CN85102973B - 电流电压转换型放大器尤其是光接收装置的前置放大器 - Google Patents

Abstract

具有电流电压转换的放大器，尤其可作为光接收装置的前置放大器，在通常的设计中，问题是如何获得较宽频带而又有高灵敏度。本发明对转移阻抗放大器类的反馈电阻和高阻抗放大器类的负载电阻采用专门结构和布置，使问题基本解决，后者具有高阻值和极低的串、并电容，电阻器由沉积在一衬底上的电阻带（１）和导电带（２、３）组成，导电带平行于电阻带延伸，且两者以终端相接，为减小并联电容，衬底布置在离放大器箱和放大器板一定距离处。

Description

电流电压转换型放大器尤其是光接收装置的前置放大器

本发明涉及一种利用通过电阻的电流反馈实现的转移阻抗放大器，用于将电流输入转换成电压输出。

此种转移阻抗放大器例如在1980年9月20日的月刊“EDN”〔《工程部门通知》〕上第161-164页Y。奈泽尔（Y.Net-zer）所发表的文章中已经阐述。在以PIN型光电二极管为光敏检测器的光接收装置中转移阻抗放大器作为低噪声前置放大器十分适用。

众所周知，在上述那种应用中，转移阻抗放大器的反馈电阻，尽可能地使放大器的噪声输入减小，这一点主要决定于电阻器的噪声电流，而反馈电阻与放大器的输入电容的乘积也应尽可能地小，以获得最宽的频带，这是因为，频带宽度近似地与A/R·C成正比的缘故。这里，A为开环增益，R为反馈电阻值而C为放大器的输入电容。

由此可见，大的反馈电阻虽然能改善噪声特性，然而却减小了带宽，所以制造一个既具有较宽的频带而又有较低的噪声输入的放大器是相当地困难的。

《电子通信》〔《Electronics Letters》〕第15卷，第20期，第650-652页介绍了一种转移阻抗放大器，这种放大器具有相当宽的频带，即112兆赫。但由于反馈电阻值小到5.1千欧，所以出现过高的输入噪声，因而灵敏度很低，满足不了对光接收装置的要求。

鉴于上述，本发明的目的即在于提出一种频带既宽输入噪声又低而具有高灵敏度的转移阻抗放大器。

上述目的可由权利要求1中所述来实现;而进一步对放大器特性的改进，则在权利要求2到7中提出。

在权利要求1中提供的解决方法和其附属权利要求中所述的改进，具有下述优点。

按权利要求1中所述的方法实施反馈电阻时，参加构成放大器输入电容的寄生串联电容就能显著减小，可减小到防止放大器产生振荡所需的数值;而从上述第一篇参考文献可知，这种附加在输入电容上的串联电容是会造成频带宽度降低的。

由于导电带是并排于十分靠近电阻带的，故在导电带与电阻带之间的分布并联电容将起作用，以致该反馈电阻器成为一个具有低串联电容而使高频电流反馈也能通过的RC复合网络，因此，在放大器环路中的噪声源得以降低。

由于如权利要求2中所述，每对导电带中比较短的一个是连接到输入端的，故在输入端产生的导电带与接地面积间形成的并联电容比输出端的这类电容小。

因此，附加到放大器的输入电容上的这种会降低频带宽度的并联电容可被保持在最小值。

如权利要求3所述的导电带的矩形伸出使串接的电容能适应不同的应用，尤其是当这些矩形伸出被置于各导电带的内端时更能起到这种作用，这些伸出也会添加不大的并联电容以抵销在反馈电阻附近产生的寄生电容。

如权利要求3中所述，衬底与放大器板和箱保持一定距离，可保证并联电容减少到无妨害的量值，这些并联电容是由于电阻带及与之相连接的导电带，由于放大器板或放大器箱壳的接地面积形成的。

在权利要求5中所述的是减小反馈电阻与放大器板或放大器箱壳间并联电容的另一种可以选用的方案，其中反馈电阻是置于放大器板上的，而放大器板则与放大器箱壳保持一定距离。但此时，必须保证反馈电阻附近的放大器板上不能有导电面出现，因为这种面与反馈电阻间会产生并联电容。从生产的经济性看，则并联电容问题的这种解决法显得比较有利。

