DE102012213730B4

DE102012213730B4 - Transimpedanzverstärker

Info

Publication number: DE102012213730B4
Application number: DE102012213730.0A
Authority: DE
Inventors: Jonathan E. Proesel; Alexander V. Rylyakov; Clint L. Schow; Jose A. Tierno
Original assignee: GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: CN103001592A; DE102012213730A1; US8593226B2; US20130057348A1

Abstract

Schaltung, welche Folgendes umfasst: einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten, einem zweiten Eingangsknoten, einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten; einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss; einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss; und einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss; und wobei die Schaltung ferner umfasst: einen mit dem ersten Ausgangsknoten und dem Gate-Anschluss des ersten Transistors kommunikativ verbundenen ersten Rückkopplungsteil und einen mit dem zweiten Ausgangsknoten und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors kommunikativ verbundenen zweiten Rückkopplungsteil, wobei der erste Rückkopplungsteil und der zweite Rückkopplungsteil positiven und negativen DC-Offsets bei dem ersten Eingangsknoten und dem zweiten Eingangsknoten linear kompensieren, wobei der erste Rückkopplungsteil und der zweite Rückkopplungsteil DC-Eingangsströme des ersten Eingangsknotens und des zweiten Eingangsknotens in einer positiven Richtung und in einer negativen Richtung linear kompensieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Transimpedanzverstärker.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Transimpedanzverstärker (TIAs) werden häufig verwendet, um ein Eingangsstromsignal in ein entsprechendes Ausgangsspannungssignal umzuwandeln. Übliche TIAs werden häufig in Systemen verwendet, welche von einer Sensoreinheit ein Stromsignal empfangen. Das Ausgangsstromsignal aus der Sensoreinheit wird durch den TIA empfangen und in ein entsprechendes Spannungssignal umgewandelt, das durch einen Prozessor verarbeitet werden kann. Zum Beispiel umfassen optische Empfänger häufig eine Photodiodeneinheit, welche als Reaktion darauf, dass sie einer Strahlungsquelle wie Licht ausgesetzt wird, ein Stromsignal ausgibt. Der TIA empfängt das aus der Photodiode ausgegebene Stromsignal, wandelt das Stromsignal in ein entsprechendes Spannungssignal um und gibt das Spannungssignal aus. Das Spannungssignal kann durch einen Verstärker wie einen linearen Verstärker verstärkt werden, welcher das verstärkte Spannungssignal an einen Takt- und Datenrückgewinnungsblock ausgibt. Der Takt- und Datenrückgewinnungsblock wandelt die verstärkte Spannung in ein digitales Datensignal um und gewinnt ein zugehöriges Taktsignal aus der Datenrate der digitalen Daten zurück. Das Datensignal und das Taktsignal können an eine Prozessoreinheit oder eine Logikschaltung ausgegeben werden.
Die Patentanmeldung EP1881600A2 offenbart eine Methode für die DC-Offsetspannungskompensation, wobei die parasitäre DC-Offsetspannung bei dem Eingangskonten des TIAs durch den Fotodiode-Eingangsstrom erzeugt wird.
KURZBESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schaltung einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten und einem zweiten Eingangsknoten sowie einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss, einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss und einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schaltung einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten sowie einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einen zweiten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss umfasst.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten, einem zweiten Eingangsknoten, einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten, einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss, einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss und einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss umfasst, und einen Verstärkerteil mit einem mit dem ersten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen ersten Eingangsknoten, einem mit dem zweiten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen zweiten Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein System einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten, einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einen zweiten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss umfasst, und einen Verstärkerteil mit einem mit dem ersten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen ersten Eingangsknoten, einem mit dem zweiten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen zweiten Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Schaltung, welche Folgendes umfasst:
einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten; und
einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst:
einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; und
einen zweiten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Eintakt-Inverter-Teil:
einen dritten Transistor mit einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss und einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss;
einen vierten Transistor mit einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss und einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; und
einen Widerstand mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Anschluss.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schaltung eine mit dem ersten Eingangsknoten verbundene Stromausgabeeinheit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Stromausgabeeinheit eine Photodiode.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein System, welches Folgendes umfasst:
einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten, einem zweiten Eingangsknoten, einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten;
einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst:
einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss;
einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss; und
einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss; und
einen Verstärkerteil mit einem mit dem ersten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen ersten Eingangsknoten, einem mit dem zweiten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen zweiten Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem einen Takt- und Datenrückgewinnungs-Teil mit einem mit dem Ausgangsknoten des Verstärkerteils verbundenen Eingangsknoten, einem Datensignal-Ausgangsknoten und einem Taktsignal-Ausgangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem einen Prozessorteil mit einem mit dem Datensignal-Ausgangsknoten verbundenen ersten Eingangsknoten und einem mit dem Taktsignal-Ausgangsknoten verbundenen zweiten Eingangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem eine mit dem ersten Eingangsknoten verbundene Stromausgabeeinheit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Stromausgabeeinheit eine Photodiode.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System, welches Folgendes umfasst:
einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten;
einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst:
einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; und
einen zweiten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; und
einen Verstärkerteil mit einem mit dem ersten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen ersten Eingangsknoten, einem mit dem zweiten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen zweiten Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem einen Takt- und Datenrückgewinnungs-Teil mit einem mit dem Ausgangsknoten des Verstärkerteils verbundenen Eingangsknoten, einem Datensignal-Ausgangsknoten und einem Taktsignal-Ausgangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem einen Prozessorteil mit einem mit dem Datensignal-Ausgangsknoten verbundenen ersten Eingangsknoten und einem mit dem Taktsignal-Ausgangsknoten verbundenen zweiten Eingangsknoten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das System außerdem eine mit dem ersten Eingangsknoten verbundene Stromausgabeeinheit.
Zusätzliche Funktionsmerkmale und Vorteile werden durch die Verfahren der vorliegenden Erfindung realisiert. Weitere Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind hierin ausführlich beschrieben und werden als Bestandteil der beanspruchten Erfindung betrachtet. Die Beschreibung und die Zeichnungen ermöglichen ein besseres Verstehen der Erfindung mit den Vorteilen und Funktionsmerkmalen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, welcher als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung genau dargelegt und deutlich beansprucht. Die vorangehenden und weitere Funktionsmerkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den folgenden beigefügten Zeichnungen hervor.
1 veranschaulicht ein Beispiel nach Stand der Technik einer Schaltung.
2 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Empfängersystems.
3 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Teils des Systems aus 2.
4 veranschaulicht ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer TIA- und Differentialschaltung.
5 veranschaulicht ein Schaubild der V_FB-I_FB-Kennlinie der in 4 veranschaulichten Schaltung.
6 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines massebezogenen TIA mit einem CMOS-Inverter und einer CMOS-Inverter-Transconductor-Schaltung.
7 veranschaulicht ein Schaubild der V_FB-I_FB-Kennlinie der in 6 veranschaulichten Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um einen Eingangsstrom zuverlässig in eine binäre Ausgabe umzuwandeln, wird der Mittelwert des DC-Eingangsstroms (DC, direct current/Gleichstrom) bestimmt und als ein Schwellenwert verwendet, um Eingangsströme unter dem Mittelwert (binäre „0”) von Eingangsströmen über dem Mittelwert (binäre „1”) voneinander abzugrenzen. Das Entfernen des DC-Eingangsstroms ist als Pegelrückstellung bekannt, da es den DC-Pegel auf null zurückstellt, um den Schwellenwert bereitzustellen. Auch eine etwaige DC-Eingangs-Offsetspannung, welche in einem Transimpedanzverstärker (TIA) oder einem Verstärker wie zum Beispiel einem Begrenzungsverstärker vorliegt, sollte kompensiert werden, da die Eingangs-Offsetspannung den Schwellenwert wirksam zwischen 0 und 1 verschiebt. Ein bevorzugter Schwellenwert hat den größtmöglichen Abstand zwischen „0”- und „1”-Pegel, was den größten Raum für Signalrauschen oder andere nicht-ideale Zustände gestattet, die das Signal verfälschen, ohne zu Fehlern in den empfangenen Daten zu führen. Der Abstand zwischen dem Schwellenwert und dem „0”- und dem „1”-Pegel wird als Störabstand bezeichnet. Wenn der Schwellenwert nicht optimal eingestellt ist, kann sich der Störabstand verschlechtern und nimmt die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers zu (d. h. die Bitfehlerrate (BER) steigt).
