TWI279976B - Transimpedance amplifier with feedback resistive network - Google Patents

Description

1279976 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關轉阻放大器，更具體的是關於一種含有回 授電阻網路的轉阻放大器。 【先前技術】 轉阻放大器將一個輸入電流信號轉換為一個輸出電壓信 號。轉阻放大器可以用於包括光通信系統的各種系統和應 用中。一個轉阻放大器通常包括一個轉接在一個電壓放大 裔的輸入端和輸出端的回授電阻。由於電壓放大器的高輸 入阻抗，施加於電壓放大器上的電流信號全部流經回授電 阻。從而電壓放大器的輸出端產生一個與輸入電流成比例 的電壓信號。 為實現轉阻放大器更大的增益和靈敏度，通常要增加回 授電阻的阻抗。但是，增加回授電阻的阻抗有如下一些缺 點。第一，回授電阻增加的物理尺寸會佔用更多面積而產 生額外的成本。第二，採用半導體技術製程生成的電阻有 一個與其相關的寄生電容。因此，一個大電阻就有一個大 寄生電谷，從而導致轉阻放大器的頻寬減小。 第三，一些轉阻放大器中，轉阻放大器的輸出電位漂移 可能會增加。例如，一些轉阻放大器包括一個具有一定容 差和溫度依賴性的雙極性電晶體的輸入級。在該情況下， 流經回授電阻的電流在轉阻放大器的輸出電壓上產生一個 與回授電阻值成一定比例的電位漂移。這種缺陷在電流連 接結構的多級轉阻放大器中尤為普遍。

O:\9l\91033.DOC -6 - 1279976 因此’本領域需要有一個回授電阻網路的轉阻放大器帶 有一個固定的等效電阻值，該有效電阻在改進上述缺陷時 仍能保持高的等效電阻值。 【發明内容】 本發明的轉阻放大器包括··一個有一個輸入端和一個輸 出端的電壓放大器；和一個與該電壓放大器的輸入端和輸 出端相連的回授電路。該回授電路包括一個與一個有固定 等效阻值的回授電阻網路相並聯的阻抗元件。 本毛月的種光通信系統包括一個檢測光信號並產生一 個表不该光信號的電流信號的光檢測器，和一個接收該電 机乜號並產生一個表示該電流信號的電壓信號的轉阻放大 為該轉阻放大裔包括··—個有_個輸入端和—個輸出端 的電壓放大H，·和-個與該㈣放A||的輸人端和輸出端 祁連的回授電路。該回授電路包括-個與-個有固定等效 阻值的回授電阻網路相並聯的阻抗元件。 本發明的另-種轉阻放大器包括：_個有—個輸入端和 個輸出端的電壓放大器；和_個有_個固定等效阻值的 σ授私阻，·罔路。4回授電阻網路連接於電麼放大器的輸入 端和輸出端之間。該固定等效阻值由方程式：Ref卜R1+R2 一（/R3)传出’其中Reff為固定等效阻值；^為第一電 、牛的電阻值’ R2為第二電阻元件的電阻值；為第三 電阻元件的電阻值。 另一方面 放大器包括 本發明的還提供了一種轉阻放大器，該轉阻 個有㈤輸入端和一個輸出端的電壓放大

O:\9I\91033.DOC 1279976 态，和一個有一個固定等效阻值的回授電阻網路。該回授 電阻網路連接於電壓放大器的輸人端和輸出端之間。該^ 授電阻網路包括··—個連接於電壓放大n輸人端和-個節 點之間的第-電阻元件；—個連接於錢放大器輪出端和 該節點之間的第二電阻元件；和一個連接於該節點和—個 接地端之間的第三電阻元件。 本發明還提供了-種增加轉阻放A|§頻寬的方法，包括 步驟：提供一個電流信號給轉阻放大器的輸入端；提供一 個連接於轉阻放大器的輸人端和輸出端之間的阻抗元件； 和給有-個相關寄生電容的回授電阻網路設置—個固定等 錄，該回授電阻網路連接於轉阻放大器的輸人端和輸出 &之間、且與阻抗元件相並聯，頻寬則取決於與回授電阻 網路相關的寄生電容。 【實施方式】 圖1所示為-個包括本發明的轉阻放大器110的光通信系 統100的方塊圖。光通信系統1〇〇為可以採用本發明的轉阻 放=器ι_各㈣統或應料的_種m统或應用包 括面用儀☆、科學儀器、低雜訊灯放大器、和灯信號處理 應用。等，在此僅列舉—二。因此，可以知道本發明的轉阻 放大器可以用於各種系統或應用中。 光通信系統刚通常包括—個發送㈣2、光纖資訊通道 104和接收器1G6°習知此技藝者將知道為了便於說明，系 統100描述為"個非常簡單的點對點系統。可以知道本發明 的接收器還可以用於各種光纖網路元件和結構中。

