CN113422582A - 高带宽线性可变增益放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有带宽拓展功能的线性可变增益放大器，该放大器采用吉尔伯特放大器做主体放大单元，另外引入Cherry‑Hooper结构的负载以及电容退化技术来拓展放大器的带宽。首先采用Cherry‑Hooper结构通过电压‑电流负反馈来减小节点的阻抗，提高电路的主极点频率；其次放大器主放大管的发射极引入退化电容生成一个零点频率，通过该零点抵消原来的主极点，可以进一步拓展放大器带宽。该线性可变增益放大器具有高增益，高带宽和低功耗的优点；由于没有采用传统的电感峰化技术来拓展带宽，节省了芯片面积，降低了成本。

Description

高带宽线性可变增益放大器
技术领域
本发明涉及光纤通信等系统中的接收机部分电路，具体涉及一种高带宽线性可变增益放大器。
背景技术
光接收机前端放大电路一般包括跨阻放大器(TIA)、可变增益放大器(VGA)、输出缓冲器(Buffer)等。光信号被光电探测器所接收后，产生一个与接收光强度成正比的光电流。跨阻放大器将光电流放大并转化为电压信号，再经过VGA进一步放大，最后通过输出缓冲器输出，使其可以被后级电路进行处理。
作为接收机中的不可或缺的模块，可变增益放大器有着极其重要的作用：信号在传输的过程中，由于经过不同的传输路径，接收机接收到的信号功率在某一范围内不断变化，为了使后级电路系统具有较高的分辨率和信噪比，其输出信号必须先定个在稳定的小范围变化。通常接收机前端往往只能提供固定的或小范围可变的增益，这就要求在前端放大电路中必须加入可变增益放大器。
近年来随着无线信号传输系统性能的不断提高，对可变增益放大器的要求也越来越高，信号频率的增加导致可变增益放大器带宽需求增加；为实现大的输出信号摆幅，还要求放大器保持一定的线性度，实现不同格式信号的线性传输。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中带宽和线性度的不足，本发明提供一种利用Cherry-Hooper电路做负载的线性可变增益放大器，实现更高带宽要求的光接收机系统。
技术方案：一种高带宽线性可变增益放大器，电路具体包括：
晶体管Q1的基极接输入电压Vinp，晶体管Q1的发射极接电容C1的第一端和电阻R1的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极，
晶体管Q2的基极接输入电压Vinn，晶体管Q2的发射极接电容C1的第二端和电阻R2的第一端，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极，
晶体管Q3的基极接控制信号Vcp，晶体管Q3的发射极接晶体管Q4的发射极，晶体管Q3的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q5的集电极，
晶体管Q4的基极接控制信号Vcn，晶体管Q4的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q6的集电极，
晶体管Q5的基极接控制信号Vcn，晶体管Q6的基极接控制信号Vcp，
晶体管Q7的基极接电阻R3的第一端、电阻R5的第二端和输出Voutn，晶体管Q7的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q8的发射极，晶体管Q7的集电极接电阻R7的第一端和电阻R3的第二端，
晶体管Q8的基极接电阻R4的第一端、电阻R6的第二端和输出Voutp，晶体管Q8的集电极接电阻R8的第一端和电阻R4的第二端，
晶体管Q9的基极接偏置电压Vbias，晶体管Q9的发射极接地，
MOS管M1的漏极连接到电阻R1、R2的第二端，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的基极连接在MOS管M2的基极，
MOS管M2的漏极连接到偏置电流Ibias，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的基极连接M2的漏极，
电阻R7和电阻R8的第二端接电源。
进一步地，晶体管Q7、Q8、Q9，电阻R3、R4、R7、R8构成了Cherry-Hooper结构，Cherry-Hooper结构通过电压-电流负反馈来减小节点的阻抗，提高电路的主极点频率；电阻R3、R4的大小决定放大器的小信号增益，晶体管Q7、Q8的跨导决定放大器带宽。
进一步地，电阻R1和R2、电容C1和CL、晶体管Q7和Q8的取值需满足：R1,2C1＝CL/gm7,8，其中，CL为可变增益放大器输出节点的负载电容，gm7,8为晶体管Q7、Q8的跨导。
进一步地，电阻R1、R2和C1用于源极退化，退化电容C1生成一个零点频率用于抵消原来的主极点，拓展放大器带宽；电阻R1和R2用于提高可变增益放大器的线性度。
进一步地，放大器电路采用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)本发明采用吉尔伯特单元，使得放大器实现了可变增益；
(2)晶体管Q7、Q8、Q9和电阻R3、R4、R7和R8构成Cherry-Hooper结构，减小输出等效电阻，实现带宽拓展的同时保持增益近似不变；
(3)电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，引入零点抵消主极点，实现了带宽的拓展；
(4)电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，使得放大管的跨导变为和电阻相关的常数，提高了放大器线性度。
附图说明
图1为本发明的电路图。
