CN1832338A - 带有执行电源信号调整的信号放大电路的互阻抗放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种执行信号放大的互阻抗放大器，其包括接收输入信号的第一输入端、接收电源信号的第二输入端、接收控制信号的第三输入端和产生输出信号的输出端。所述互阻抗放大器包括至少一个信号放大电路，其接收所述电源信号、输入信号和控制信号并且响应于所述控制信号执行对所述输入信号的信号放大和对所述电源信号的调整。

Description

带有执行电源信号调整的信号放大电路的互阻抗放大器
技术领域
本发明涉及互阻抗放大器，更具体地说，涉及带有信号放大电路的互阻抗放大器。
背景技术
互阻抗放大器在许多应用中都是很有用的。一种设计互阻抗放大器(TIA)的方法是直接把放大级和供电轨(power supply rail)(例如，V_CC)相连接。在这种方法中，互阻抗放大器不具有任何用于放大级的电源调整的电路。这类没有电源调整的TIA的一个缺点在于TIA表现出较差的电源抑制力。
另一种设计互阻抗放大器(TIA)的方法是利用分流稳压器来提高TIA的电源抑制力。可以理解，虽然带有分流稳压器的TIA相比第一种方法而言具有更好的电源抑制力，但是需要附加的电流来维持放大器级的内部电源调整。这个附加电流对放大器级的信号带宽没有贡献并且实质上为了得到良好的电源抑制而被浪费掉了。
TIA的设计方法的另一个示例在如下的题为“A Novel CMOSTransimpedance Amplifier for DVD Application(用于DVD应用的新型CMOS互阻抗放大器)”，Sau-Mou Wu，Chung-Yuan Chen，ECCTD’03-European Conference on Circuit Theory and Design(欧洲电路理论和设计会议)，2003年9月1-4，Cracow，Poland，pages 233-236中被提出。
目前的三级互阻抗放大器电路体系结构的一个缺点在于该体系结构把电流从主晶体管放大器转移到gm-连接的负载上。因此，需要相对较多的电流来产生满足放大器性能需求所需的增益。
目前的三级互阻抗放大器电路体系结构的另一个缺点在于该体系结构利用内部轨(internal rail)上的调整器来进行噪声抑制，但是该调整器需要通过单独的放大器来把附加电流分流到地。因此这种设计需要更多的电流并且也需要附加的电路元件来实现所述单独的放大器。
在互阻抗放大器电路的设计中的其他难题包括减少放大器的电流消耗，据此减少电路的功耗，同时提高互阻抗放大器的带宽。
基于前述的讨论，仍然需要克服了前面所提到的缺点的带有自偏置调整器的互阻抗放大器。
发明内容
根据本发明的一个实施例，描述了一种带有自偏置调整器的互阻抗放大器。所述进行信号放大的互阻抗放大器包括接收输入信号的第一输入端、接收电源信号的第二输入端、接收控制信号的第三输入端以及产生输出信号的输出端。所述互阻抗放大器包括至少一个信号放大电路，所述信号放大电路接收电源信号、输入信号和控制信号并且响应于控制信号执行对输入信号的放大和对电源信号的调整。
附图说明
附图中以示例性而不是限制性方式示出了本发明，并且在附图中相似的标号指示相似的元件。
图1示出了根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的框图。
图2更详细的示出了根据本发明第一实施例的图1的集成放大电路和电源调整器。
图3示出了根据本发明第二实施例的图2的互阻抗放大器的示例性电路实现方式。
图4的流程图示出了根据本发明一个实施例的互阻抗放大器所执行的方法。
图5示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光耦合器应用的框图。
图6示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光传感器应用的框图。
图7示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光学介质应用的框图。
具体实施方式
本发明描述了一种带有自偏置调整器的互阻抗放大器。在下面的描述中，为了解释的目的，给出了大量具体的细节以提供对本发明的全面理解。然而对于本领域的技术人员应当清楚本发明可以在没有这些具体细节的情况下实行。在其它的例子中，为了避免对本发明造成不必要的混淆，以框图的形式示出了公知的结构和设备。
根据本发明的一个实施例，提供了一种带有既保存了电流又不牺牲带宽的自偏置调整器的互阻抗放大器。
带有自偏置调整器的互阻抗放大器100
图1示出了根据本发明一个实施例的互阻抗放大器(TIA)100的框图。互阻抗放大器(TIA)100包括产生信号(例如，电流信号，I_top)的电流源110。电流源110包括耦合到第一预定信号(例如，电源信号，V_DD)的第一电极和耦合到电源节点(例如，S_bias节点)112的第二电极。
互阻抗放大器(TIA)100还包括参考信号设置电路(RSSC)120，其包括耦合到控制节点122(例如，V_bias节点或V_ctrl节点)的第一电极和耦合到第二预定信号(例如，地信号)的第二电极。在一个实施例中，在下文中将参考图3进行更详细的描述，S_bias节点112和V_bias节点122是不同的节点。在可替换实施例中，S_bias节点112和V_bias节点122可以是相同的节点。
互阻抗放大器(TIA)100还包括集成放大电路和电源调整器140。集成放大电路和电源调整器140包括为输入信号134提供信号放大的放大电路144和调整电源信号118(例如，通过提供电源噪声抑制)的调整电路148。注意放大电路144和调整电路148可以共享一个或多个晶体管。互阻抗放大器100还包括提供输出信号160的输出电极。
反馈元件150包括耦合到输入节点132的第一电极和耦合到集成放大电路和电源调整器140的输出节点162的第二电极。
集成放大电路和电源调整器140包括接收输入信号134的第一输入端、接收电源信号118的第二输入端、接收控制信号124的第三输入端以及产生输出信号160的输出端。
根据一个实施例，至少有一个接收电源信号118、输入信号134和控制信号124的信号放大电路(例如，增益级)响应于控制信号124，执行对输入信号134的放大和对电源信号118的调整。
根据一个实施例，集成放大电路和电源调整器140包括利用供电信号(例如，电流源信号，I_top)进行信号放大和电源信号调整的机构(例如，至少一个增益级)。在这一点上，互阻抗放大器在这里也指的是带有自偏置调整器的TIA，因为不需要单独的偏置电流来操作调整电路148。
输入元件130包括耦合到预定信号(例如，地电压信号)的第一电极和耦合到输入节点132的第二电极，所述输入节点132耦合到集成放大电路和电源调整器140。输入元件130可以是传感器元件，例如光电二极管、电流发生传感器或者其他产生要被检测的信号(例如，电流信号)的传感设备。
图2更详细的示出了根据本发明第一实施例的图1的集成放大电路和电源调整器140。放大电路144可以包括单级或者多级。例如，放大电路144可以具有“n”级。在一个示例中，互阻抗放大器100包括三级(例如n＝3)：第一级210、第二级220和第三级230。
第一级210可以是增益级，第二级220也可以是增益级。第三级230可以是输出级。在一个示例中，输出级230是AB类输出级，其结构和操作对于本领域的技术人员都是公知的。在下文中将参考图3更详细的描述第一级210、第二级220和第三级230的示例性实现方式。
注意电流源110提供预定信号(例如，电流信号，I_top)给互阻抗放大器的各级。优选地，为了提高电源噪声抑制，电流源170为电源V_DD提供高阻抗，从而实现非常有利的电路对噪声的免疫。
第一放大器级210是三级CMOS放大器的第一级。第一放大器级210包括接收输入信号134的第一输入端和接收控制信号(例如，V_CTRL)124的第二输入端。例如，控制信号可以控制提供给第一级210、第二级220和第三级230的电流。在一个实施例中，放大级所需要的电流随控制信号124(例如，控制电压信号)单调的变化。在一个实施例中，加偏压到放大级的电流由控制信号控制。利用电源调整反馈实现该电流与I_top所提供的电流之间的均衡。集成放大电路和电源调整器充当或操作为分路稳压器，所述分路稳压器与互阻抗放大器100的放大或增益级集成在一起。
第二放大器级220耦合到第一级210并且提供进一步的信号放大。第三级可以用具有更好的负载驱动能力的AB类输出级来实现。第三级230的输出(O/P)可以利用互阻抗反馈元件150耦合到第一级210的输入端。在一个示例中，互阻抗反馈元件150可以利用电阻器并联电容器来实现。
互阻抗放大器100还包括射极跟随电路240。电流源110产生预定电流(例如I_top)，该预定电流在三个电流通路之间分流。例如，放大器的每一级都分别有电流通过。例如，预定电流，I_top，可以被分流为I1、I2和I3。
示例性电路实现方式
图3示出了根据本发明一个实施例的图2的互阻抗放大器的示例性电路实现方式。参考图2注意到，TIA包括三级放大器设计，其包括第一级、第二级和第三级。第一级用晶体管M1来实现，且晶体管M1的负载用晶体管M101来实现。第二级用晶体管M2来实现，且晶体管M2的负载用晶体管M102来实现。第三级用晶体管M3来实现，且晶体管M3的负载用晶体管M5来实现。
第一级包括增益元件(例如，晶体管M1)和相应的负载(例如，晶体管M101)。类似地，第二级包括增益元件(例如，晶体管M2)和相应的负载(例如，晶体管M102)。第三级包括带有负载(例如，晶体管M5)的晶体管M3，该负载耦合到可以是电阻性的、电容性的或者既是电阻性又是电容性的(例如，RL、CL或两者)负载(未示出)上。
反馈元件R_f和C_f耦合在输出节点和输入节点之间。晶体管M99和M100用来实现参考信号设置电路120。可以利用晶体管M99和M100来影响或设置在V_bias节点和S_bias节点处的信号。
现在将描述电流I1、I2和I3是如何建立、确定或设置的。
设置电流I1和I2
电流I1和电流I2由V_bias节点处的V_bias信号(也称为V_cntrl信号)设置。V_bias信号(例如，V_bias电压信号)由参考信号设置电路120确定。参考信号设置电路120设置到放大器模块的内部供应信号(例如，DC电压电平)。另外，可以提供并联的电容器分流设备作为低通滤波器来抑制从电源节点注入到放大器的噪声。
在这个实施例中，V_bias信号设置电路120用层叠二极管结构来实现。例如，层叠二极管结构可以是多层MOS二极管与分流电容器并联。在一个实施例中，层叠二极管结构包括堆叠在晶体管M99上的晶体管M100。注意晶体管M99和M100每个都具有漏电极、栅电极和源电极。对于晶体管M99和M100，漏电极耦合到栅电极以实现串联的两个二极管。注意这可以用其它设置V_bias信号(例如，V_bias电压信号)的公知电路来实现。
确定电流I3
电流I3由电流镜确定，该电流镜在本实施例中用晶体管M4和M5实现。在这个实施例中，互阻抗放大器100包括这样的电路拓扑结构，其中晶体管M101是第一级210的负载。类似地，晶体管M102是第二级220的负载。第一增益晶体管可以用晶体管M1实现，第二增益晶体管可以用晶体管M2实现。由于负载连接在增益晶体管的上面，所以注意相同的电流流经晶体管M101和晶体管M1。类似地，注意相同的电流流经晶体管M102和晶体管M2。在这一点上，每一级的增益就是负载晶体管和增益晶体管的增益的比。例如，第一级的增益是晶体管M101的增益和晶体管M1的增益的比。类似地，第二级的增益是晶体管M102的增益和晶体管M2的增益的比。
晶体管M1、晶体管M2和晶体管M3是放大晶体管(这里也称为增益晶体管)。晶体管M99和晶体管M100设置负载的V_bias节点处的V_bias信号(例如，V_bias电压信号)。晶体管M4和晶体管M5具有双重功能。首先，晶体管M4和晶体管M5为放大器提供前向反馈通路。其次，晶体管M4和晶体管M5还把电流(例如，流经晶体管M102的电流)映射到第三级230(也称为输出级)。晶体管M101和晶体管M102分别是晶体管M1和晶体管M2的负载(例如，二极管连接的负载)。
晶体管M0为调整器提供反馈通路。在一个实施例中，互阻抗反馈元件150用电阻器(R_f)并联电容器(C_f)来实现。电阻器R_f是反馈元件。电容器C_f是互阻抗放大器的补偿电容器。V_bias信号设置电路120用包括晶体管M99和晶体管M100的层叠二极管结构来实现。
调整器操作
根据一个实施例，调整器148的操作如下。例如，当S_bias信号由于正瞬变而上升时，晶体管M0感应到这个上升并且依此引起V_bias信号上升。注意晶体管M0作为射极跟随器，这里源电极跟随栅电极处的信号。V_bias信号(例如，V_bias节点处的电压信号)的上升引起流经晶体管M101的电流增大。例如，流经晶体管M101的漏电流增大，从而使S_bias节点上的信号降低。S_bias轨上的降低通过校正或补偿S_bias信号的上升来调整S_bias节点处的信号(例如，电压信号)。
V_bias信号(例如，V_bias节点处的电压信号)的上升还引起晶体管M2的栅电极处的信号(例如，栅极电压信号)增大。随着晶体管M2的栅电极处的信号增大或上升，流经晶体管M2的电流(例如，晶体管M2的漏电流)增大，从而引起流经晶体管M4的电流和流经晶体管M5的电流增加或上升。流经晶体管M4和M5的电流的增大还通过降低S_bias信号(例如，S_bias节点处的电压信号)来补偿正瞬变。
对于负瞬变发生类似但相反的动作。例如，当S_bias信号由于负瞬变而下降或降低时，例如晶体管M0感应到这个下降或降低并且依此引起V_bias信号降低或下降。注意晶体管M0作为射极跟随器，这里源电极跟随栅电极处的信号。V_bias信号(例如，V_bias节点处的电压信号)的下降引起流经晶体管M101的电流降低。例如，流经晶体管M101的漏电流降低，从而使S_bias节点上的信号增大。增大S_bias轨上的信号通过校正或补偿S_bias信号的下降或降低来调整S_bias节点处的信号(例如，电压信号)。
V_bias信号(例如，V_bias节点处的电压信号)的下降或降低还引起晶体管M2的栅电极处的信号(例如，栅极电压信号)降低或下降。随着晶体管M2的栅电极处的信号降低或下降，流经晶体管的电流(例如，晶体管M2的漏电流)降低，从而引起流经晶体管M4的电流和流经晶体管M5的电流同样地降低。流经晶体管M4和M5的电流的降低还通过增大S_bias信号(例如，S_bias节点处的电压信号)来补偿负瞬变。
注意整个电路140用于调整电流。根据本发明的TIA用于调整它自身的电源来提供噪声抑制。换个说法，被用于电源调整的电流也被用于信号放大，从而得到了与现有技术的TIA相比最佳的电源使用率。
还要注意每一级中的电流分支依晶体管的增益比按比例确定。由顶部电流源提供的电流I_top根据驱动器设备的尺寸进行分流，从而使得n-级放大器的电极位置可以在不同的处理条件下进行管理和控制。
随着处理工艺的缩短，电路的速度就提高了。当用更小的几何图形来度量时，最小的电源动态余量(headroom)需求也降低了。这个动态余量可以用电平移动元件(例如，晶体管M0)来调节。这个实施例确保了简单的不依赖于处理属性的设计实现。例如，用这种配置可以实现低电源电压。换种说法，这个实施例提供了适当的电路操作所需要的最低可能的电源状况。
根据本发明的TIA具有节省功耗、提高速度的性能或者他们的组合。在特定速度下，该TIA利用更低的电流来实现与现有技术的TIA拓扑结构相比相同的速度。由于根据本发明的TIA不需要附加的调整电路，而且由于二极管负载不与地相连所以在每一级都没有电流被浪费掉，因此根据本发明的TIA因不需要附加的电源调整电路而具有更高的速度、更低的功耗并且节省了尺寸。
带有自偏置调整器的互阻抗放大器所执行的处理
图4的流程图示出了根据本发明一个实施例的互阻抗放大器执行的方法。在步骤410中，根据本发明的互阻抗放大器接收要被测量的第一输入信号(例如，光电检测器所产生的电流信号)。在步骤420中，根据本发明的互阻抗放大器从节点(例如，提供V_int信号的电流源的节点)处接收第二输入信号。在步骤430中，根据本发明的互阻抗放大器从节点(例如，提供V_cntrl信号的电流源的节点)处接收第三输入信号。在步骤440中，根据本发明的互阻抗放大器基于第一、第二和第三输入信号产生输出信号。在步骤450中，互阻抗放大器(例如，至少一个增益级)被用来执行对输入信号的放大和对电源的调整(例如，电源噪声抑制)。
光学隔离应用
图5示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光学隔离应用500(例如，光耦合器应用)的框图。光学隔离应用500包括分离光源510和传感器(例如，光电检测器或光电二极管)520的光阻隔器。根据本发明的互阻抗放大器(TIA)530可以耦合到传感器520。反馈元件可以与TIA 530并联耦合。
光学隔离应用一般具有中等的速度性能和中等到较高的功率消耗。例如，光学隔离应用比磁隔离应用具有更好的安全性和隔离性能。本专利申请的受让人是光学隔离产品和解决方案的提供者。根据本发明的TIA使得光学隔离应用具有更高的性能(例如，保持光学通道的隔离属性)和更低的电源需求(例如，磁隔离解决方案的电源需求)。
光电二极管前置放大器应用
图6示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光传感器应用600的框图。光传感器应用600可以是但不限于红外接收器、环境光传感器和近距离传感器604。传感器620(例如，光电检测器和光电二极管)被用来检测光。根据本发明的互阻抗放大器(TIA)630可以耦合到传感器620。反馈元件可以与TIA 630并联耦合。受让人是这种产品和解决方案的制造者。
光学介质应用
图7示出了可以利用根据本发明一个实施例的互阻抗放大器的光学介质应用700的框图。光学介质应用700包括光学介质704和产生光的光源(例如，激光器)708，所述光入射到介质704上并且由此被反射给传感器(例如，光电检测器或光电二极管)720。在一个实施例中，这可以在光学介质阅读前置放大器714中实现。例如，根据本发明的互阻抗放大器(TIA)730可以耦合到传感器720。反馈元件740可以与TIA 730并联耦合。
根据本发明的带有自偏置调整器的TIA可以被包含在各种不同的电子设备中，这些电子设备包括但不限于光耦合器、光学介质应用、传感器前置放大应用、红外收发器、近距离传感器和光学介质应用。
注意根据本发明的机构(例如利用电流源信号进行信号放大和电源信号调整的机构，包括带有不接地负载的至少一个增益级的机构以及利用至少一个增益级来放大输入信号和通过执行电源信号噪声抑制来调整电源信号的机构)不限于上述实施例和应用，而是可以被用于对其它类型的应用执行放大和调整功能。
在前述说明书中，已经参考具体实施例对本发明进行了描述。然而，很明显可以进行各种修改和变化而不脱离本发明的更宽的范围。因此，说明书和附图应被当作是示例性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种互阻抗放大器，包括：
接收输入信号的第一输入端；
接收电源信号的第二输入端；
接收控制信号的第三输入端；
产生输出信号的输出端；以及
至少一个信号放大电路，所述信号放大电路接收所述电源信号、输入信号和控制信号并且响应于所述控制信号执行对所述输入信号的信号放大和对所述电源信号的调整。
2.如权利要求1所述的互阻抗放大器，还包括：
利用电源信号进行信号放大和电源信号调整的机构。
3.如权利要求2所述的互阻抗放大器，其中所述机构利用电流源信号。
4.如权利要求1所述的互阻抗放大器，还包括响应于所述输入信号提供所述输出信号的一个或多个增益级。
5.如权利要求1所述的互阻抗放大器，其实现在光学隔离应用中。
6.如权利要求1所述的互阻抗放大器，其实现在光传感器应用和光传感器前置放大器之一中。
7.如权利要求1所述的互阻抗放大器，其实现在光学介质应用中。
8.一种系统，包括：
光传感器，用于响应于光能量产生输入电流信号；以及
互阻抗放大器，用于响应于所述输入电流信号产生输出信号；其中所述互阻抗放大器包括至少一个增益级；并且其中所述互阻抗放大器包括与所述增益级共享至少一个晶体管的自偏置调整器。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述互阻抗放大器包括多个增益级以响应于输入信号提供输出信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述互阻抗放大器还包括反馈电路，以响应于所述输出信号改变所述输入信号和所述输出信号之间的放大增益。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述互阻抗放大器还包括控制所述自偏置调整器的参考信号设置电路。
12.如权利要求8所述的系统，还包括产生电流I_top的电流源；其中所述增益级利用所述电流的至少一部分进行信号放大；并且其中所述自偏置调整器利用所述电流的一部分进行电源信号的调整。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述自偏置调整器利用所述电流的一部分来抑制电源噪声。
14.如权利要求8所述的系统，其中所述光传感器包括光电二极管和光电检测器之一。
15.如权利要求8所述的系统，其实现在光学隔离应用中。
16.如权利要求8所述的系统，其实现在光传感器应用和光传感器前置放大器之一中。
17.如权利要求8所述的系统，其实现在光学介质应用中。
18.一种方法，包括：
接收输入信号；
接收电源信号；
接收控制信号；
基于所述输入信号、电源信号和控制信号产生输出信号；以及
响应于所述控制信号执行对所述输入信号的信号放大和对所述电源信号的调整。
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