CN205945659U - 带有增益自举功能的跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了带增益自举功能的跨阻放大器，其特征在于，包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、NMOS晶体管MN5、NMOS晶体管MN6、NMOS晶体管MN7、NMOS晶体管MN8、NMOS晶体管MN9、NMOS晶体管MN10、NMOS晶体管MN11、电流源I0、电流源I1、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C0。解决常用的跨阻放大器输入管的栅漏电容的米勒等效电容对减小跨阻放大器的带宽问题比较严重的问题。

Description

带有增益自举功能的跨阻放大器

技术领域

本实用新型属于放大器电路技术领域，涉及一种带有增益自举功能的跨阻放大器。

背景技术

光信号能量经过光纤在到达远端的光电二极管之前会发生一定的损耗。在远端，光电二极管按照一定的比例将光强转换为电流，然后通过一个跨阻放大器(TIA)将这个电流放大并转换成电压。TIA的设计需要在噪声、带宽、增益、电源电压和功率损耗之间进行权衡，并且在CMOS和双极型技术方面提出了严峻的挑战。

本实用新型涉及的是带有增益自举功能的跨阻放大器的设计内容。

图1给出了常用的跨阻放大器的电路结构。图1中，跨阻放大器由一个高增益单端NMOS晶体管MN1放大器和一个反馈电阻R0组成，其中NMOS晶体管MN2为源极跟随器电路。反馈在输入端产生一个虚拟的低阻抗，实际上所有的输入电流均通过反馈电阻，在输出端形成电压。

跨阻放大器的原理与结构：假设PINA端输入光电流的大小为I_in，则

由图1得：NMOS晶体管MN1的放大倍数A₁为：

A₁ g_{m_MN1} R₁ (1)

其中gm_MN1是NMOS晶体管MN1的跨导；

由于NMOS晶体管MN2为源极跟随器的结构，增益近似为1，所以由NMOS晶体管MN1和NMOS晶体管MN2组成的放大器的增益约为A₁；

V_OUT V_PINA A₁ (2)

其中V_PINA是PINA端的电压。假设输入端总的电容大小为C_in，则：

C_in C_D0 C_{GS_MN1} C_{GD_G} (3)

其中C_D0是光电二极管D0的等效电容，C_{GS_MN1}是NMOS晶体管MN1的栅源电容，C_{GD_G}是NMOS晶体管MN1的栅漏电容等效到栅端的米勒电容，其值为：

C_{GD_G} C_GD(1 A₁) (4)

其中C_GD是NMOS晶体管MN1的栅漏电容；

通常g_{m_MN1} R₁ 1，所以：

C_{GD_G} C_GD g_{m_MN1} R₁ (5)