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，本发明提供的高带宽线性可变增益放大器包括：九只NPN双极型晶体管Q1至Q9，两只MOS管M1、M2，八只电阻R1至R8以及一只电容C1。晶体管Q1、Q2的基极接差分输入信号，发射极分别接在电容C1的两端，电阻R1、R2串联再与电容C1并联构成电容退化结构。MOS管M1、M2构成电流镜为Q1、Q2提供电流。晶体管Q3与Q6的基极相连接在控制信号的正端，晶体管Q4与Q5的基极相连接在控制信号的负端，Q3与Q4的发射极相连接在晶体管Q1的集电极，晶体管Q5、Q6的发射极相连接在晶体管Q2的集电极。Q3与Q5的集电极相连接在电阻R5的第一端，Q4与Q6的集电极相连接在电阻R6的第一端。晶体管Q1～Q6构成常用于线性可变增益放大器中的吉尔伯特单元。晶体管Q7的基极与电阻R5第二端、电阻R3的第一端以及输出Voutn相连，Q8的基极与电阻R6第二端、电阻R4的第一端以及输出Voutp相连，Q7、Q8的发射极相连接在晶体管Q9的集电极，晶体管Q9基极接偏置电压，发射极接地。电阻R3的第二端连在Q7的集电极和电阻R7的第一端上，R4的第二端连在Q8的集电极和电阻R8的第一端上。电阻R7和R8的另一端接电源。晶体管Q7～Q9，电阻R3、R4、R7、R8构成了Cherry-Hooper结构。电阻R5、R6减小了原先Cherry-Hooper结构增益与输出电压幅度之间的约束，使得电路更易实现与调整。
其中，为了保证带宽的拓展，Q9提供的电流必须使得晶体管Q7与Q8的跨导足够大，保证主极点频率gm7,8/CL所处位置满足系统速率对带宽的需求，其中CL为可变增益放大器输出节点的负载电容。
具体地，各元器件的详细连接方式如下：
晶体管Q1的基极接输入电压Vinp，晶体管Q1的发射极接电容C1的第一端和电阻R1的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极；
晶体管Q2的基极接输入电压Vinn，晶体管Q2的发射极接电容C1的第二端和电阻R2的第一端，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极；
晶体管Q3的基极接控制信号Vcp，晶体管Q3的发射极接晶体管Q1的集电极和晶体管Q4的发射极，晶体管Q3的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q5的集电极；
晶体管Q4的基极接控制信号Vcn，晶体管Q4的发射极接晶体管Q1的集电极和Q3的发射极，Q4的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q6的集电极；
晶体管Q5的基极接控制信号Vcn，晶体管Q5的发射极接晶体管Q2的集电极和Q6的发射极，Q5的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q3的集电极；
晶体管Q6的基极接控制信号Vcp，晶体管Q6的发射极接晶体管Q2的集电极和Q5的发射极，Q6的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q4的集电极；
晶体管Q7的基极接电阻R3的第一端，电阻R5的第二端和输出Voutn，晶体管Q7的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q8的发射极，Q7的集电极接电阻R7的第一端和电阻R3的第二端；
晶体管Q8的基极接电阻R4的第一端，电阻R6的第二端和输出Voutp，晶体管Q8的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q7的发射极，Q8的集电极接电阻R8的第一端和电阻R4的第二端；
晶体管Q9的基极接偏置电压Vbias，Q9的发射极接地，晶体管Q9的集电极接晶体管Q7和Q8的发射极；
MOS管M1的漏极连接到电阻R1、R2的另一端，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的基极连接在MOS管M2的基极；
MOS管M2的漏极连接到偏置电流Ibias，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的基极连接M2的漏极；
电阻R1的第一端接晶体管Q1的发射极，R1的第二端接电阻R2和MOS管M1的漏极；
电阻R2的第一端接晶体管Q2的发射极，R2的第二端接电阻R1和MOS管M1的漏极；
电阻R3的第一端接电阻R5的第二端，晶体管Q7的基极和输出Voutn，电阻R3的第二端接晶体管Q7的集电极和电阻R7的第一端；
电阻R4的第一端接电阻R6的第二端，晶体管Q8的基极和输出Voutp，电阻R3的第二端接晶体管Q7的集电极和电阻R7的第一端；
电阻R5第一端接晶体管Q3、Q5的集电极，R5第二端接电阻R3的第一端，晶体管Q7的基极和输出Voutn；
电阻R6第一端接晶体管Q4、Q6的集电极，R6第二端接电阻R4的第一端，晶体管Q8的基极和输出Voutp；
电阻R7的第一端接晶体管Q7的集电极和电阻R3的第二端，R7的第二端接电源；
电阻R8的第一端接晶体管Q8的集电极和电阻R4的第二端，R8的第二端接电源；
电容C1的第一端接晶体管Q1的发射极和电阻R1的第一端，电容C1的第二端接晶体管Q2的发射极和电阻R2的第一端。
该可变增益放大器的工作原理是：
首先，吉尔伯特放大器单元实现了最基本的可变增益放大器的功能。主放大对管Q1、Q2将电压转换为电流，控制信号决定晶体管Q3、Q4、Q5、Q6的导通程度，从而将不同大小的电流送到输出端。当差分控制信号为很大的正值时，晶体管Q3和Q6完全导通，从而输出电压为Vout＝gm1,2RLVin，当差分控制信号为很大的负值时，晶体管Q3和Q6完全导通，从而输出电压为Vout＝-gm1,2RLVin。其中RL为负载电阻，gm1,2为晶体管Q1和Q2的跨导，Vin为差分输入信号。
其次，晶体管Q7、Q8、Q9，电阻R3、R4、R7和R8构成了Cherry-Hooper结构的负载实现了带宽的拓展。考虑半边电路，电阻R3连接在晶体管Q7的基极和集电极之间，建立了电压-电流反馈。对于可变增益放大器来说，电路主极点位于电路输出端，Cherry-Hooper结构降低了输出电阻，将主极点频率提高，另外加入Cherry-Hooper结构的放大器的电压增益保持不变。
最后，电阻R1、R2，电容C1构成电容退化结构，进一步拓展带宽并提高线性度。位于发射极的电阻R1，R2与电容C1在电路中引入了零点实现带宽拓展。此外，引入退化电阻R1、R2后，放大管的跨导变为和电阻相关的常数，从而提高了放大器的线性度。