Eine Rückkopplungsschleife wird häufig verwendet, um in einer Schaltung mit einem TIA und einem Begrenzungsverstärker (LA) Pegelrückstellung und DC-Offset-Kompensation bereitzustellen. In dieser Hinsicht misst die Rückkopplungsschleife den DC-Pegel am Ausgang des LA und sendet sie ein proportionales Signal an den Eingang des TIA zurück, welches den DC-Ausgangspegel entweder auf eine Referenzspannung (bei einem massebezogenen Ausgang) oder auf eine differentielle Null (bei einem Differenzausgang) zwingt. Der DC-Ausgangspegel wird auf einen idealen Schwellenwert gezwungen, wodurch der DC-Eingangsstrompegel zurückgestellt wird und die DC-Eingangs-Offsets von TIA und LA kompensiert werden, der Störabstand maximiert wird und die BER minimiert wird.
1 veranschaulicht ein Beispiel nach Stand der Technik einer Schaltung 100 mit einer TIA-(104) und LA-(106)Schaltung mit einer Tiefpassfilter-(LPF-)Anordnung 102. Die Rückkopplungsschleife kann unter Verwendung des Tiefpassfilters 102 wie zum Beispiel eines Widerstands und einer Kapazität (RC) ausgeführt sein. LPF 102 entnimmt den Gleichanteil des Ausgangs und sendet den Gleichanteil an TIA 104 zurück, um ihn vom DC-Eingangspegel und vom DC-Offset von TIA und LA zu subtrahieren. Der TIA 104 hat zwei Eingänge, wobei der eine Eingang mit der Eingabeeinheit 108 und der zweite Eingang mit der Rückkopplungsschleife verbunden ist. Die Subtraktion des Gleichanteils erfolgt im TIA 104.
In Beispielen nach Stand der Technik von CMOS-TIA-Schaltungen (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor/komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) kann ein zusätzlicher NMOS-Transistor (nicht gezeigt) verwendet werden, um den DC-Eingangsstrom und einen etwaigen DC-Offset im TIA zu subtrahieren. Wenn eine solche Schaltung in einem analogen Rückkopplungssystem verwendet wird, arbeitet die Schaltung schlecht, weil die Verstärkung der Rückkopplungsschleife vom Arbeitspunkt des NMOS-Transistors abhängt. Die schwankende Verstärkung der Rückkopplungsschleife bewirkt, dass der Frequenzgang der Rückkopplungsschleife sich ändert, wenn der DC-Eingangsstrom und die Offsets von TIA und LA schwanken, was die Leistungsfähigkeit der Schaltung in einem analogen Rückkopplungssystem beeinträchtigt. Die Schaltungsanordnung kann Strom nur vom Eingangsknoten subtrahieren und folglich Pegelrückstellung nur bereitstellen, wenn der DC-Eingangsstrom positiv ist (in den Eingangsknoten hineinfließt). Wenn der Gleichstrom negativ ist (aus dem Eingangsknoten hinaus fließt), kann die Schaltung keine Pegelrückstellung bereitstellen.
2 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Empfängersystems 200. Das System 200 umfasst einen TIA 202, einen Verstärker 204, welcher einen Verstärker wie zum Beispiel einen Begrenzungsverstärker umfassen kann, einen Takt- und Datenrückgewinnungsblock (CDR) 206, eine Stromausgabeeinheit 208, welche jede Art von Einheit, die einen Strom ausgibt, wie zum Beispiel eine Photodiode umfassen kann, und eine Rückkopplungsschaltung 210, welche aus einem Tiefpassfilter (LPF) 205 eine Rückkopplungsspannung (V_FB) empfängt. Der LPF 205 kann entweder mit dem Ausgang des Verstärkers 204 oder mit dem Ausgang des TIA 202 verbunden sein. Die Funktionsmerkmale des Systems 200 können als separate Bauteile oder mit einer beliebigen Kombination von als integrierte Bauteile im Chip einer integrierten Schaltung angeordneten Funktionsmerkmalen angeordnet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform gibt das System 200 Signale an eine Prozessoreinheit oder Logikschaltung 212 aus, welche auch in einer integrierten Schaltung oder in einer separaten Schaltung oder Einheit enthalten sein kann.
