs_z和极点ωcs_p1相等，
则(2)式变为极点为ωcs_p2＝gm0/CL的单极点函数，与电阻负载的共源放大电路(1)式的单极点ωcs_p0＝1/RCL相比，因为有源电感中Rs>>1/gm0，所以ωcs_p2>>ωcs_p0，共源放大电路的带宽得到提升。
在本实施例中，采用有源电感代替图1中的第一电阻R1和第三电阻R3，与图2的共源放大级并联后的改进的前馈共栅跨阻放大电路，如图4所示。根据KCL定理得到结点方程，可计算改进的前馈共栅跨阻放大电路的传输函数为
式中
a＝Cgs6CyR3R2Cx
b＝(R2Cx(gm6Cy+Cgs6)+Cgs6CyR3)
c＝(gm6Cy+gm6+R2Cxgm6-gm2gm3R2R3Cgs6)
d＝gm2gm3R2
Cin＝Cpd+Cds4+Cgd4+Cgs2+Cds1+Cds2+Cgs1
Co＝Cds1+Cgd1
Cx＝Cds2+Cgd2+Cgs3+Cgd3
Cy＝Cds3+Cgd3+Cgs1+Cgd1
上式中Cdsi，Cgdi，Cgsi分别表示的是晶体管Mi的栅源电容、栅漏电容和漏源电容。Cpd为光电二极管的节电容，1/roi分别表示晶体管的输出电导，gmi分别为晶体管的跨导，上述中i＝1，2，3，4，5，6。
由(5)式分母的极点表达式可以观察到，除了电流输入端IN和线路连结点X产生的两个极点外，由于在前馈共栅跨阻放大电路两级共源放大级使用有源电感代替了原有的负载电阻，产生了两对分别只与线路连结点Y和电压输出端O有关的极点。根据上述有源电感并联共源放大电路的理论分析，通过改变在线路连结点Y处和在电压输出端O处组成第一有源电感单元和第二有源电感的第一单元内电阻R11和第二单元内电阻R22，使零点靠近较小的极点，从而减小极点对带宽的影响，实现前馈共栅跨阻放大电路带宽的扩展。
图5为本实施例改进的前馈共栅跨阻放大电器模块的仿真结果，从图5中可以看出跨阻增益达到55dBΩ，-3dB带宽为17.2GHz，达到了高增益和高带宽的效果。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：包括：电压源(VDD)、第一有源电感单元、第二有源电感单元、压降电阻（RV）、第一晶体管（M1）、第二晶体管（M2）、第三晶体管（M3）、第四晶体管（M4）、外部偏压(vb)、电流信号输入端（IN）和电压信号输出端(O)；
所述电压源(VDD)分别与所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端连接；
所述电压源(VDD)还通过所述压降电阻（RV）分别与所述第二晶体管（M2）的漏极和所述第三晶体管（M3）的栅极连接；
所述第一有源电感单元的输出端和所述第一晶体管（M1）的漏极均与所述电压信号输出端(O)连接；
所述第一晶体管（M1）的源极、所述第二晶体管（M2）的源极和所述第四晶体管（M4）的漏极均与所述电流信号输入端（IN）连接；
所述第一晶体管（M1）的栅极和所述第二有源电感单元的输出端均与所述第三晶体管（M3）的漏极连接；
所述第二晶体管（M2）的栅极和所述第四晶体管（M4）的栅极均与所述外部偏压(vb)连接；
所述第三晶体管（M3）的源极和所述第四晶体管（M4）的源极均接地；
所述第一有源电感单元和所述第二有源电感单元均包括单元内电阻和单元内晶体管；
所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端均通过所述单元内电阻连接所述单元内晶体管的栅极；
所述第一有源电感单元的输入端和所述第二有源电感单元的输入端还均连接所述单元内晶体管的漏极；
所述第一有源电感单元的输出端和所述第二有源电感单元的输出端均连接所述单元内晶体管的源极；
所述第二晶体管（M2）和所述第四晶体管（M4）均工作在饱和区；
所述第二晶体管（M2）的漏极源极电压大于所述第二晶体管（M2）的栅极源极电压与所述第二晶体管（M2）的阈值电压的差值；
所述第四晶体管（M4）的漏极源极电压大于所述第四晶体管（M4）的栅极源极电压与所述第四晶体管（M4）的阈值电压的差值。
2.根据权利要求1所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述单元内电阻为可调电阻。
3.根据权利要求1所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述单元内晶体管为NMOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述第二晶体管（M2）的漏极源极电压等于所述第三晶体管（M3）的栅极电压与所述电流信号输入端（IN）的电压的差值，所述第二晶体管（M2）的栅极源极电压等于所述外部偏压(vb)与所述电流信号输入端（IN）的电压的差值；
所述第四晶体管（M4）的漏极源极电压等于所述电流信号输入端（IN）的电压，所述第四晶体管（M4）的栅极源极电压等于外部偏压(vb)。
5.根据权利要求4所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述外部偏压(vb)小于所述第三晶体管（M3）的栅极电压。
6.根据权利要求1-5任一项所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述第一晶体管（M1）、所述第二晶体管（M2）、所述第三晶体管（M3）和所述第四晶体管（M4）均为NMOS晶体管。
7.根据权利要求1-5任一项所述的改进的前馈共栅跨阻放大器模块，其特征在于：所述压降电阻（RV）为可调电阻。
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