DE19500099A1

DE19500099A1 - Volldifferential-CMOS-Transkonduktanz-Transimpedanz-Breitbandverstärker

Info

Publication number: DE19500099A1
Application number: DE19500099A
Authority: DE
Inventors: Po-Chiun Huang; Chorng-Kuang Wang; Wen-Chi Wu; Yuh-Diahn Wang
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2015-01-05
Also published as: DE19500099C2; US5451902A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Ver stärker-Schaltung. Insbesondere bezieht sich die vorlie gende Erfindung auf einen Volldifferential-Breitband-CMOS- Verstärker, der einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist.

Breitbandverstärker sind nützliche elektronische Schaltun gen für eine Vielzahl von Anwendungsfällen. Beispielsweise können Breitbandverstärker in einem Hochgeschwindigkeitsda tenübertragungssystem Verwendung finden. In einem Faserop tikübertragungssystem kann ein Breitbandverstärker in einer Datenregenerationsschaltung zum Verstärken eines elektri schen Hochfrequenzsignales, das in Abhängigkeit von einem empfangenen optischen Signal erzeugt wird, eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise sollten derartige Breitbandverstärker einen hohen Frequenzbereich aufweisen, so wenig Rauschen wie möglich erzeugen und einen einstellbaren oder program mierbaren Verstärkungsfaktor besitzen. Es ist ferner wün schenswert, daß der Breitbandverstärker für einen hohen In tegrationspegel zugänglich ist. Des weiteren ist es wün schenswert, daß Prozeßvariationen und thermische Variationen einen so geringen Einfluß wie möglich auf die Funktionsweise der Breitbandverstärker haben.

Prozeßvariationen entstehen durch die finite Auflösung von Lithographie bei der Halbleiterherstellung. Während bei spielsweise ein Pol 1/RC, der durch die parasitische Kapa zität eines Transistors erzeugt wird, in der Theorie vor hergesagt werden kann, beträgt die Herstellungstoleranz 5- 10%. Diese Toleranz macht es schwierig, derartige Pole zu kompensieren.

Fig. 1 zeigt einen ersten Breitbandverstärker 100 des Standes der Technik, der als Differential-Kaskodenverstär ker bezeichnet wird, siehe A. Grebene, Biopolar and MOS Analog Integrated Circuit Design, Kapitel 8.5, S. 40-45 (1984). Wie gezeigt, sind zwei Kaskodenstufen 110, 120 in einer Differentialverstärkerkonfiguration geschaltet. Die Eingangsspannung Vin steht an den Klemmen 111, 112 an. Durch Verwendung der Kaskodenstufen 110, 120 wird der Miller-Effekt (Aufbau einer Basis-Kollektor-Kapazität in den Transistoren 113, 114) reduziert, wodurch eine Opera tion bei höheren Frequenzen ermöglicht wird. Das Frequenzansprechverhalten des Kaskodendifferentialverstär kers 100 besitzt jedoch einen zusätzlichen Ausgangspol, der dominiert, wenn der vom Verstärker erzeugte Ausgangswider stand ansteigt. Ferner besitzt der Verstärker 100 eine übermäßig große Phasenverzögerung, wenn er zur Verstär kungsfaktor-Bandbreiten-Optimierung eingesetzt wird. Darüber hinaus wird der "Output-Swing" des Verstärkers 100 reduziert.

Fig. 2 zeigt einen weiteren herkömmlichen Breitbandver stärker 200 mit Neutralisationskondensatoren 210, 220, siehe J. Mataya, G. Hanes & S. Marshall, "IF Amplifier Using Cc Compensated Transistors", I.E.E.E. J. of Solid State Circuits, Band SC-3, Nr. 4, S. 401-407, November 1968. Der Kondensator 210 verbindet die Basis 211 des Transistors 215 mit dem Kollektor 222 des Transistors 225. In entsprechender Weise verbindet der Kondensator 220 die Basis 221 des Transistors 225 mit dem Kollektor 212 des Transistors 215. Die Kapazität des Kondensators 210 wird so eingestellt, daß sie der Kollektor-Basis-Sperrkapazität des Transistors 215 entspricht, und die Kapazität des Kondensa tors 220 wird so eingestellt, daß sie der Kollektor-Basis- Sperrkapazität des Transistors 225 entspricht. Somit werden die Auswirkungen der Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazitä ten der Transistoren 215, 225 durch die Antiphasen-Trans missionen der Kondensatoren 210, 220 kompensiert. Ein der artiger Breitbandverstärker ist insofern nachteilig, als daß die Kondensatoren 210 und 220 einen abnehmenden Aus gangspol in das Frequenzansprechverhalten des Verstärkers 200 einführen. Somit ist der Verstärker 200 nicht wirksam, weil der die Bandbreite nicht verbessern kann. Der domi nante Pol wird auf den Ausgangsknoten übertragen und kann nicht weggedrückt werden.

Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen Breitbandverstärker 300, der eine Peaking-Technik verwendet, siehe M. Ohara, Y. Akazawa, N. Ishihara & S. Konaka, "Bipolar Monolithic Amplifiers for a Gigabit Optical Repeater", I.E.E.E. J. of Solid State Circuits, Band SC-19, Nr. 4, S. 491-96, August 1984. Wie gezeigt, sind zwei Transistoren 310, 320 in einer Differential-Konfiguration geschaltet, wie zuvor. Der Emitter eines jeden Transistors 310, 320 ist über einen Kondensator 312 oder 322 jeweils an eine Stromspiegelschal tung 315 oder 325 angeschlossen. Der Vorstrom I_D, der durch die Transistoren 314 oder 324 (die in Dioden-Konfiguration geschaltet sind) fließt, kann durch Steuern der Stromspie gelschaltungen 315, 325 gesteuert werden, so daß eine variable Peaking-Funktion realisiert wird. Die Schaltung erzeugt einen einstellbaren Nullwert, der von der Kapazität und dem Widerstand der Transistoren 314 oder 324 (wobei diese Kapazität und dieser Widerstand von I_D abhängen) und der Kapazität des Kondensators 312 oder 322 abhängt. Dieser Nullwert wird vor dem Pol, der durch den Emitterwiderstand 311 oder 321 eingeführt wird, dem Kondensator 312 oder 322 und der Kapazität und dem Widerstand des Transistors 314 oder 324 erzeugt.

Das Problem mit dieser Schaltung 300 besteht darin, daß die Kapazitäten und Widerstände der Transistoren 314 und 324 auch von der Temperatur abhängen und daher einer thermi schen Drift unterworfen sind. Des weiteren erzeugen Prozeß variationen ein unvorhersehbares Ansprechverhalten in der Breitbandverstärkerschaltung 300. Ferner ist die Breitband verstärkerschaltung 300 nicht geeignet für eine Realisie rung in der CMOS-Technik.

Bei weitem die meisten Breitbandverstärker sind rückgekop pelte Verstärker. Normalerweise wird bei einem rückgekop pelten Breitbandverstärker die Bandbreite auf Kosten des Verstärkungsfaktors erhöht, siehe R. Meyer & R. Blauschild, "A Wide-Band Low-Noise Monolithic Transimpedance Amplifier" I.E.E.E. J. of Solid State Circuits, Band SC-21, Nr. 4, S. 530-33, August 1986. In dieser Veröffentlichung ist ein parallelgeschalteter rückgekoppelter Verstärker beschrie ben, bei dem bipolare Flächentransistoren Verwendung finden.

Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen rückgekoppelten Ver stärker 400, der in Feinlinien-NMOS-Technik realisiert ist, siehe K. Toh, R. Meyer, D. Soo, G. Chin & A. Voshchenkov, "Wide-Band Low-Noise, Matched Impedance Amplifiers in Submicrometer MOS Technology", I.E.E.E. J. of Solid State Circuits, Band SC-22, Nr. 6, S. 1031-39, Dezember 1987.

Diese Verstärkerschaltung 400 ist jedoch insofern nachtei lig, als daß zum Erhöhen der Bandbreite des Verstärkers 400 ein komplizierter Mehrstufen-Verstärker unter Einsatz einer schwierigen S-Parameter(Streumatrixparameter) -Analyse er zeugt werden muß. Beispielsweise besitzt die Schaltung 400 Transistoren 430, 440 und 451-452 zur Verstärkung, wobei der Transistor 460 eine aktive Nebenschluß-Nebenschluß- Rückkopplungsschaltung (vom Transistor 451 zum Transistor 430) bildet und der Widerstand 420 und der Kondensator 410 eine passive Rückkopplungsschaltung (vom Transistor 452 zum Transistor 430) bilden. Des weiteren wird ,durch den Wider stand 420 und den Kondensator 410 ein Nullwert in das Fre quenzansprechverhalten des Verstärkers 400 eingeführt.

