CN113659943B - 大动态范围跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大动态范围跨阻放大器，包括前向放大器电路、前向放大器负载电阻控制电路和跨阻放大器复制电路，前向放大器负载电阻控制电路的两个输入端分别连接跨阻放大器的输出端和跨阻放大器复制电路的输出端，前向放大器负载电阻控制电路的输出端连接前向放大器电路的负载电阻控制端。本发明提供一种大动态范围跨阻放大器，在输入光功率变大时减小前向放大器的等效负载电阻，一方面直接使跨阻反馈环路的次主极点向高频移动，另一方面主极点分子项减小，减缓了主极点随跨阻放大器的反馈电阻减小而向高频移动的趋势，两个方面均有益于使主极点和次主极点分离，保证反馈环路有足够大的相位裕度，从而提升输出眼图质量。

Description

大动态范围跨阻放大器
技术领域
本发明涉及跨阻放大器技术领域，尤其是指大动态范围跨阻放大器。
背景技术
在光纤通信系统中，跨阻放大器(TIA,Trans-Impedance Amplifier)处于接收链路最前端，其功能是把光电二极管生成的微弱光电流信号转化并放大为电压信号，并输出给后续的电路进行处理。TIA的性能极大地影响着整个接收链路的性能。
输入动态范围是TIA的一项重要指标，其定义为饱和输入光功率与接收光灵敏度的比值，也即在一定可允许误码率范围内的最大和最小输入光功率的比值。灵敏度主要由噪声性能决定，TIA的等效输入噪声越小，则灵敏度越好，而一般情况下采用较大的跨阻增益有利于减小等效输入噪声；而饱和输入光功率主要由输出信号的失真程度等因素所决定，跨阻越大，大信号时越容易发生饱和。
为了解决这一矛盾，TIA中通常需要加入自动增益控制(AGC,Automatic GainControl)电路，即根据输入光功率的大小调节跨阻增益，在输入光功率较小时保持较大的跨阻，而在输入光功率较大时使跨阻减小，以改善输出电压信号的失真，从而拓宽TIA的动态范围。
如图1所示，一般情况下，跨阻放大器的主极点由反馈电阻Rf及输入端总电容Cin贡献，次主极点则由前向放大器所贡献。前向放大器一般为电阻负载的共射/共源放大器，其极点由负载电阻和输出节点电容所决定。在输入光功率较大时，跨阻Rf因自动增益控制而减小，使主极点向着次主极点靠近，导致相位裕度变小，环路稳定性恶化，跨阻放大器的阶跃响应出现减幅振荡的特性，使输出眼图质量变差，影响系统误码率。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种大动态范围跨阻放大器，解决现有技术中大输入功率时跨阻放大器环路稳定性恶化的问题，能够在较大的动态范围内保证反馈环路有足够的相位裕度，输出高质量眼图。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大动态范围跨阻放大器，包括前向放大器电路、前向放大器负载电阻控制电路和跨阻放大器复制电路，所述前向放大器负载电阻控制电路的两个输入端分别连接跨阻放大器的输出端和跨阻放大器复制电路的输出端，所述前向放大器负载电阻控制电路的输出端连接前向放大器电路的负载电阻控制端；
所述前向放大器电路包括MOS管、无源电阻和三极管，所述MOS管的栅极连接所述前向放大器负载电阻控制电路产生的控制电压，所述MOS管与所述无源电阻并联，其构成所述三极管的集电极负载；
所述前向放大器负载电阻控制电路包括第一射极跟随器、第二射极跟随器、一阶RC低通滤波器和线性放大器，所述第一射极跟随器和所述第二射极跟随器分别用于对所述跨阻放大器复制电路的输出电压和所述跨阻放大器的输出电压进行电平偏移，以产生参考电压，其中所述跨阻放大器复制电路的输出电压等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压，所述一阶RC低通滤波器用于对电平偏移后的跨阻放大器的输出电压进行时域平均，所述线性放大器用于产生控制电流，通过控制电流产生控制电压，随着输入光功率的增大，跨阻放大器的输出电压下降，时域平均输出电压随之下降，在时域平均输出电压下降到低于参考电压时，则线性放大器输出的控制电流增大，负载电阻控制电压下降，等效负载电阻减小，以使跨阻放大器的反馈环路有较大的相位裕度，其中所述等效负载电阻为所述MOS管在线性区的有源电阻跟无源电阻并联的结果。
在本发明的一个实施例中，所述前向放大器电路还包括第一三极管和第一电流源，所述第一三极管的基极连接三极管、MOS管和无源电阻构成的共射极放大器的输出端，所述第一三极管的发射极连接所述第一电流源，其构成射极跟随器。
在本发明的一个实施例中，所述前向放大器电路还包括所述三极管、MOS管和无源电阻构成的共射极放大器输出端的寄生电容。