O:\9I\9I033.DOC 1279976 在發送器1 02，資料經過光波長調變而在光纖資訊通道 104中傳輸。光纖資訊通道1〇4包括一個光纖波導管、光放 器光’慮波裔、色散補償模組和其他主動和被動元件。 接收器106包括一個光檢測器108，例如一個光電二極體， 其按現有技術已知的方式把接收到的光信號轉換為相關的 表示光^號的電流信號輸入給光檢測器108。通常，轉阻放 大器11〇接收來自光檢測器108的電流信號Lin並把其轉換 為一個表示該電流信號的電壓信號V out。 電壓信號v—out接著輸入門限電路112。該門限電路112把 妾收到的電壓#號和一個相關採樣時間的門限電壓電位相 比較。若接收到的信號在相關的採樣時間大於門限電位， 則門限電路112輸出一個數位丨。若接收到的信號在相關的 铋樣日寸間小於門限電位，則門限電路i i 2輸出一個數位〇。 如此，門限電路112就輸出一個數位信號。 圖2所示為本發明的一個示範性轉阻放大器21〇的方塊圖 通㊉，轉阻放大器210接收一個輸入電流信號匕比並把其 轉換為表不該輸入電流信號的輸出電壓信號v—_。轉 阻放大器210通常包括： 端242的電壓放大器i 242相連的回授電路203。 一個有一個輸入端240和一個輸出 :和一個與該輸入端240和輸出端 :利的是’回授電路203包括一個與阻抗元件(例如在一 κ %例中的電谷23 1)相並聯的回授電阻網路246。該阻抗 ^件在高頻處提供頻率補償給轉阻放大器2心如此，該阻 -牛本身就有-個與頻率相依的電導率和相位移。