Fig. 5 zeigt noch eine weitere herkömmliche Breitbandver stärkerschaltung 500 unter Verwendung einer Kompensations technik in bezug auf die parasitische Kapazität, siehe T. Wakimoto & Y. Akazawa, "A Low-Power Wide-Band Amplifier Using a New Parasitic Capacitance Compensation Technique", I.E.E.E. J. of Solid State Circuits, Band 25, Nr. 1, S. 200- 206, Februar 1990. Wie gezeigt, sind die Ausgänge 511, 512 einer Differentialstufe 510 an eine Kompensationsstufe 520 für die parasitische Kapazität geschaltet. Die Stufe 520 umfaßt Transistoren 521 und 522, die die Spannungen über den parasitischen Sperrschichtkapazitäten der Transistoren 513 und 514 der Differentialverstärkerstufe 510 detektieren. Die Transistoren erzeugen Ströme, die den Kondensator 520 derart aufladen oder entladen, daß die Ka pazität des Kondensators 525 von der Sperrschichtkapazität der Transistoren 513 und 514 subtrahiert wird, um den Ver stärkungsfaktor und die Bandbreite der Verstärkerschaltung 500 zu berechnen (und dadurch die Bandbreite der Verstär kerschaltung 500 zu vergrößern). Dieser Kompensationsver stärker 500 für die parasitische Kapazität besitzt jedoch zwei nachteilige Merkmale. Zum einen erfährt das Frequenzansprechverhalten des Verstärkers 500 Variationen in den Positionen der Nullwerte. Zum anderen umfaßt das Step-Response-Verhalten des Verstärkers 500 eine längere Regelungszeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Volldiffe rential -Transkonduktanz -Transimpedanz-Breitbandverstärker gelöst, der in der CMOS/BiCMOS-Technik realisiert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt der Verstärker eine Transkonduktanzstufe zur Erzeugung eines Stromsignales von einem eingegebenen Spannungssignal. Die Transkonduk tanzstufe ist an eine Stromverstärkungsstufe geschaltet, die das von der Transkonduktanzstufe erzeugte Stromsignal verstärkt. Die Stromverstärkungsstufe ist an eine Transim pedanzstufe geschaltet, die ein Ausgangsspannungssignal vom verstärkten Stromsignal, das von der Stromverstärkungsstufe erzeugt wurde, erzeugt.

Beispielsweise handelt es sich bei der Transkonduktanz stufe, der Stromverstärkungsstufe und der Transimpedanz stufe um Volldifferentialstufen. Des weiteren umfaßt jede Stufe beispielsweise Transistoren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform finden nur Transistoren vom CMOS- oder BiCMOS-Typ Verwendung. Sämtliche dieser Transistoren besit zen beispielsweise eine geringe Signalbahnimpedanz und wei sen ein Frequenzansprechverhalten mit keinen Nullwerten und mit sämtlichen Polen auf einer hohen Frequenz auf.

Der Transkonduktanz-Transimpedanz-Breitbandverstärker bie tet die nachfolgenden Vorteile:

(1) Der Verstärker kann unter Einsatz der skalierten CMOS/BiCMOS-Technologie realisiert werden. Er ist somit für ein hohes Integrationsniveau zugänglich. Des weiteren besitzt eine CMOS-Vorrichtung eine größere Zuverlässigkeit in bezug auf Prozeßvaria tionen und thermische Variationen.
(2) Der Verstärker kann einfach konstruiert und einge stellt werden, z. B. zum Konzipieren des Verstär kers ist keine schwierige S-Parameter-Analyse er forderlich.
(3) Sämtliche Pole besitzen eine hohe Frequenz.
(4) Durch die Schaltung werden keine Nullwerte einge führt. Zum Streichen eines Poles finden keine Nullwerte Verwendung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kaskodenverstärker des Standes der Technik;

Fig. 2 einen Neutralisationskondensatorverstärker des Standes der Technik;

Fig. 3 einen Verstärker des Standes der Technik, der von einer Peaking-Technik Gebrauch macht;

Fig. 4 einen rückgekoppelten Verstärker des Standes der Technik;

Fig. 5 einen Verstärker des Standes der Technik, der von einer Kompensationstechnik in bezug auf einen parasitischen Kompensator Gebrauch macht;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Breitband-Transkon duktanz-Transimpedanz-Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine CMOS-BiCMOS-Realisation des in Fig. 6 gezeigten Verstärkers;

die Fig. 8a-b Verstärkungsfaktor- und Phasenverschiebungs diagramme des einstellbaren Breitbandverstär kers der Fig. 7;

die Fig. 9a-b Verstärkungsfaktor- und Phasenverschiebungs diagramme eines einzigen Breitbandverstärkers und von drei Breitbandverstärkern in Stufen schaltung mit festen Widerständen; und

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Empfängers in einem optischen Kommunikationssystem, das min destens einen erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärker aufweist.