在本发明的一个实施例中，所述跨阻放大器复制电路包括跨阻和放大器，所述放大器与所述前向放大器电路具有相同的拓扑和相等或成比例的电路参数，其中所述跨阻放大器复制电路中的MOS管的栅极连接电路中的最高电位，以使该MOS管截止，集电极负载仅由无源电阻贡献。
在本发明的一个实施例中，所述第一射极跟随器包括第二三极管、第一电阻和第二电阻，所述第二三极管的基极连接所述跨阻放大器复制电路的输出电压，所述第二三极管的发射极通过第一电阻和第二电阻接地，其构成第一射极跟随器。
在本发明的一个实施例中，所述第二射极跟随器包括第三三极管、第三电阻和第四电阻，所述第三三极管的基极连接所述跨阻放大器的输出电压，所述第三三极管的发射极通过第三电阻和第四电阻接地，其构成第二射极跟随器。
在本发明的一个实施例中，所述一阶RC低通滤波器包括第五电阻和第一电容，所述第五电阻连接所述第一电容。
在本发明的一个实施例中，所述线性放大器包括由第一MOS管和第二MOS管构成的第一对电流镜、由第三MOS管和第四MOS管构成的第二对电流镜、由第五MOS管和第六MOS管构成的第三对电流镜，第四三极管、第五三极管、第六电阻、第七电阻和第二电流源，所述第四三极管的基极连接所述一阶RC低通滤波器的输出端，所述第四三极管的集电极连接所述第一对电流镜，所述第四三极管的发射极连接第六电阻，所述第五三极管的基极连接所述第一射极跟随器产生的参考电压，所述第五三极管的集电极连接所述第二对电流镜，所述第五三极管的发射极连接第七电阻，所述第六电阻和所述第七电阻连接所述第二电流源，所述第一对电流镜和所述第二对电流镜均连接所述第三对电流镜。
在本发明的一个实施例中，所述前向放大器负载电阻控制电路还包括第八电阻和第九MOS管，所述第九MOS管的源极连接所述第八电阻，所述第九MOS管的栅漏极产生控制电压。
在本发明的一个实施例中，还包括由第七MOS管和第八MOS管构成的第四对电流镜，利用所述第四对电流镜对所述线性放大器产生的控制电流进行复制，以控制流过第八电阻和第九MOS管的电流，以产生控制电压。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明提供一种大动态范围跨阻放大器，在输入光功率变大时减小前向放大器的等效负载电阻，一方面直接使跨阻反馈环路的次主极点向高频移动，另一方面主极点分子项减小，减缓了主极点随跨阻放大器的反馈电阻减小而向高频移动的趋势，两个方面均有益于使主极点和次主极点分离，保证反馈环路有足够大的相位裕度，从而提升输出眼图质量。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术带自动增益控制的跨阻放大器示意图。
图2是本发明的跨阻放大器拓扑结构示意图。
图3是本发明前向放大器电路的电路原理图。
图4是本发明前向放大器负载电阻控制电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参阅图2至图4所示，本实施例提供一种大动态范围跨阻放大器，包括前向放大器电路、前向放大器负载电阻控制电路和跨阻放大器复制电路，前向放大器负载电阻控制电路的两个输入端分别连接跨阻放大器的输出端和跨阻放大器复制电路的输出端，前向放大器负载电阻控制电路的输出端连接前向放大器电路的负载电阻控制端。
前向放大器电路包括MOS管MP、无源电阻RL0、三极管Q0、寄生电容CL、第一三极管Q1和第一电流源I1，MOS管MP的栅极连接前向放大器负载电阻控制电路产生的控制电压Vctrl，MOS管MP与无源电阻RL0并联，其作为三极管Q0的集电极负载，构成共射极放大器，共射极放大器的输出端有寄生电容CL，第一三极管Q1的基极连接MOS管MP和无源电阻RL0构成的共射极放大器的输出端，第一三极管Q1的发射极连接第一电流源I1，其构成射极跟随器，起电压缓冲器的作用。作为优选的，三极管Q0为处于正向放大区的NPN型三极管。
前向放大器负载电阻控制电路包括第一射极跟随器、第二射极跟随器、一阶RC低通滤波器和线性放大器，第一射极跟随器和第二射极跟随器分别用于对跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0和跨阻放大器的输出电压Vout进行电平偏移，以产生参考电压Vref，其中跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0是输入电流为0时的输出电压，一阶RC低通滤波器用于对电平偏移后的跨阻放大器的输出电压Vout进行时域平均，得到时域平均输出电压Vout,avg，线性放大器用于产生控制电流Ictrl，通过控制电流Ictrl产生控制电压Vctrl。随着输入光功率的增大，跨阻放大器的输出电压Vout下降，时域平均输出电压Vout,avg随之下降，在时域平均输出电压Vout,avg下降到低于参考电压Vref时，则线性放大器输出的控制电流Ictrl增大，负载电阻控制电压Vctrl下降，等效负载电阻减小，以使跨阻放大器的反馈环路有较大的相位裕度，其中等效负载电阻为MOS管MP在线性区的有源电阻跟无源电阻RL0并联的结果。