Claims (5)

1.一种高带宽线性可变增益放大器，其特征在于，电路具体包括：
晶体管Q1的基极接输入电压Vinp，晶体管Q1的发射极接电容C1的第一端和电阻R1的第一端，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极，
晶体管Q2的基极接输入电压Vinn，晶体管Q2的发射极接电容C1的第二端和电阻R2的第一端，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极，
晶体管Q3的基极接控制信号Vcp，晶体管Q3的发射极接晶体管Q4的发射极，晶体管Q3的集电极接电阻R5的第一端和晶体管Q5的集电极，
晶体管Q4的基极接控制信号Vcn，晶体管Q4的集电极接电阻R6的第一端和晶体管Q6的集电极，
晶体管Q5的基极接控制信号Vcn，晶体管Q6的基极接控制信号Vcp，
晶体管Q7的基极接电阻R3的第一端、电阻R5的第二端和输出Voutn，晶体管Q7的发射极接晶体管Q9的集电极和晶体管Q8的发射极，晶体管Q7的集电极接电阻R7的第一端和电阻R3的第二端，
晶体管Q8的基极接电阻R4的第一端、电阻R6的第二端和输出Voutp，晶体管Q8的集电极接电阻R8的第一端和电阻R4的第二端，
晶体管Q9的基极接偏置电压Vbias，晶体管Q9的发射极接地，
MOS管M1的漏极连接到电阻R1、R2的第二端，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的基极连接在MOS管M2的基极，
MOS管M2的漏极连接到偏置电流Ibias，MOS管M2的源极接地，MOS管M2的基极连接M2的漏极，
电阻R7和电阻R8的第二端接电源。
2.根据权利要求1所述的高带宽线性可变增益放大器，其特征在于，所述晶体管Q7、Q8、Q9和电阻R3、R4、R7、R8构成了Cherry-Hooper结构，所述Cherry-Hooper结构通过电压-电流负反馈来减小节点的阻抗，用于提高电路的主极点频率；电阻R3、R4的大小决定放大器的小信号增益，晶体管Q7、Q8的跨导决定放大器带宽。
3.根据权利要求1所述的高带宽线性可变增益放大器，其特征在于，所述所述电阻R1和R2、电容C1和CL、晶体管Q7和Q8的取值需满足R1,2C1＝CL/gm7,8，其中，CL为可变增益放大器输出节点的负载电容，gm7,8为晶体管Q7、Q8的跨导。
4.根据权利要求1所述的高带宽线性可变增益放大器，其特征在于，所述电阻R1、R2和电容C1用于源极退化，退化电容C1生成一个零点频率用于抵消原来的主极点，拓展放大器带宽；电阻R1和R2用于提高可变增益放大器的线性度。
5.根据权利要求1所述的高带宽线性可变增益放大器，其特征在于，所述放大器电路采用BiCMOS工艺实现。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102638231A (zh) * 2012-03-19 2012-08-15 中国科学院上海技术物理研究所 一种用于高速微弱光电信号探测的全定制芯片设计方法
CN104682905A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 北京航天测控技术有限公司 一种超宽带可变增益放大装置
CN111565030A (zh) * 2020-03-10 2020-08-21 东南大学 一种pam4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102638231A (zh) * 2012-03-19 2012-08-15 中国科学院上海技术物理研究所 一种用于高速微弱光电信号探测的全定制芯片设计方法
CN104682905A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 北京航天测控技术有限公司 一种超宽带可变增益放大装置
CN111565030A (zh) * 2020-03-10 2020-08-21 东南大学 一种pam4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器

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