Fig. 6 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Transkonduk tanz-Transimpedanz-Breitbandverstärkers 600 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein eingegebenes Spannungs signal V_i wird an einer Transkonduktanzstufe 610 empfangen. In der Transkonduktanzstufe 610 wird das eingegebene Span nungssignal in ein Stromsignal umgewandelt. Dieses Strom signal wird einer Stromverstärkungsstufe 620 zugeführt, wo das Stromsignal verstärkt wird. Das verstärkte Stromsignal wird einer Transimpedanzstufe 630 zugeführt, wo das verstärkte Stromsignal in ein Spannungssignal V₀ umgewan delt wird. Dieses Spannungssignal V₀ wird dann abgegeben.

Beispielsweise besitzt der Breitbandverstärker 600 eine Gleichstromvorspannschaltung (biasing circuit) 640. Der Zweck der Gleich stromvorspannschaltung besteht darin, die aktiven Elemente (d. h. die Transistoren), die in den Transkonduktanz-, Stromverstärkungs- und Transimpedanzstufen 610, 620 und 630 vorhanden sind, auf geeignete Weise vorzuspannen.

Vorzugsweise ist die Schaltung 600 in CMOS/BiCMOS-Technik realisiert. Die CMOS-Technik bietet gegenüber der GaAs- Technik viele Vorteile. Insbesondere stellt die CMOS-Tech nik eine größere Funktionszuverlässigkeit zur Verfügung. Des weiteren sind CMOS-Schaltungen in bezug auf ein hohes Integrationsniveau (d. h. in einer integrierten VLSI-Schal tung) oder in bezug auf eine gemischte Analog- und Digital integration mit geringen Kosten besser zugänglich.

Fig. 7 zeigt eine CMOS-Realisation 700 der schematisch in Fig. 6 gezeigten Schaltung 600. Die Realisation des in Fig. 7 gezeigten Breitbandverstärkers 700 ist ein Volldif ferentialverstärker, d. h. bei jeder Stufe 710, 720 und 730 handelt es sich um eine volle Differentialstufe. Aus Grün den einer kurzen Darstellung wird nachfolgend nur eine Hälfte einer jeden Stufe 710, 720 und 730 erläutert. Wegen der Symmetrie des Diffentialverstärkers 700 bezieht sich diese Erläuterung jedoch in gleicher Weise auf beide Hälf ten einer jeden Stufe 710, 720 und 730.

In der Schaltung 700 bilden die Transistoren m₀, m₁ und m₂ die Hälfte der Transkonduktanzstufe 710. Die Transistoren m₂, m₃, m₄, m₅, m₆, m₇ und m₈ bilden die Hälfte der Strom verstärkungsstufe 720. Die Transistoren m₉, m₁₀, m₁₁ und m₁₂ bilden die Hälfte der Transimpedanzstufe 730. In entsprechender Weise bilden die Transistoren m₀, m₁, m₂, die zweite Hälfte der Transkonduktanzstufe 710, während die Transistoren m₂′-m₈′ die zweite Hälfte der Stromverstär kungsstufe 720 und die Transistoren m₉′-m₁₂′ die zweite Hälfte der Transimpedanzstufe 730 bilden. Die Transistoren m₂ und m₂′ bilden sowohl einen Teil der Transkonduktanz stufe 710 als auch einen Teil der Stromverstärkungsstufe 720.

Die Transkonduktanzstufe 710 umfaßt den Transistor m₂, der über seine Source die Spannung V_dd von einer Gleichstrom vorspannschaltung (nicht gezeigt) empfängt. Der Transistor m₂ ist über Drain-Anschluß an den Drain-Anschluß des Transistors m₁ angeschlossen. Der Transistor m₁ ist über seine Source an den Drain-Anschluß des Transistors m₀ (und die Source des Transistors m₁′) angeschlossen. Der Tran sistor m₀ empfängt über seine Source die Spannung V_SS und über seinen Gate-Anschluß die Spannung V_bias1 von einer Gleichstromvorspannschaltung (nicht gezeigt). Der Tran sistor m₀ dient zur Zufuhr eines konstanten Stromes zum Differentialanschluß der Transistoren m₁ und m₁′. Der Tran sistor m₁ empfängt an seinem Gate-Anschluß ein eingegebenes Spannungssignal Vin-. Die Transistoren m₁ und m₂ bilden ein gekoppeltes Source-Paar, das das eingegebene Spannungs signal Vin- in ein Stromsignal umwandelt.