跨阻放大器复制电路是跨阻放大器的复制，其中的前向放大器与图3的跨阻放大器中的前向放大器具有相同的拓扑和相等或成比例的电路参数。跨阻放大器复制电路中前向放大器的MOS管MP的栅极连接到电路中的最高电位，因而MOS管MP截止，共射极放大器的集电极负载仅由无源电阻RL0贡献。跨阻放大器复制电路的输入电流为0，其输出电压Vout,0等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压。
在上述前向放大器负载电阻控制电路中，第一射极跟随器包括第二三极管Q2、第一电阻R1和第二电阻R2，第二三极管Q2的基极连接跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0，第二三极管Q2的发射极通过第一电阻R1和第二电阻R2接地，其构成第一射极跟随器，利用第一射极跟随器对跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0进行电平偏移，以产生参考电压Vref，其中跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0是输入电流为0时的输出电压。第二射极跟随器包括第三三极管Q3、第三电阻R3和第四电阻R4，第三三极管Q3的基极连接跨阻放大器的输出电压Vout，第三三极管Q3的发射极通过第三电阻R3和第四电阻R4接地，其构成第二射极跟随器，利用第二射极跟随器对跨阻放大器的输出电压Vout进行电平偏移。一阶RC低通滤波器包括第五电阻R5和第一电容C1，第五电阻R5连接第一电容C1，一阶RC低通滤波器用于对电平偏移后的跨阻放大器的输出电压Vout进行时域平均。
其中，线性放大器包括由第一MOS管M1和第二MOS管M2构成的第一对电流镜、由第三MOS管M3和第四MOS管M4构成的第二对电流镜、由第五MOS管M5和第六MOS管M6构成的第三对电流镜，第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电流源I2，第四三极管Q4的基极连接一阶RC低通滤波器的输出端，第四三极管Q4的集电极连接第一对电流镜，第四三极管Q4的发射极连接第六电阻R6，第五三极管Q5的基极连接第一射极跟随器产生的参考电压Vref，第五三极管Q5的集电极连接第二对电流镜，第五三极管Q5的发射极连接第七电阻R7，第六电阻R6和第七电阻R7连接第二电流源I2，第一对电流镜和第二对电流镜均连接第三对电流镜，即Q4、Q5、M1～M6以及电阻R6、R7、电流源I2构成线性放大器，产生控制电流。
还有，前向放大器负载电阻控制电路还包括第八电阻R8、第九MOS管M9和由第七MOS管M7和第八MOS管M8构成的第四对电流镜，第九MOS管M9的源极连接第八电阻R8，第九MOS管M9的栅漏极产生控制电压Vctrl，利用第四对电流镜对线性放大器产生的控制电流Ictrl进行复制，以控制电流Ictrl过第八电阻R8和第九MOS管M9的电流，以产生控制电压Vctrl。
上述三极管Q0～Q5为NPN型三极管，上述MOS管MP、M1～M4、M9为PMOS管，上述MOS管M5～M8为NMOS管。
结合图4来说，本发明在输入光功率为0或很小时，参考电压Vref小于时域平均输出电压Vout,avg，第六MOS管M6的漏极电流Iout2大于第四MOS管M4的漏极电流Iout1，对线性放大器的输出节点放电，使控制电流Ictrl为0，控制电压Vctrl接近电源电压，前向放大器中的MOS管MP处于截止状态，共射极负载电阻RL仅由无源电阻RL0贡献。随着输入光功率的增大，更多的电流流过跨阻放大器的反馈电阻Rf，使跨阻放大器的输出电压Vout下降，时域平均输出电压Vout,avg随之下降，在时域平均输出电压Vout,avg下降到低于Vref时，则第四MOS管M4的漏极电流Iout1高于第六MOS管M6的漏极电流Iout2，使控制电流Ictrl增大，控制电压Vctrl下降，下降到一定程度时MP开启。大功率时MP处于线性区，相当于有源电阻，与RL0并联使等效负载电阻降低，并且输入功率越低，控制电压Vctrl越低，等效负载电阻就越小。这里控制电压Vctrl的大小取决于控制电流Ictrl、第九MOS管M9和第八电阻R8的参数。