O:\91\91033.DOC 1279976 回杈電阻網路246還可以包括多個電阻元件，例如一個第 一電阻元件R1、一個第二電阻元件R2和一個第三電阻元件 R3。電阻元件可以是習知的具有電阻值的各種元件，例如 由現有半導體技術製程生產的各種電阻。這些電阻也可以 是被動器件。 第一電阻元件R1連接於電壓放大器2〇1的輸入端24〇和節 點250之間。第二電阻元件R2連接於電壓放大器201的輸出 端242和節點25〇之間。最後，第三電阻元件们連接於節點 250和地之間。第一電阻元件^和第二電阻元件以相串連 。回授電阻網路246的等效阻抗Reff由方程式（1)得出： (1) Reff = (Rl + R2 + R1(R2/R3)) /(1+(1+ R2/R3) / K) 因為放大器的開迴路電壓增益係數Κ通常大於4〇，方程式 (1)可以簡化為方 程式（2): (2) Reff = R1 + R2 + R1 (R2/R3) 如此’通過選擇足夠小的電阻R3就能增大等效阻抗。在 多個例子中列舉 其一，如R1和R2為90·5歐姆，R3為10歐姆，從而Reff等 於1千歐姆。有利的是，Rl、R2和R3產生的寄生電容小於 一個阻值等於Reff的大電阻產生的寄生電容。例如，若R1 =R2= 90·5歐姆，R3= 10歐姆，則Rl、R2和R3產生的寄生 電容小於一個1千歐姆電阻產生的寄生電容。 同樣地，轉阻放大器的頻寬被有效地增加。回授電路203 提供一個高等效阻抗，且回授電阻網路246產生的寄生電容 O:\91\91033.DOC -10- 1279976 減小’從而有效的增加了轉阻放大器的頻寬。通過選擇合 適的Rl、R2和R3，就能實現期望的頻寬。 第3圖所示為本發明的轉阻放大器3丨〇的一個實施例的示 範性電路圖。轉阻放大器310的輸入電流源可以由各種信號 源（例如光檢測器308)提供。光檢測器308可以是如第3圖所 示的由一假電流源321和一個電容322構成的一個光電二極 體。轉阻放大器310包括回授電路203，該回授電路203包括 與阻抗元件（例如，如前所述的電容23 1)相並聯的回授電阻 網路246。該回授電路與電壓放大器3〇丨的輸入端34〇和輸出 端342相連。 轉阻放大器310的電壓放大器301包括電晶體3U、312、 313和電阻314、315、316。輸入電流信號1一比與電晶體311 的控制電極相連。在一個實施例中，電晶體3丨1、3丨2、3 i 3 為雙極性NPN型電晶體。如此’在一個實施例中，雙極性 電晶體313的輸出端，或NPN型電晶體的射極與轉阻放大器 的輸出端342相連，從而提供輸出電壓信號v_out。 當電壓放大器301包括雙極性電晶體，輸出電位v—out可 能從一個期望的輸出值漂移。該輸出電位漂移隨著單個大 回授電阻增加。該缺陷在電流連接結構的多級轉阻放大器 中尤為普遍。有利的是，採用本發明的回授電路2〇3，輸出 電位漂移將比採用單個大回授電阻時減小。例如第3圖所示 的實施例中，隨著雙極性電晶體3 11、3 12、3 13的電晶體參 數彐（beta)變化（例如在50和200之間），在各種條件下輸出電 位V—out僅從額定輸出電壓的ι·03倍變化到額定輸出電壓 O:\9I\91033.DOC -11 - 1279976 的0.982倍。 心在此所述的實施例只是採用本發明的其中幾個，但並不 又限於本發明。顯而易I，還存在其他習知此技藝者瞭解 的亚不脫離附加的巾請專利範圍所定義的本發明的精神和 範圍的實施例。 【圖式簡單說明】 圖1所示為纟發明的包括_個#阻放大器的光傳輸系統 的方塊圖； 。。圖2所示為^中本發明的包括一個回授電路的轉阻放大 器的詳細方塊圖； 圖3所示為圖2中的轉阻放大器的示範性電路圖。 【圖式代表符號說明】 100 光通信系統 102 發送器 104 光纖資訊通道 106 接收器 108 光檢測器 110 轉阻放大器 112 門限電路 201 電壓放大器 203 迴授電路 210 轉阻放大器 231 電容 233, 234, 235 電阻

O:\9l\91033.DOC -12- 1279976 240 輸入端 242 輸出端 246 迴授電阻網路 250 節點 301 電壓放大器 308 光檢測器 310 轉阻放大器 311，312, 313 電晶體 314, 315, 316 電阻 321 電流源 322 電容 340 輸入端 342 輸出端 l.DOC -13-

Claims (1)