Das in der Transkonduktanzstufe 710 erzeugte Stromsignal wird am Gate-Anschluß des Transistors m₃ empfangen. Der Transistor m₃ ist über seinen Gate-Anschluß an den Drain- und Gate-Anschluß des Transistors m₂ angeschlossen. Der Transistor m₃ empfängt die Spannung V_dd an seinem Source- Anschluß von einer Gleichstromvorspannschaltung (nicht ge zeigt). Der Transistor m₃ ist über seinen Drain-Anschluß an den Source-Anschluß des Transistors m₄ angeschlossen. Der Gate-Anschluß des Transistors m₄ ist an seinen Drain- Anschluß geschaltet. Der Drain-Anschluß des Transistors m₄ ist ferner an den Drain-Anschluß und den Gate-Anschluß des Transistors m₅ angeschlossen. Der Source-Anschluß des Tran sistors m₅ empfängt die Spannung V_SS von einer Gleichstrom vorspannschaltung (nicht gezeigt).

Der Transistor m₆ ist über seinen Gate-Anschluß an den Gate-Anschluß und den Drain-Anschluß des Transistors m₅ und über seinen Drain-Anschluß an den Source-Anschluß des Tran sistors m₇ angeschlossen. Der Transistor m₆ empfängt eben falls an seinem Source-Anschluß die Spannung V_SS von einer Gleichstromvorspannschaltung (nicht gezeigt). Der Gate- Anschluß des Transistors m₇ ist an seinen Drain-Anschluß und an den Drain-Anschluß des Transistors m₈ angeschlossen. Der Transistor m₈ empfängt die Spannung V_dd an seinem Source-Anschluß und die Spannung V_bias2 an seinem Gate- Anschluß.

In der Stromverstärkungsstufe 720 wirken die Transistoren m₂-m₈ als Stromverstärkungsschaltungen (by device size ratio), die das von der Transkonduktanzstufe 710 abgegebene Stromsignal verstärken. Die Transistorpaare m₂-m₃ und m₅-m₆ bilden Stromspiegelschaltungen. Der Zweck der Transistoren m₄ und m₇ wird nachfolgend erläutert.

In der Transimpedanzstufe 730 empfängt der Transistor m₉ die Spannung V_dd an seinem Source-Anschluß und die Spannung V_bias2 an seinem Gate-Anschluß von einer Gleichstromvor spannschaltung (nicht gezeigt). Der Drain-Anschluß des Transistors m₉ ist an den Drain-Anschluß und den Gate- Anschluß des Transistors m₁₀ geschaltet. Der Source- Anschluß des Transistors m₁₀ ist an den Drain-Anschluß des Transistors m₁₁ angeschlossen. Der Source-Anschluß des Transistors m₁₁ empfängt die Spannung V_SS von einer Gleich stromvorspannschaltung (nicht gezeigt). Der Gate-Anschluß des Transistors m₁₁ ist an den Drain-Anschluß des Tran sistors m₆ angeschlossen.

In der Schaltung 700 ist ferner ein Transistor m₁₂ vorgese hen. Das verstärkte Stromsignal von der Transkonduktanz stufe 710 wird am Drain-Anschluß des Transistors m₁₂ in der Transimpedanzstufe 730 empfangen. Der Drain-Anschluß des Transistors m₁₂ ist an den gemeinsamen Anschluß des Drain- Anschlusses des Transistors m₆ und des Gate-Anschlusses des Transistors m₁₁ geschaltet. Der Source-Anschluß des Tran sistors m₁₂ ist an den Drain-Anschluß des Transistors m₁₁ angeschlossen. Der Transistor m₁₂ funktioniert als span nungsgesteuerter Widerstand. Der Widerstand des Transistors m₁₂ kann durch Einstellen des Spannungssignales V_control das am Gate-Anschluß des Transistors m₁₂ liegt, variiert werden. Es ist ferner möglich, den Transistor m₁₂ durch einen Widerstand mit festem Widerstandswert zu ersetzen (zwischen den Drain-Anschluß des Transistors m₁₁ und den gemeinsamen Anschluß des Gate-Anschlusses des Transistors m₁₁ und des Drain-Anschlusses des Transistors m₆).