本发明改善反馈环路稳定性的原理在于：次主极点由前向放大器决定，为p2＝1/(2πRLCL)，其中CL为共射极放大器输出端的寄生电容；前向放大器增益为|A|＝β0RL/rπ，其中β0为MOS管Q0的小信号电流增益，rπ为MOS管Q0的小信号输入电阻，因而主极点为p1＝(1+β0RL/rπ)/(2πRfCin)。可知采用本发明的技术方案，在输入光功率增大时，由于RL减小，一方面直接使次主极点向高频移动，另一方面主极点p1分子项减小，减缓了主极点随Rf减小而向高频移动的趋势，两个方面均有益于使主极点和次主极点分离，保证反馈环路有足够大的相位裕度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种大动态范围跨阻放大器，其特征在于，包括前向放大器电路、前向放大器负载电阻控制电路和跨阻放大器复制电路，所述前向放大器负载电阻控制电路的两个输入端分别连接跨阻放大器的输出端和跨阻放大器复制电路的输出端，所述前向放大器负载电阻控制电路的输出端连接前向放大器电路的负载电阻控制端；
所述前向放大器电路包括MOS管、无源电阻和三极管，所述MOS管的栅极连接所述前向放大器负载电阻控制电路产生的控制电压，所述MOS管与所述无源电阻并联，其构成所述三极管的集电极负载；
所述前向放大器负载电阻控制电路包括第一射极跟随器、第二射极跟随器、一阶RC低通滤波器和线性放大器，所述第一射极跟随器用于对所述跨阻放大器复制电路的输出电压进行电平偏移，以产生参考电压；和所述第二射极跟随器用于对所述跨阻放大器的输出电压进行电平偏移，其中所述跨阻放大器复制电路的输出电压等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压，所述一阶RC低通滤波器用于对电平偏移后的跨阻放大器的输出电压进行时域平均，所述线性放大器用于产生控制电流，通过控制电流产生控制电压，随着输入光功率的增大，跨阻放大器的输出电压下降，时域平均输出电压随之下降，在时域平均输出电压下降到低于参考电压时，则线性放大器输出的控制电流增大，负载电阻控制电压下降，等效负载电阻减小，以使跨阻放大器的反馈环路有较大的相位裕度，其中所述等效负载电阻为所述MOS管在线性区的有源电阻跟无源电阻并联的结果；
所述第一射极跟随器包括第二三极管、第一电阻和第二电阻，所述第二三极管的基极连接所述跨阻放大器复制电路的输出电压，所述第二三极管的发射极通过第一电阻和第二电阻接地，其构成第一射极跟随器；
所述第二射极跟随器包括第三三极管、第三电阻和第四电阻，所述第三三极管的基极连接所述跨阻放大器的输出电压，所述第三三极管的发射极通过第三电阻和第四电阻接地，其构成第二射极跟随器；
所述一阶RC低通滤波器包括第五电阻和第一电容，所述第五电阻连接所述第一电容；
所述线性放大器包括由第一MOS管和第二MOS管构成的第一对电流镜、由第三MOS管和第四MOS管构成的第二对电流镜、由第五MOS管和第六MOS管构成的第三对电流镜，第四三极管、第五三极管、第六电阻、第七电阻和第二电流源，所述第四三极管的基极连接所述一阶RC低通滤波器的输出端，所述第四三极管的集电极连接所述第一对电流镜，所述第四三极管的发射极连接第六电阻的一端，所述第五三极管的基极连接所述第一射极跟随器产生的参考电压，所述第五三极管的集电极连接所述第二对电流镜，所述第五三极管的发射极连接第七电阻的一端，所述第六电阻和所述第七电阻的另一端连接所述第二电流源，所述第一对电流镜和所述第二对电流镜均连接所述第三对电流镜；
所述前向放大器负载电阻控制电路还包括第八电阻和第九MOS管，所述第九MOS管的源极连接所述第八电阻，所述第九MOS管的栅漏极产生控制电压；
还包括由第七MOS管和第八MOS管构成的第四对电流镜，利用所述第四对电流镜对所述线性放大器产生的控制电流进行复制，以控制流过第八电阻和第九MOS管的电流，以产生控制电压。
2.根据权利要求1所述的大动态范围跨阻放大器，其特征在于：所述前向放大器电路还包括第一三极管和第一电流源，所述第一三极管的基极连接三极管、MOS管和无源电阻构成的共射极放大器的输出端，所述第一三极管的发射极连接所述第一电流源，其构成射极跟随器。
3.根据权利要求2所述的大动态范围跨阻放大器，其特征在于：所述前向放大器电路还包括所述三极管、MOS管和无源电阻构成的共射极放大器输出端的寄生电容。
4.根据权利要求1所述的大动态范围跨阻放大器，其特征在于：所述跨阻放大器复制电路包括跨阻和放大器，所述放大器与所述前向放大器电路具有相同的拓扑和相等或成比例的电路参数，其中所述跨阻放大器复制电路中的MOS管的栅极连接电路中的最高电位，以使该MOS管截止，集电极负载仅由无源电阻贡献。
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