Im Betrieb gibt die Stromausgabeeinheit 208 ein Stromsignal (I_IN) an den TIA 202 und die Rückkopplungsschaltung 210 aus. Der TIA 202 wandelt I_IN in ein entsprechendes Spannungssignal (V_out) um, das an den Verstärker 204 ausgegeben wird. Der Verstärker 204 verstärkt das V_out-Signal und gibt ein verstärktes Signal V_outAMP an CDR 206 aus. Der Gleichanteil des V_outAMP-Signals (oder in alternativen Ausführungsformen des V_out-Signals aus TIA 202) wird durch LPF 205 gemessen, und der Gleichanteil (V_FB-Signal) wird an die Rückkopplungsschaltung 210 gesendet. CDR 206 wandelt die verstärkte Spannung in ein digitales Datensignal um und gewinnt ein zugehöriges Taktsignal aus der Datenrate der digitalen Daten zurück. CDR gibt ein Datensignal V_data und ein Taktsignal V_clock an den Prozessor 212 aus.
3 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Teils des Systems 200. In dieser Hinsicht ist das System 200 als eine Schaltung mit Eingängen I_IN– und I_IN+ ausgeführt. In der veranschaulichten Ausführungsform kann der I_IN+-Eingang mit der Stromausgabeeinheit 208 (aus 2) verbunden sein und kann der I_IN–-Eingang schwebend sein. TIA 202 gibt Signale V_OUT+ und V_OUT– aus, wobei das V_OUT+-Signal mit dem Verstärker 204 (aus 2) verbunden sein kann und das V_OUT–-Signal schwebend sein kann oder alternativ beide Signale V_OUT+ und V_OUT– als ein Differenzsignal V_OUT mit dem Verstärker 204 verbunden sein können. Die Rückkopplungsschaltung 210 in der veranschaulichten Ausführungsform umfasst einen ersten Transistor (T_D1) 302, der mit dem I_IN–-Knoten 301 verbunden ist, und einen zweiten Transistor (T_D2) 304, der mit dem I_IN+-Knoten 303 verbunden ist. Ein dritter Transistor (T_T) 306 ist durch eine Vorspannung (V_BIAS) (z. B. eine Vorspannungsquelle wie eine konstante oder relativ konstante Spannung) vorgespannt und ist an einem Knoten 305 mit T_D1 302 und T_D2 304 verbunden. Die Transistoren T_D1 302, T_D2 304 und T_T 306 können jede Art von Transistor umfassen, zum Beispiel, ohne darauf begrenzt zu sein, Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren. Obwohl in den hierin beschriebenen Ausführungsformen die Figuren und Beschreibungen Feldeffekttransistoren umfassen, leuchtet es dem Fachmann ein, dass beliebige der Feldeffekttransistoren in alternativen Ausführungsformen durch eine Vielfalt anderer Arten von Transistoren wie zum Beispiel Bipolartransistoren ersetzt werden können. In dieser Hinsicht entsprechen die Source-, Drain- und Gate-Anschlüsse der hierin beschriebenen Feldeffekttransistoren in Ausführungsformen, welche Bipolartransistoren umfassen, Emitter-, Kollektor- beziehungsweise Basisanschlüssen und können sie beim Beschreiben der Ausführungsformen austauschbar verwendet werden. Die Verwendung der Begriffe „Source-, Drain- und Gate-Anschlüsse” wirkt sich demgemäß nicht begrenzend auf Ausführungsformen aus, welche nur Feldeffekttransistoren umfassen, und kann Anschlüsse für beliebige ähnliche entsprechende Transistoranschlüsse (z. B. Emitter-, Kollektor- beziehungsweise Basisanschlüsse) für andere Arten von Transistoren, welche der Fachmann kennt, umfassen. Im Betrieb stellt die an T_T 306 angelegte V_BIAS einen konstanten Strom I_TAIL bereit. I_TAIL wird durch die Eingangsspannungen V_FB+ und V_FB– über die Transistoren T_D1 302 und T_D2 304 gesteuert, um Ströme I_FB+ und I_FB– zu erzeugen. Die Ströme I_FB+ und I_FB– werden an den Knoten 303 beziehungsweise 301 von den Strömen I_IN+ und I_IN– subtrahiert, um den DC-Eingangsstrom zu entfernen und Pegelrückstellung bereitzustellen. Die Anordnung kann auch verwendet werden, um DC-Offsets in TIA 202 und im Verstärker 204 zu kompensieren.