Der Transistor m₁₂ bildet einen Nebenschluß-Rückkopplungs weg zwischen dem Gate- und Drain-Anschluß des Transistors m₁₁. Der Transistor m₁₁ bildet die Eingangsunterstufe (mit Nebenschlußrückkopplung), und der Transistor m₉ stellt eine aktive Last der Transimpedanzstufe 730 dar (der Zweck des Transistors m₁₀ wird nachfolgend erläutert). Auf diese Weise wandeln die Transistoren m₉-m₁₂ das in der Strom verstärkungsstufe 720 erzeugte verstärkte Stromsignal in ein Spannungssignal Vout- um. Das Spannungssignal Vout- wird vom gemeinsamen Anschluß des Source-Anschlusses des Transistors m₁₀, des Drain-Anschlusses des Transistors m₁₁ und des Source-Anschlusses des Transistors m₁₂ abgegeben. Durch Anordnung des Transistors m₁₂ (der als spannungsge steuerter Widerstand wirkt) ist es möglich, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 700 abzustimmen oder einzustellen, indem der Widerstand in dem durch den Tran sistor m₁₂ gebildeten Rückkopplungsweg eingestellt wird.

In der Schaltung 700 sind die Transistoren m₄, m₇ und m₁₀ jeweils als Diode geschaltet. Die Aufgabe dieser Transisto ren besteht darin, die Zweige (m₀, m₁, m₂), (m₃, m₄, m₅), (m₆, m₇, m₈) auszugleichen, so daß das Stromspiegelverhält nis genauer angepaßt werden kann.

In der Schaltung 700 bilden die Transistoren m₁-m₁₂, m₁′- m₁₂′ alle eine niedrige Signalwegimpedanz. Sämtliche Pole der Frequenzcharakteristika dieser Transistoren besitzen eine sehr hohe Frequenz. Des weiteren weisen die Frequenz charakteristika der Transistoren keine Nullwerte auf.

Fig. 8a zeigt graphisch den Verstärkungsfaktor des Ver stärkers 700 in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie darge stellt, ist für jedes der drei unterschiedlichen Steuer spannungssignale V_control (2,3; 2,32 oder 2,28 V), die an den Transistor m₁₂ mit veränderlichem Widerstand gelegt sind (Fig. 7), eine unterschiedliche Kurve 10, 20 oder 30 dargestellt. Fig. 8b zeigt die Phasenverschiebung des Ver stärkers 700 in Abhängigkeit von der Frequenz. Ein Verstär kungsfaktor von 20,3 dB kann mit einer oberen Trennfrequenz von 270 MHz für 3 dB erzielt werden. Die Regelzeit des Ver stärkers 700 beträgt etwa 4 nsec für ein Ausgangssignal von 400 mV von Spitzenwert zu Spitzenwert. Ein Sinuswellenaus gangssignal von 80 mHz und 400 mV von Spitzenwert zu Spit zenwert besitzt eine Phasenverschiebung von 30°.

Zu Vergleichszwecken zeigen die Fig. 9a und 9b den Ver stärkungsfaktor und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz für eine Schaltung 700 (Fig. 7) mit einem festen Widerstand, der den Transistor m₁₂ mit veränderlichem Widerstand (Fig. 7) ersetzt. Zwei Kurven 40 und 50 sind in Fig. 9a und zwei Kurven 60 und 70 in Fig. 9b dargestellt. Die Kurven 40 und 60 zeigen das Ansprech verhalten eines einzigen Verstärkers 700 (Fig. 7), während die Kurven 50 und 70 das Ansprechverhalten von drei Ver stärkern 700 in Stufenschaltung (Fig. 7) zeigen. Für einen festen Widerstand kann ein Ausgangssignal von 400 mV von Spitzenwert zu Spitzenwert mit einer Regelzeit von 5,9 nsec erzeugt werden. Ein Sinuswellenausgangssignal von 80 MHz und 400 mV von Spitzenwert zu Spitzenwert besitzt eine Pha senverschiebung von 65°. Im Falle einer einzigen Stufe kann ein Verstärkungsfaktor von 6,7 dB mit einer oberen Trenn frequenz von 320 MHz für 3 dB erreicht werden. Wenn drei Stufen, die in Stufenschaltung angeordnet sind, verwendet werden, kann ein Verstärkungsfaktor von 20,3 dB mit einer oberen Trennfrequenz von 175 MHz für 3 dB erzielt werden.