127妙穷6〇2783號專利申請案 --— ------ 中文申請專利範圍替換本(95年4月）咚年1f月l· .日修(更)正本 - 拾、申請專利範園·· 一~ --~— 1· 一種轉阻敢大器，包括·· '·. 一具有一個輸入端和一個輸出端之電壓放大器；以及 一與該電壓放大器的該輸入端和該輸出端_之回授 電路，該回授電路包括一與一具有一固定等效阻值的回 授電阻網路相並聯之阻抗元件’其中該回授電阻網路包 括一配置於該電壓放大器的該輸入端和一個節點間之第 一電阻元件；一配置於該電壓放大器的該輸出端和該節 .點間之第二電阻元件；和一配置於該節點和一接地端間之 第三電阻元件； 其中忒固定等效阻值Reff由下列方程式得到： Reff = R1 + R2 + Rl (R2/R3) 其中R1為該第一電阻元件的阻值，尺2為該第二電阻元 件的阻值，R3為該第三電阻元件的阻值； 其中該第三電阻元件之阻值係小於該第一及該第二電 阻元件之阻值，該阻抗元件包括一個電容。 2_如申請專利範圍第丨項之轉阻放大器，其中該電壓放大器 包括至少一個雙極性電晶體。 3·如申請專利範圍第2項之轉阻放大器，其中該至少一個雙 極性電晶體有一端與該電壓放大器的該輸出端相連。 4.如申請專利範圍第1項之轉阻放大器，其中該每一第一、 第二與第三電阻元件各包括被動電阻元件。 91033-950403.doc 1279976 5 ·如申請專利範圍第1項之轉阻放大器，其中該第一電阻元 件之該阻值係等於該第二電阻元件之該阻值。 6.如申請專利範圍第5項之轉阻放大器，其中該第一及該第 二電阻元件之該阻值係為9 0 · 5歐姆，而該第三電阻元件之 該阻值係為10歐姆。 7 · —種光通信系統，包括： 一檢測一光信號並產生一表示該光信號的電流作號之 光檢測器； 以及一接收該電流信號並提供一表示該電流信號的電 壓信號之轉阻放大器，該轉阻放大器包括： 一具有一輸入端和一輸出端之電壓放大器；以及 一與該電壓放大器的該輸入端和該輸出端相連之回授 電路，該回授電路包括一與一具有固定等效阻值的一回 授電阻網路相並聯之阻抗元件，其中該回授電阻網路包 括一配置於該電壓放大器的該輸入端和一個節點間之第 一電阻兀件；一配置於該電壓放大器的該輸出端和該節 點間之第二電阻元件；和一配置於該節點和一接地端間之 第三電阻元件； 其中該固定等效阻值Reff由下列方程式得到： Reff = R1 + R2 + R1 (R2/R3) 其中R1為該第一電阻元件的阻值，R2為該第二電阻元 件的阻值，R3為該第三電阻元件的阻值； 91033-950403.doc 1279976 8. 9· 10. 11. 12. 13. 其中該S1f Ρ且元件之阻值係+於該第一及該第二電 阻元件之阻值，該阻抗元件包括一個電容。 如申睛專利範圍第7項之系統，#中該電壓放大器包括至 少一個雙極性電晶體。 如申請專利範圍第8項之系統，其中該至少―個雙極性電 晶體有一端與該電壓放大器的該輸出端相連。 如申請專利範圍第7項之系統，其中該每一第一、第二與 第二電阻元件各包括被動電阻元件。 如申請專利範圍第7項之系統，纟中該第一電阻元件之該 阻值係等於該第二電阻元件之該阻值。 如申請專利範圍第U項之系統，其中該第一及該第二電 阻元件之該阻值料9〇·5歐姆，而㈣三電阻元件之該阻 值係為10歐姆。 一種轉阻放大器，包括： 一具有一輸入端和一輸出端之電壓放大器；以及 -具有-固定等效阻值之回授電阻網路，該回授電阻 網路連接於該電壓放大器的該輸人端和該輸出端之間， 〇亥固疋荨效阻值Reff由下列方程式得到：Reff = R1 + R2 + R1 (R2/R3) 其中R1為該第一電阻元件的阻值，㈣該第二電阻元 件的阻值’ R3為該第三電阻元件的阻值； 其中該第三電阻元件之阻值係小於該第-及該第二電 91033-950403.doc 1279976 阻元件之阻值，該阻抗元件包括一個電容。 14· 一種增加轉阻放大器的頻寬之方法，包括下列步驟： 提供一電流信號給該轉阻放大器的一輸入端； 提供一連接於該轉阻放大器的該輸入端和一輪出端間 之阻抗元件；以及 給具有一相關寄生電容的一回授電阻網路設置一固定 等效值，該回授電阻網路配置於該轉阻放大器的該輸入 端和該輸出端之間，且與該阻抗元件相並聯，該頻寬取 決於與該回授電阻網路相關的該寄生電容，該回授網路 包括一配置於該電壓放大器的該輸入端和一節點間之第 一電阻元件；一配置於該電壓放大器的該輸出端和該節 點間之第二電阻元件；以及一連接於該節點和一接地端間 之第三電阻元件； 其中該固定等效阻值Reff*下列方程式得到·· Reff=Rl +R2 + R1 (R2/R3) 其中R1為该第一電阻元件的阻值，尺2為該第二電阻元 件的阻值’ R3為該第三電阻元件的阻值； 其中該第三電阻元件之阻值係小於該第一及該第二電 阻元件之阻值，該阻抗元件包括一個電容。 91033-950403.doc