所以：

即：

反馈放大器提供了一个大约为R₀的中频带跨阻增益，而其具有的时间常数为由于跨阻放大器的主极点位于PINA端，因此，-3dB的带宽等于：

实际应用中，由于NMOS晶体管MN1的栅漏端存在栅漏电容，同时栅漏电容C_GD很大，其米勒等效到栅端的电容为C_GD g_{m_MN1} R₁很大，这样便使得跨阻放大器的输入电容C_in很大，进而使跨阻放大器的带宽变得很小，很难使带宽的设计满足要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有增益自举功能的跨阻放大器，解决常用的跨阻放大器输入管的栅漏电容的米勒等效电容对减小跨阻放大器的带宽问题比较严重的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、NMOS晶体管MN5、NMOS晶体管MN6、NMOS晶体管MN7、NMOS晶体管MN8、NMOS晶体管MN9、NMOS晶体管MN10、NMOS晶体管MN11、电流源I0、电流源I1、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C0；所述NMOS晶体管MN3的漏极、NMOS晶体管MN4的漏极、NMOS晶体管MN5的漏极和电阻R1的一端同时连接电源VDD；所述NMOS晶体管MN3的栅极同时连接电阻R1的另一端、NMOS晶体管MN2的漏极和误差放大器A0的同相输入端；所述NMOS晶体管MN3的源极同时连接电阻R0的一端、电流源I0的正端和跨阻放大器的输出端V_OUT，电流源I0的负端连接GND；所述NMOS晶体管MN4的栅极同时连接NMOS晶体管MN5的栅极和误差放大器A0的输出端VO，NMOS晶体管MN4的源极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接误差放大器A0的反向输入端和NMOS晶体管MN6的漏极；所述NMOS晶体管MN6的栅极同时连接NMOS晶体管MN10的栅极和NMOS晶体管MN7的栅极，NMOS晶体管MN6的漏极连接NMOS晶体管MN8的漏极；所述NMOS晶体管MN8的栅极同时连接NMOS晶体管MN11的栅极、NMOS晶体管MN9的栅极和电容C0的一端，NMOS晶体管MN8的漏极连接GND；所述NMOS晶体管MN10的漏极同时连接电流源I1和NMOS晶体管MN10的栅极，NMOS晶体管MN10的源极同时连接NMOS晶体管MN11的漏极和栅极，NMOS晶体管MN11的源极连接GND；所述NMOS晶体管MN5的源极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接NMOS晶体管MN7的漏极和NMOS晶体管MN2的栅极；所述NMOS晶体管MN7的源极连接NMOS晶体管MN9的漏极，NMOS晶体管MN9的源极连接GND；所述NMOS晶体管MN2的源极同时连接电容C0的一端和NMOS晶体管MN1的漏极；所述NMOS晶体管MN1的栅极同时连接电阻R0的另一端和TIA跨阻放大器的输入端PINA，NMOS晶体管MN1的源极连接GND。

本实用新型的有益效果是：提出带有增益自举功能的跨阻放大器电路对减小输入管的栅漏电容的米勒等效电容对跨阻放大器的带宽的影响已经通过了仿真结果验证。图3给出了常用的跨阻放大器电路和本实用新型中的带有增益自举功能的跨阻放大器电路的交流小信号增益的仿真结果。图中曲线1为常用的跨阻放大器的交流小信号增益的曲线，曲线2是本实用新型所述带有增益自举功能的跨阻放大器的交流小信号增益的曲线。从图3可以看出常用的跨阻放大器的-3dB带宽为1.03GHz，本实用新型中提出的带有增益自举功能的跨阻放大器的-3dB带宽为2.66GHz。从仿真结果可以看出，本实用新型提出的带有增益自举功能的跨阻放大器的-3dB带宽明显好于常用的跨阻放大器的-3dB带宽，其带宽扩展了2.6倍。

附图说明

图1是现有常用跨阻放大器的电路原理图。

图2是本实用新型的跨阻放大器的结构示意图。

图3是常用的跨阻放大器电路和本实用新型中的跨阻放大器电路的交流小信号增益的仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

一种带有增益自举功能的跨阻放大器，结构如图2所示。

包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、NMOS晶体管MN5、NMOS晶体管MN6、NMOS晶体管MN7、NMOS晶体管MN8、NMOS晶体管MN9、NMOS晶体管MN10、NMOS晶体管MN11、电流源I0、电流源I1、、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C0、；

NMOS晶体管MN3的漏极、NMOS晶体管MN4的漏极、NMOS晶体管MN5的漏极和电阻R1的一端同时连接电源VDD；

NMOS晶体管MN3的栅极同时连接电阻R1的另一端、NMOS晶体管MN2的漏极和误差放大器A0的同相输入端；

NMOS晶体管MN3的源极同时连接电阻R0的一端、电流源I0的正端和跨阻放大器的输出端V_OUT，电流源I0的负端连接GND；

NMOS晶体管MN4的栅极同时连接NMOS晶体管MN5的栅极和误差放大器A0的输出端VO，NMOS晶体管MN4的源极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接误差放大器A0的反向输入端和NMOS晶体管MN6的漏极；