Fig. 10 zeigt einen Anwendungsfall, in dem der Breitband verstärker 600 (Fig. 6) verwendet werden kann. In der Figur ist ein Empfänger 800 für ein optisches Kommunikations- System dargestellt. Beispielsweise kann der optische Empfänger 800 Teil eines OC-3 synchronoptischen Netz werk(SONET)-Kommunikationssystem sein. In einem SONET OC-3- System wird ein Bitstrom in der Form eines optischen Signa les von einem Transmitter an einen Empfänger, beispiels weise den Empfänger 800, abgegeben. Das optische Signal wird an einem Detektor 810 (d. h. einer Pin-Photodiode) empfangen und in ein elektrisches Signal (d. h. ein Span nungssignal) umgewandelt. Dieses Signal wird einem Verstär ker (VGA) 820 mit veränderlicher Verstärkung zugeführt, der das elektrische Signal verstärkt. Das verstärkte Signal wird dann einem Formfilter 830 zugeführt, der den Rauschan teil des Signales, der während der Übertragung entstanden sein kann, teilweise filtert. Das geformte Signal wird einer Verstärkungs/Puffer-Schaltung 840 zugeführt, die das gefilterte Signal verstärkt und das verstärkte gefilterte Signal einer Entscheidungsschaltung 850 zuführt. Des weite ren wird das verstärkte gefilterte Signal einer Taktextrak tionsschaltung 860 und einem Spitzenwertdetektor 870 zuge führt. Die Taktextraktionsschaltung 860 gewinnt aus dem eingegebenen gefilterten Signal einen Bit-Takt (typischerweise ist das ursprünglich übertragene optische Signal ein Signal ohne Rückkehr-Nullsignal, das keinen Takt besitzt) und gibt den wiedergewonnenen Bit-Takt an die Ent scheidungsschaltung 850. Auf der Basis des Bit-Takt-Signa les gewinnt die Entscheidungsschaltung 850 den Bitstrom des verstärkten gefilterten Signales wieder. Der Bitstrom wird einem Demultiplexer 880 zugeführt, der einzelne Kanäle aus dem wiedergewonnenen Bitstrom demultiplext. Beispielsweise empfängt der Demultiplexer 880 auch ein Synchronisations signal von einem Frequenzteiler 890, der den Bitstrom in Kanäle unterteilt. Der Frequenzteiler 890 erzeugt bei spielsweise das Synchronisationssignal auf der Basis des von der Taktextraktionsschaltung 860 abgegebenen Bit-Takt Signales.

Der Spitzenwertdetektor 870 dient dazu, den Spitzenwert des Signales zu ermitteln. Das Schleifenfilter 872 empfängt das vom Spitzenwertdetektor 870 abgegebene Signal und glättet daßelbe. Der Integrator 874 integriert das vom Schleifen filter 872 abgegebene Signal. Dieses integrierte Signal, das vom Integrator 874 erzeugt wird, wird zum VGA 820 zu rückgeführt, der die Phase des vom Detektor 810 abgegebenen signales einstellt, um die Synchronizität des vom Detektor 810 abgegebenen Signales und des von der Taktextraktions schaltung 860 erzeugten wiedergegebenen Bit-Taktes auf rechtzuerhalten.

In der vorstehend beschriebenen Schaltung 800 können di verse Verstärker wie in den Schaltungen 820, 840 und 874 Verwendung finden. Ein OC-3-Signal überträgt jedoch Daten mit einer Rate von 155,52 Mbits/sec. Somit ist ein Breit bandverstärker mit einer oberen Trennfrequenz über 155 MHz erforderlich. Vorteilhafterweise besitzt der Breitbandver stärker 600 (Fig. 6) eine ausreichende Bandbreite, so daß er in den Schaltungen 820, 840 und 874 Verwendung finden kann und dabei eine geringe Verzerrung erzeugt.

Es wird somit ein Breitband-Volldifferential-Transkonduk tanz-Transimpedanz-Verstärker mit einstellbarem Verstär kungsfaktor beschrieben. Der Breitbandverstärker empfängt ein eingegebenes Spannungssignal in einer Transkonduktanz stufe. Die Transkonduktanzstufe erzeugt ein Stromsignal aus dem eingegebenen Spannungssignal. Dieses erzeugte Strom signal wird einer Stromverstärkungsstufe zugeführt, in der das Stromsignal verstärkt wird. Das verstärkte Stromsignal wird dann einer Transimpedanzstufe zugeführt, die das ver stärkte Stromsignal in ein Ausgangsspannungssignal umwan delt. Der erfindungsgemäß ausgebildete Breitbandverstärker kann in CMOS/BiCMOS-Technik realisiert werden, die einem hohen Integrationsniveau zugänglich ist, was die Integra tion von gemischten Analog- und Digitalvorrichtungen ein schließt.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von speziellen Aus führungsbeispielen erläutert. Diese sind jedoch lediglich beispielhafter Natur. Zahlreiche andere Ausführungsformen können vom Fachmann in Betracht gezogen werden, ohne den Rahmen und Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche zu ver lassen.

Claims

1. Breitbandverstärker mit
einer Transkonduktanzstufe (610) zur Erzeugung eines Stromsignales aus einem eingegebenen Spannungssignal,
einer Stromverstärkungsstufe (620), die an die Trans konduktanzstufe (610) angeschlossen ist und das von der Transkonduktanzstufe (610) erzeugte Stromsignal verstärkt, und
einer Transimpedanzstufe (630), die an die Stromver stärkungsstufe (620) angeschlossen ist und aus dem von der Stromverstärkungsstufe (620) erzeugten verstärkten Stromsignal ein Ausgangsspannungssignal erzeugt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Transkonduktanz-, Stromverstärkungs- und Transimpedanzstufen (610, 620, 630) Transistoren um faßt, bei denen es sich nur um Transistoren vom CMOS- und BiCMOS-Typ handelt.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Transkonduktanzstufe (610) eine Dif ferentialtranskonduktanzstufe ist, daß die, Stromverstärkungsstufe (620) eine Differentialstrom verstärkungsstufe ist und daß die Transimpedanzstufe (630) eine Differentialtransimpedanzstufe ist.

4. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers einstellbar ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transimpedanzstufe (630) einen Transistor um faßt, der in eine Nebenschluß-Rückkopplungsbahn der Stromverstärkungsstufe (620) geschaltet ist und ein Steuersignal zur Veränderung seines Widerstandes empfängt, um auf diese Weise den Verstärkungsfaktor des Verstärkers einzustellen.

6. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzstufe (610) mindestens zwei Transistoren umfaßt, die als Source-gekoppeltes Paar geschaltet sind.

7. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverstärkungsstufe (620) mindestens eine Stromspiegelschaltung umfaßt.

8. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Transimpedanzstufe (630) eine Nebenschluß-Rückkopplungsschaltung umfaßt.

9. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers fest ist.

10. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Ansprechverhalten des Verstärkers frei von Nullwerten ist.

11. Verstärker nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß jede der Transkonduktanz-, Stromverstärkungs- und Transimpedanzstufen (610, 620, 630) nur Transistoren umfaßt, die eine geringe Signal wegimpedanz besitzen.

12. Breitband-Volldifferential-Verstärker mit
einer Differentialtranskonduktanzstufe (610), die Transistoren zur Erzeugung eines Stromsignales aus einem eingegebenen Spannungssignal umfaßt,
einer Differentialstromverstärkungsstufe (620), die Transistoren zum Verstärken des von der Transkonduk tanzstufe (610) erzeugten Stromsignales aufweist, und
einer Differentialtransimpedanzstufe (630), die Tran sistoren zum Erzeugen eines Ausgangsspannungssignales aus dem verstärkten Stromsignal umfaßt.

13. Integrierte VLSI-Schaltung mit mindestens einem Breit bandverstärker, der umfaßt:
eine Transkonduktanzstufe (610) zur Erzeugung eines Stromsignales aus einem eingegebenen Spannungssignal,
eine Stromverstärkungsstufe (620), die an die Trans konduktanzstufe (610) geschaltet ist und das von der Transkonduktanzstufe (610) erzeugte Stromsignal ver stärkt, und
eine Transimpedanzstufe (630), die an die Stromver stärkungsschaltung (620) geschaltet ist und aus dem von der Stromverstärkungsschaltung (620) erzeugten verstärkten Stromsignal eine Ausgangsspannung erzeugt.

14. Empfänger in einem Kommunikationssystem, der min destens einen Breitbandverstärker umfaßt, welcher auf weist:
eine Transkonduktanzstufe (610) zur Erzeugung eines Stromsignales aus einem eingegebenen Spannungssignal,
eine Stromverstärkungsstufe (620) zum Verstärken des von der Transkonduktanzstufe (610) erzeugten Strom signales und
eine Transimpedanzstufe (630) zum Erzeugen einer Aus gangsspannung aus dem von der Stromverstärkungsstufe (620) erzeugten verstärkten Stromsignal.

15. Empfänger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem ein optisches Kommunika tionssystem ist.