如果说权利要求1-5中所述的是单纯由于放大器的反馈网路（又称β网路）的设计和布置所形成的改进，则权利要求6阐述了前置部分V〔图1〕（也称为“μ网路”）的一个较好实施方案，它进一步改善了放大器的噪声性能和频宽。众所周知放大器输入端的栅-阴极具有这样的性质，即它加给放大器的输入电容较小，差动放大器则增大了开环增益，而且根据上述关系，RC乘积没有增加，所以也提供了宽的频带。

在研究报告BMFT-FB-T82-012中第63和64页，题为“波长为1200毫微米的光纤通信系统”〔“Optisches，glasfasergebundenes Nachrichtensystem bei Wellenl

ngenum 1200nm”〕文章中，阐述了在栅-阴放大极后有一差动放大器的转移阻抗放大器。但是，为了改善噪声而选用了较高阻值（100千欧）的反馈电阻，也没有减少输入电容的措施，因而该放大器的频带宽度相当小（10兆赫）。对传输速率为34兆波特/秒来说该放大器的频宽还是足够的。

现有的转移阻抗放大器具有几个AC耦合（见示意接线图）。在权利要求7中所述的转移阻抗放大器则不同，它完全是直接耦合，其优点在于，信号的DC分量在处理过程中不会丢失，而且，由于反馈补偿了偏移的分量，所以不需要外部调节（三极）晶体管的工作点。

图1为转移阻抗放大器的主要电路图;

图2为本发明中放大器的反馈电阻器的顶视图;

图3为转移阻抗放大器的纵剖面图，表明反馈电阻器的位置;

图4为放大器的电路图。

下面将参照上述附图并结合实例对本发明详细说明。

根据基本原理所构成的转移阻抗型放大器，如图1所示，为具有电流反馈的放大器，它能将一输入电流，例如光电二极管D的电流，转换成输出电压，而此电流与电压的转换比则等于反馈电阻值R_G。

现有的问题是，反馈电阻的寄生串联电容必须避免或补偿，根据本发明采用如图2所示的反馈电阻R_G的方法使问题获得解决。该电阻主要由一个用低电导材料制成的电阻带1和至少一对用高电导材料制成的导电带2和3组成，它们居于电阻带两侧中的一侧，并与该电阻平行，它们的两个外端则接到电阻带的两端上。该连接是这样的，即将导电带2和3的两个外端延伸到同一材料的加大面积的接触部分4里，于此与电阻带的两端相连接，电阻带1、导电带2和3以及接触部分4用薄膜技术牢固地沉积在一个由绝缘材料构成的衬底5上。采用薄膜沉积的好处就是电阻上的电压与噪声源的关连较小。但在某些应用中，宜采用厚膜沉积。

导电带2和3所形成的串联电容很小，约为20到30微法，此数值可根据需要来整定，只通过改变导电带的两个内端间的距离的方法即很容易得到调整。应看重指出，反馈电阻上微量的串联电容是必要的，因为零串联电容会使转移阻抗放大器在高开路增益时振荡。

图2所示的电阻器在工作期间，问题变为，放大器的特性还受导电带2，3和电阻带1之间的距离的影响，此距离不得太大。因此，还有一个重要的问题是，电阻带和导电带之间存在着分布并联电容，以致于这一回路便不是一只电容器和一只电阻器的并联组合，而是一个颇为复杂的RC网络。

如图所示的一对导电带2和3，可以用2对或更多对导电带布置在电阻带1的一侧或两侧来代替。

由于图2的电阻是装在一个放大器罩里的，放大器具有较大的导电面积作为接地面积，还具有一个完整的金属箱作为密封，所以反馈电阻与放大器板或放大器箱的导电面积之间也有并联电容，按下述方法安置反馈电阻，能够显著地减少电容，但是不能中和掉。

众所周知，输入电容会降低频带宽度，因此，为了把这种附加到输入电容上的并联电容减到最小，对导电带2和3采用不同的长度，而将较短的导电带2接到放大器输入端。

如果这些寄生电容必须在放大器电路内进行抵销，则可在导电带的适当位置上作些伸出端6，如图2中虚线所示，这些伸出端6垂直于相应的导电带。若这样的伸出端设在导电带内端附近，则串联电容将会受到附加的影响，因此移动这样的伸出端，以这样一种简单的方式就能获得调整，例如用作补偿光电二极管的偏差。