4 veranschaulicht ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines TIA 402 und einer Rückkopplungsschaltung 410, welche dem TIA 202 und der Rückkopplungsschaltung 210 des Systems 200 (aus 2) entsprechen. In dieser Hinsicht ist TIA 402 ein CMOS-Inverter-TIA, welcher einen ersten massebezogenen Inverter-Teil 414 und einen zweiten massebezogenen Inverter-Teil 416 umfasst. Der erste massebezogene Inverter-Teil 414 umfasst Transistoren M_P1 418 und M_N1 420 und einen Widerstand R_F1 422. Der zweite massebezogene Inverter-Teil 416 umfasst Transistoren M_P2 424 und M_N2 426 und einen Widerstand R_F2 428.
Die Rückkopplungsschaltung 410 umfasst Differenzpaartransistoren M_D1 430 und M_D2 432 und einen Endtransistor M_T 434. Der V_OUT–-Knoten 401 ist mit dem Widerstand R_F1 422 und den Drain-Anschlüssen von M_P1 418 und M_N1 420 verbunden. Der I_IN+-Knoten 403 ist mit den Gate-Anschlüssen von M_P1 418 und M_N1 420, mit R_F1 und mit dem Drain-Anschluss von M_D1 430 verbunden. Der V_OUT+-Knoten 405 ist mit dem Widerstand R_F2 428 und mit den Drain-Anschlüssen von M_P2 424 und M_N2 426 verbunden. Der I_IN–-Knoten 407 ist mit den Gate-Anschlüssen von M_P2 424 und M_N2 426, mit R_F2 428 und mit dem Drain-Anschluss von M_D2 432 verbunden. Der Knoten 409 ist mit dem Drain-Anschluss von M_T 434 und den Source-Anschlüssen von M_D1 430 und M_D2 432 verbunden. M_T 434 empfängt am Gate-Anschluss eine Vorspannung VBIAS. Der Knoten 401 (V_OUT–) gibt V_OUT– aus und kann mit einem Verstärker wie zum Beispiel Verstärker 202 (aus 2) verbunden sein. Ein Tiefpassfilter LPF wie zum Beispiel LPF 205 (aus 2) kann V_OUT– vor oder nach Verstärkung empfangen (z. B. V_outAMP, ausgegeben vom Verstärker 204) und ist mit dem Gate-Anschluss von M_D1 430 verbunden, welcher V_FB– für M_D1 430 bereitstellt. Der Knoten 405 (V_OUT–) gibt V_OUT+ aus und kann mit einem Verstärker wie zum Beispiel Verstärker 202 (aus 2) verbunden sein. Ein Tiefpassfilter LPF wie zum Beispiel LPF 205 (aus 2) kann V_OUT+ vor oder nach Verstärkung empfangen (z. B. V_outAMP) und ist mit dem Gate-Anschluss von M_D2 432 verbunden, welcher V_FB+ für M_D2 432 bereitstellt. Der Betrieb der veranschaulichten Ausführungsform entspricht dem oben in 3 beschriebenen Betrieb.
5 veranschaulicht ein Schaubild 500 der V_FB-I_FB-Kennlinie der in 4 veranschaulichten Schaltung. In dieser Hinsicht gibt es, wo V_FB = (V_FB+ – _VFB–) und IFB = (I_FB+ – I_FB–), einen linearen Bereich 501, wo der Strom bei konstanter Übertragungssteilheit zwischen den zwei Seiten der Rückkopplungsschaltung 410 aufgeteilt werden kann. Die konstante Übertragungssteilheit stellt eine konstante Verstärkung für den Rückkopplungseingang bereit, was das Verhalten der Rückkopplungsschleife stabil hält, wenn I_FB und V_FB innerhalb des linearen Bereichs 501 schwanken. Die Verstärkung und der lineare Bereich der Rückkopplungsschaltung 410 lassen sich durch Ändern der Spannung V_BIAS verstellen, was eine Kompensation von Prozess- und Umgebungsschwankungen gestattet. Der Differenzstrom kann positiv oder negativ sein, was der Rückkopplungsschaltung 410 gestattet, einen negativen massebezogenen DC-Eingangsstrom durch Subtrahieren eines höheren Stroms vom entgegengesetzt gepolten Eingang zu kompensieren und so den subtrahierten Strom aus beiden Hälften von TIA 402 auszugleichen, um ein symmetrisches Differenzsignal auszugeben.