NMOS晶体管MN6的栅极同时连接NMOS晶体管MN10的栅极和NMOS晶体管MN7的栅极，NMOS晶体管MN6的漏极连接NMOS晶体管MN8的漏极；

NMOS晶体管MN8的栅极同时连接NMOS晶体管MN11的栅极、NMOS晶体管MN9的栅极和电容C0的一端，NMOS晶体管MN8的漏极连接GND；

NMOS晶体管MN10的漏极同时连接电流源I1和NMOS晶体管MN10的栅极，NMOS晶体管MN10的源极同时连接NMOS晶体管MN11的漏极和栅极，NMOS晶体管MN11的源极连接GND；

NMOS晶体管MN5的源极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接NMOS晶体管MN7的漏极和NMOS晶体管MN2的栅极；

NMOS晶体管MN7的源极连接NMOS晶体管MN9的漏极，NMOS晶体管MN9的源极连接GND；

NMOS晶体管MN2的源极同时连接电容C0的一端和NMOS晶体管MN1的漏极；

NMOS晶体管MN1的栅极同时连接电阻R0的另一端和TIA跨阻放大器的输入端PINA，NMOS晶体管MN1的源极连接GND。

下面结合图2说明工作原理。本实用新型中提出了带有增益自举功能的跨阻放大器的电路，因此具有增益自举功能的电路是该实用新型实现方式的关键。

在阐述常用的跨阻放大器电路中，由于输入管的栅漏电容在输入端的米勒等效电容很大，对减小跨阻放大器的带宽影响很大，图2中提出的带有增益自举功能的跨阻放大器解决了常用的跨阻放大器中输入管的栅漏电容对减小跨阻放大器的带宽的影响很大的问题。

误差放大器A0使得NMOS晶体管MN2的栅端电压和漏端电压相等，从而保证NMOS晶体管MN2工作在饱和状态。NMOS晶体管MN10的漏端流进与温度成正比的电流(PTAT电流)，NMOS晶体管MN7镜像NMOS晶体管MN10中的电流，因此，流过NMOS晶体管MN7的电流也为PTAT电流，使得NMOS晶体管MN2的栅极电压为与温度成正比的电压。在实际的应用中，随着温度的升高，NMOS晶体管的跨导g_{m_MN2}会下降，由于NMOS晶体管MN2的栅压为与温度成正比，由跨导的饱和区的公式：

$\begin{array}{cc}{g}_{m\_MN2}& \frac{2I_D}{{C_n}_{ox}\frac{W}{L}\left(\begin{array}{cc}{V}_{GS}& V_{th}\end{array}\right)}---\left(9\right)\end{array}$

其中，_n是沟道电子的迁移率，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，是NMOS晶体管的宽长比，V_th是晶体管在NMOS晶体管MN2的源端和衬底端短接，即V_SB＝0时的阈值电压。

因此，从公式(9)可以得出当温度升高时，与温度成正比的栅源电压V_GS抵消了g_{m_MN2}的下降，使得NMOS晶体管MN2的跨导的变化很小。

如图2所示，当跨阻放大器工作在小信号模式时，电容C0短路，NMOS晶体管MN2的跨导g_{m_MN2}通过由NMOS晶体管MN9和NMOS晶体管MN7组成的共源共栅放大器放大A倍，其中：

A g_mMN9(r_o9||r_o7) (10)

其中，g_mMN9是NMOS晶体管MN9工作在饱和区的跨导，r_o9是NMOS晶体管MN9的输出阻抗，r_o7是NMOS晶体管MN7的输出阻抗。

因此，NMOS晶体管MN2的跨导为A g_{m_MN2}；从节点X看NMOS晶体管MN2的电阻为因此，NMOS晶体管MN1在X结点的增益为：

$\begin{array}{cc}{A}_1& \frac{g_{m\_MN1}}{\begin{array}{cc}A& g_{m\_MN2}\end{array}}---\left(11\right)\end{array}$

所以，NMOS晶体管MN1的栅漏电容C_GD等效到跨阻放大器输入端的米勒等效电容C_{GD_G}为：

C_{GD_G} C_GD(1 A₁) (12)