图3所示的放大器箱的纵断面图说明带有反馈电阻的衬底在放大器中所处的位置，如前所述，这一位置有利于减小并联电容。

关于放大器箱，图3表示出了箱底7、箱壁8和箱盖9。附于箱底7上的是放大器板10，10上有各种放大部件（图中未示出）装配成混合集成电路。在整个放大器电路中，只表示出反馈电阻的连接位置，它表示本发明的较佳实施方案。图2所示的带有这种反馈电阻的衬底5是装在两个支柱11的顶上的，该支柱的下面则座在放大器板10上。支柱11最好为环形断面，且其直径约等于衬底5的宽度，要保证衬底5所处的位置与放大器板板间有足够的距离，以尽量减小在反馈电阻与放大器或箱底上的导电面积之间产生的并联电容。同理，对放大器箱高度的选择也应使箱盖9与衬底5之间分开一足够大的空间。

衬底5上的反馈电阻接到放大器板上电路中的反馈电阻里，是用两根导线12、13从它的接触部分4（图2）接到放大器板上接触面的，电源和输出端14则从转移阻抗放大器的箱底引出来。

另外一种减小这种并联电容的方法，从制造角度来看可能更为有利的，是将载有反馈电阻的衬底当作放大器板的一部分，在这种布置中，放大器板上的导电面积应与反馈电阻保持一足够的空间，以使并联电容减少到所需的程度。为了避免在放大器板与箱体间产生过大的并联电容，安装在箱内的放大器板对箱底及箱盖都保持一定的距离。

现参照图4作如下说明，在转移阻抗放大器的前置部分V（图1）的电路（也称为“U网络”）中，为了改善放大器特性采取的措施：

一个光电二极管D（最好是一只PIN光电二极管）反向地通过电阻R₁接到电压源的正端+U₁电阻器R₁和电阻器C₁形成一个滤波器，用以抑制叠加在电源电压上的射频电压。其C₁的一端接到电阻器R₁和二极管D的结点上，其另端接地。光电二极管的阴极通过电容器C₁接地，给交流电流提供了通路。光电二极管以常规方式控制，栅-阴放大极则由镓砷场效应晶体管T₁和一只双结晶体管T₂所组成。为此，光电二极管的阳极接到场效应晶体管T₁的栅极。以常规方式接到这一栅极的还有反馈电阻R_G，但必须按上述本发明的要求来实施和定位。场效应晶体管T₁的源极接地，其漏极通过一负载电阻R₂而接到电源的正电端+U上。隔直流电容器C₂接在负载电阻R₂与正电源+U相连的一端和地之间以对高频交流电流提供对地短路回路。晶体管T₂的集电极通过一负载电阻R₃连接到电源的负端-U，它是通过一只隔直流电容器C₉而短接于地的，以为交流电流提供一通路，晶体管T₂的基极通过低值降压电阻R₄连接到R₅和R₆两个电阻间的结点上，这两只电阻被安插在+U与地之间作分压器使用。一只隔直流电容器C₄连接在电阻R₅与R₆的连结点与地之间，作为将高频交流电流短接入地，连同降压电阻R₄起到阻止晶体管T₂的任一高频振荡。

本发明的最佳实施方案为，栅-阴放大极的电压输出是在其后一级差动放大器中放大的，它是在差动放大器提供电流反馈和产生放大输出电压（经一射极跟随器）之前被放大的，这一步骤提高了开环增益A，故除前述按本发明所完成的反馈电阻外，在这里按本文开始所给的关系处理转移阻抗放大器的频带也能获得加宽。

差动放大器主要地由两只双结晶体管T₃和T₄所组成，它们的发射极通过一只公用的射极电阻R₉连接到电压源的一端，而集电极则分别通过集电极电阻R₁₀和R₁₁连接到电源的另一端。两只电阻R₇和R₈串联在+U和晶体管T₂的集电极之间形成一只分压器，向晶体管T₃提供基极偏压。对电阻R₈并联一只电容器C₅作为旁路，以防止从栅-阴放大极耦合到差动放大器的输入上的交流电压信号经过电阻R₈而产生电压降。晶体管T₄的基极与电阻R₁₂，R₁₃和R₁₄以及电容器C₇之间的连接也和上述对晶体管T₂所作的连接相同，不再重述。晶体管T₄的集电极接到放大器的输入端，也即经过反馈电阻R_G接到场效应晶体管T₁的栅极。

在差动放大器之后连接一只射极跟踪器，以使其输出阻抗适应于下一级主放大器的低输入阻抗，与现有技术中的放大器接法相同。射极跟踪器由双结晶体管T₅组成，它的射极通过一只射极电阻R₁₇接到电压源的一端，它的集电极通过一低值电阻R₁₈接到电源的另一端，以防止晶体管发生高频振荡。

晶体管T₅的基极通过一只去耦电阻R₁₆接到晶体管T₄的集电极在晶体管T₄集电极上连接的电阻R₁₆的一端与地之间串联一只电容器C6和一只电阻R₁₅作为稳定之用。

转移阻抗放大器的输出电压从晶体管T₅的发射极和地之间接出来，T₅连接成射极跟随器。

具有如图1-4所述和上文所解释的本发明特征的一些前置放大器构成的光接收装置为167-兆波特/秒，其具有如下特性：

频宽（衰减到3分贝的频宽） 140兆赫

反馈电阻： 141千欧

灵敏度（在最大位差率为10^-10时）：-43分贝

测量的放大器输入电容： 0.24微微法

因此，与本文开始（《电子通信》…）所写的现有技术中的放大器相比较，输入电容改善了4.36微微法，频宽增大28兆赫以及灵敏度提高了4.6分贝。

应当指出，如图2所示的电阻器不仅适用于转移阻抗放大器，而且也适用于以一个高值电阻串联极小限度电容的任何应用领域。

作为光接收装置的前置放大器用的转移阻抗放大器还可应用另外一种放大器，即所谓的高阻抗放大器，这已经公开于联邦德国专利局公报（DE-OS）32 33 146，图1中。在这种放大器中，输入电容是随着负载电阻所串接或并接的电容而增大的，因此降低了频带宽度。故这种放大器也需要具有低值串接和并接电容的电阻;而且，因为它能使放大器输入噪声，所以还须具有高阻值。这些要求都能被满足只要采用按图2所说的构成电阻器和用图3所述将电阻装入放大器，或在放大器电路中纳入两个上述方案之一即成。

因此，所谓的高阻抗型的放大器，它的频宽和灵敏度也能藉助本发明所涉及的电阻器的特点获得极大的改进。

Claims (7)

1、利用通过一只电阻的电流反馈构成的并用于将输入电流转换为输出电压的转移阻抗放大器，其特征在于：反馈电阻（RG）为在一个衬底（5）上的一个电阻带（1），至少有一对导电带（2、3）以平行于衬底（5）上的电阻带作直线伸长，并且每对导电带（2、3）的两个外侧终端向外伸过该电阻带的两个终端，并相连接。

2、如权利要求1所述的放大器，其特征在于：每对导电带（2、3）具有不同长度，与较短的导电带（2）相连接的反馈电阻的末端是连接到放大器的输入端的。

3、如权利要求1所述的放大器，其特征在于：每对导电带具有垂直方向伸出（6）。

4、如前述权利要求中任一项要求中所述的放大器，其特征在于：具有反馈电阻的衬底（5）是布置在与放大器板（10）和放大器箱有一定距离之处。

5、如权利要求1中所述的放大器，其特征在于：具有反馈电阻器的衬底形成放大器板的一部分，而且后者是放在距放大器箱壳一定距离之处的。

6、如前述权利要求1中所述的放大器，其特征在于，它还带有一个栅-阴放大极，该级包括有一个镓砷型场效应晶体管〔T₁〕和随后有一个差动放大器〔T₃、T₄〕，该差动放大器的输出电压即为所述放大器的输出电压，并且通过反馈电阻〔RG〕传送反馈电流。

7、权利要求1所述的放大器，其特征在于：全部为直接耦合。

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