6 veranschaulicht eine beispielsweise Ausführungsform eines massebezogenen TIA 602 mit einem CMOS-Inverter und einer Rückkopplungsschaltung 610. In dieser Hinsicht umfasst der TIA-602-Teil Transistoren M_P 604 und M_N 606 und einen Widerstand R_F 608. Die Rückkopplungsschaltung 610 umfasst Transistoren M_FP 612 und M_FN 614. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Knoten 603 mit I_IN, mit R_F 608; mit den Gate-Anschlüssen von M_P 604 und M_N 606; und mit den Drain-Anschlüssen von M_FP 612 und M_FN 614 verbunden. Der Knoten 601 ist mit V_OUT; mit den Drain-Anschlüssen von M_P 604 und M_N 606 und mit R_F 608 verbunden. Der Knoten 605 ist mit den Gate-Anschlüssen von M_FP 612 und M_FN 614 und einem Tiefpassfilter LPF wie zum Beispiel LPF 205 (aus 2), welcher V_OUT vor oder nach Verstärkung empfangen kann (z. B. V_outAMP, ausgegeben vom Verstärker 204), verbunden. Der massebezogene TIA 602 entspricht dem TIA-202-Block (aus 2), während die Rückkopplungsschaltung 610 dem Rückkopplungsschaltungsblock 210 entspricht und in einer alternativen Ausführungsform des oben beschriebenen Systems 200 enthalten sein kann.
Im Betrieb stellt die Rückkopplungsschaltung 610 eine Rückkopplungseingabe zur DC-Offset-Unterdrückung und Rückstellung bereit. In dieser Hinsicht stellt die Eingabe V_FB den aus dem Knoten 603 fließenden Strom I_FB ein. Der Strom I_FB wird am Knoten 603 vom Strom I_IN subtrahiert, was die Entfernung des DC-Eingangsstroms gestattet und Pegelrückstellung bereitstellt. 7 veranschaulicht ein Schaubild 700 des I_FB über V_FB der in 6 veranschaulichten Ausführungsform. Der lineare Bereich 701 veranschaulicht den linearen Bereich, wo der Strom I_FB bei konstanter Übertragungssteilheit positive oder negative Werte annehmen kann. Die konstante Übertragungssteilheit stellt eine konstante Verstärkung für den Rückkopplungseingang bereit, was das Verhalten der Rückkopplungsschleife stabil hält, wenn I_FB und V_FB innerhalb des linearen Bereichs 701 schwanken.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, der Kontext steht dem eindeutig entgegen. Ferner versteht es sich von selbst, dass die Ausdrücke „umfassen” und/oder „umfassend”, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein von erwähnten Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten bedeuten, nicht aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die zugehörigen Strukturen, Materialien, Vorgänge und Entsprechungen aller Mittel oder „Step-plus-Function”-Elemente in den nachfolgenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material oder jeden Vorgang zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen einschließen, wie es konkret beansprucht wird. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt, aber sie soll nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der beschriebenen Form beschränkt sein. Dem Fachmann wird einleuchten, dass zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erklären und um andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Änderungen, wie sie für die betrachtete besondere Verwendung geeignet sind, zu verstehen.
Die hierin abgebildeten Blockschaltbilder sind nur ein Beispiel. Viele Abwandlungen dieser Blockschaltbilder oder der hierin beschriebenen Schritte (oder Operationen) sind möglich, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Schritte in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden oder können Schritte hinzugefügt, gelöscht oder geändert werden. Alle diese Abwandlungen werden als ein Bestandteil der beanspruchten Erfindung angesehen.
Obwohl hier die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass der Fachmann sowohl jetzt als auch in Zukunft verschiedene Verbesserungen und Erweiterungen vornehmen kann, welche in den Umfang der nachfolgenden Ansprüche fallen. Diese Ansprüche sind so aufzufassen, dass sie den angemessenen Schutz für die zuerst beschriebene Erfindung aufrechterhalten.