通常A₁ 1，所以：

$\begin{array}{ccc}{C}_{GD\_G}& C_{GD}& \frac{g_{m\_MN1}}{\begin{array}{cc}A& g_{m\_MN2}\end{array}}---\left(13\right)\end{array}$

因此，和常用的共源极结构的跨阻放大器相比，在共源共栅结构的跨阻放大器中的米勒效应小得多。

假设输入端总的电容大小为C_in，则：

C_in C_D0 C_{GS_MN1} C_{GD_G} (14)

由于跨阻放大器的主极点位于PINA端，所以跨阻放大器的-3dB带宽为：

忽略沟道长度调制效应，因为共源共栅结构的电路的输出小信号增益和共源极结构的电路的输出小信号增益相同，所以在本实用新型中提出带有增益自举功能的跨阻放大器的输入管的输入电容明显小于常用的跨阻放大器的输入管的输入电容，因此使得带宽得到了扩展。

图3给出了常用的跨阻放大器电路和本实用新型中的带有增益自举功能的跨阻放大器电路的交流小信号增益的仿真结果。图中曲线1为常用的跨阻放大器的交流小信号增益的曲线，曲线2是本实用新型所述带有增益自举功能的跨阻放大器的交流小信号增益的曲线。从图3可以看出常用的跨阻放大器的-3dB带宽为1.03GHz，本实用新型中提出的带有增益自举功能的跨阻放大器的-3dB带宽为2.66GHz。从仿真结果可以看出，本实用新型提出的带有增益自举功能的跨阻放大器的-3dB带宽明显好于常用的跨阻放大器的-3dB带宽，其带宽扩展了2.6倍。

Claims (1)

1.带增益自举功能的跨阻放大器，其特征在于，包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、NMOS晶体管MN5、NMOS晶体管MN6、NMOS晶体管MN7、NMOS晶体管MN8、NMOS晶体管MN9、NMOS晶体管MN10、NMOS晶体管MN11、电流源I0、电流源I1、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C0；

所述NMOS晶体管MN3的漏极、NMOS晶体管MN4的漏极、NMOS晶体管MN5的漏极和电阻R1的一端同时连接电源VDD；所述NMOS晶体管MN3的栅极同时连接电阻R1的另一端、NMOS晶体管MN2的漏极和误差放大器A0的同相输入端；所述NMOS晶体管MN3的源极同时连接电阻R0的一端、电流源I0的正端和跨阻放大器的输出端V_OUT，电流源I0的负端连接GND；

所述NMOS晶体管MN4的栅极同时连接NMOS晶体管MN5的栅极和误差放大器A0的输出端VO，NMOS晶体管MN4的源极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端同时连接误差放大器A0的反向输入端和NMOS晶体管MN6的漏极；

所述NMOS晶体管MN6的栅极同时连接NMOS晶体管MN10的栅极和NMOS晶体管MN7的栅极，NMOS晶体管MN6的漏极连接NMOS晶体管MN8的漏极；

所述NMOS晶体管MN8的栅极同时连接NMOS晶体管MN11的栅极、NMOS晶体管MN9的栅极和电容C0的一端，NMOS晶体管MN8的漏极连接GND；

所述NMOS晶体管MN10的漏极同时连接电流源I1和NMOS晶体管MN10的栅极，NMOS晶体管MN10的源极同时连接NMOS晶体管MN11的漏极和栅极，NMOS晶体管MN11的源极连接GND；

所述NMOS晶体管MN5的源极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接NMOS晶体管MN7的漏极和NMOS晶体管MN2的栅极；

所述NMOS晶体管MN7的源极连接NMOS晶体管MN9的漏极，NMOS晶体管MN9的源极连接GND；

所述NMOS晶体管MN2的源极同时连接电容C0的一端和NMOS晶体管MN1的漏极；

所述NMOS晶体管MN1的栅极同时连接电阻R0的另一端和TIA跨阻放大器的输入端PINA，NMOS晶体管MN1的源极连接GND。