Claims

Schaltung, welche Folgendes umfasst: einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten, einem zweiten Eingangsknoten, einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten; einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss; einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss; und einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss; und wobei die Schaltung ferner umfasst: einen mit dem ersten Ausgangsknoten und dem Gate-Anschluss des ersten Transistors kommunikativ verbundenen ersten Rückkopplungsteil und einen mit dem zweiten Ausgangsknoten und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors kommunikativ verbundenen zweiten Rückkopplungsteil, wobei der erste Rückkopplungsteil und der zweite Rückkopplungsteil positiven und negativen DC-Offsets bei dem ersten Eingangsknoten und dem zweiten Eingangsknoten linear kompensieren, wobei der erste Rückkopplungsteil und der zweite Rückkopplungsteil DC-Eingangsströme des ersten Eingangsknotens und des zweiten Eingangsknotens in einer positiven Richtung und in einer negativen Richtung linear kompensieren.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der dritte Transistor einen mit einer Vorspannungsquelle verbundenen Gate-Anschluss umfasst.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung eine mit dem ersten Eingangsknoten verbundene Stromausgabeeinheit umfasst.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Stromausgabeeinheit eine Photodiode ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Transimpedanzverstärker-Teil einen ersten massebezogenen Inverter-Teil und einen zweiten massebezogenen Inverter-Teil umfasst.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Transimpedanzverstärker-Teil einen ersten massebezogenen Inverter-Teil umfasst, welcher Folgendes umfasst: einen vierten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einem mit dem ersten Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss; einen fünften Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einem mit dem ersten Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss; einen mit dem ersten Eingangsknoten und dem ersten Ausgangsknoten verbundenen ersten Widerstand.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Transimpedanzverstärker-Teil einen zweiten massebezogenen Inverter-Teil umfasst, welcher Folgendes umfasst: einen sechsten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einem mit dem zweiten Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss; einen siebten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Gate-Anschluss und einem mit dem zweiten Ausgangsknoten verbundenen Drain-Anschluss; einen mit dem zweiten Eingangsknoten und dem zweiten Ausgangsknoten verbundenen zweiten Widerstand.
Schaltung, welche Folgendes umfasst: einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten; und einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; und einen zweiten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten verbundenen Gate-Anschluss; wobei der Gate-Anschluss des ersten Transistors und der Gate-Anschluss des zweiten Transistors mit einem Widerstand-Kondensator-Rückkopplungsteil mit dem Ausgangsknoten verbunden sind; wobei der Rückkopplungsteil positiven und negativen DC-Offsets bei dem Eingangsknoten und einen DC-Eingangsstrom des Eingangsknotens in einer positiven Richtung und einer negativen Richtung linear kompensiert.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der Transimpedanzverstärker-Teil einen massebezogenen Inverter-Teil umfasst.
System, welches Folgendes umfasst: einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem ersten Eingangsknoten, einem zweiten Eingangsknoten, einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten; einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem mit dem ersten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem ersten Ausgangsknoten kommunikativ verbundenen Gate-Anschluss; einen zweiten Transistor mit einem mit dem zweiten Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem zweiten Ausgangsknoten kommunikativ verbundenen Gate-Anschluss, wobei der Rückkopplungsschaltungs-Teil negativen und positiven DC-Offsets bei dem ersten Eingangsknoten und dem zweiten Eingangsknoten linear kompensiert, wobei der Rückkopplungsschaltungs-Teil DC-Eingangsströme des ersten Eingangsknotens und des zweiten Eingangsknotens in einer positiven Richtung und in einer negativen Richtung linear kompensiert; und einen dritten Transistor mit einem mit dem Source-Anschluss des ersten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors verbundenen Drain-Anschluss; und einen Verstärkerteil mit einem mit dem ersten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen ersten Eingangsknoten, einem mit dem zweiten Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen zweiten Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.
System, welches Folgendes umfasst: einen Transimpedanzverstärker-Teil mit einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten; einen Rückkopplungsschaltungs-Teil, welcher Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten kommunikativ verbundenen Gate-Anschluss; und einen zweiten Transistor mit einem mit dem Eingangsknoten verbundenen Drain-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem mit dem Ausgangsknoten kommunikativ verbundenen Gate-Anschluss, wobei der Rückkopplungsschaltungs-Teil positiven und negativen DC-Offsets bei dem Eingangsknoten und DC-Eingangsstrom des Eingangsknotens in einer positiver Richtung und einer negativer Richtung linear kompensiert; und einen Verstärkerteil mit einem mit dem Ausgangsknoten des Transimpedanzverstärker-Teils verbundenen Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten.