TWI500257B - 跨阻放大器及其方法 - Google Patents

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TWI500257B TW101132817A TW101132817A TWI500257B TW I500257 B TWI500257 B TW I500257B TW 101132817 A TW101132817 A TW 101132817A TW 101132817 A TW101132817 A TW 101132817A TW I500257 B TWI500257 B TW I500257B
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Chia-Liang Lin
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Description

跨阻放大器及其方法
本發明係關於一種跨阻放大器及其方法。
跨阻放大器(TIA，transimpedance amplifiers)廣泛使用於光通訊。跨阻放大器接收電流式輸入訊號並輸出電壓式訊號。習知的跨阻放大器100如第1圖所示。跨阻放大器100包含一偏壓電路110，其包含電流源111以產生由電路節點101流至電路節點VSS 的實質固定電流Ib ；一共閘極放大器120，其包含NMOS(short for n-type metal-oxide semiconductor field effect transistor，N型通道金屬氧化半導體場效電晶體)121，其中閘極端耦接偏置電壓VB，源極端耦接電路節點101，汲極端耦接電路節點102；以及一負載電路130，其包含耦接於電路節點VDD 及電路節點102之間的電阻131。本揭露全文中，VSS 表示第一實質固定電位節點，其通常是指接地節點；VDD 表示第二實質固定電位節點，其通常是指電源供應節點。電流式輸入訊號注入於電路節點101，而電壓式輸出訊號產生於電路節點102。輸入電流以Ii 表示，電阻131的電阻值以R表示。
應注意的是，電流源的輸出電流是實質固定的，除非輸出電壓變化的太快或太多。假設輸入電流夠小且變化夠慢，共閘極放大器120於電路節點102的輸出電流Io 大約為Ib -Ii ，因此輸出電壓將大約為VDD -(Ib -Ii )‧R，說明了跨阻放大器100的小訊號增益近似於與R相等。然而，假設輸入電流改變太快速，電流源111可能無法維持一固定輸出電流。也就是說，跨阻放大器100的增益具有帶限性(band limited)。為了提高跨阻放大器100的速度，共閘極放大器120必須具有更高的轉導值(transconductance)，其需要更高的偏壓電流，亦即更大的偏 壓電流Ib 。然而，由於VDD 與VSS 之間的電壓差限制了有限的電壓餘量(headroom)，偏壓電流提高，電阻131的電阻值必須更小。如此將抑制跨阻放大器100具有高增益，因為跨阻放大器100的增益與電阻131的電阻值成正比。總結上述，基於有限的電壓餘量，跨阻放大器100的增益受到嚴格限制，因為試圖增加跨阻放大器100的速度時，負載電路130佔用的電壓餘量與偏壓電流Ib 成正比。
有需要提出具有更多電壓餘量的跨阻放大器，以於增加速度時可提高增益。
本發明之一實施例提供一種裝置，包含一共閘極放大器以及一二極體連接式電晶體。共閘極放大器接收來自一第一節點的第一電流，並輸出第二電流至一第二節點。二極體連接式電晶體耦接第二節點，二極體連接式電晶體的閘極端經由一電阻耦接至二極體連接式電晶體的汲極端。
在一實施例中，二極體連接式電晶體的汲極端耦接至第二電路節點，且二極體連接式電晶體的源極端耦接至一實質固定電位節點。
在一實施例中，二極體連接式電晶體的源極端耦接至第二電路節點，且二極體式金氧半場效電晶體的汲極端耦接至一實質固定電位節點。
在一實施例中，裝置更包含一偏壓電路，輸出一實質固定電流至第一電路節點，其中一電流式輸入注入於第一電路節點。於此，偏壓電路可為一電流源。
在一實施例中，裝置更包含一偏壓電路以及一電流鏡。偏壓電路輸出一實質固定電流至一第三電路節點，其中一電流式輸入注入於第三電路節點。電流鏡接收來自於第三電路節點的一第三電流，並輸出第一電流至第一電路節點。
在一些實施例中，電流鏡可包含一第一電晶體以及一第二電晶體，其中第一電晶體及第二電晶體具有相同寬長比，以致於第一電流與第三電流實質相等。
在一些實施例中，電流鏡可包含一第一電晶體以及一第二電晶體，跨阻放大器之增益與第一電晶體的寬長比及第二電晶體的寬長比相對應。
本發明之一實施例另提供一種方法，包含：接收來自一第一電路節點的一第一電流；利用一共閘極放大器，放大該第一電流而輸出一第二電流至一第二電路節點；以及利用耦接於該第二電路節點的一負載電路，轉換該第二電流為在該第二電路節點的一電壓式輸出，該負載電路包含一二極體式金氧半場效電晶體，其中該二極體式金氧半場效電晶體的一閘極端經由一電阻耦接至該二極體式金氧半場效電晶體的一汲極端。
在一實施例中，二極體式金氧半場效電晶體的汲極端耦接第二電路節點，且二極體式金氧半場效電晶體的源極端耦接一實質固定電位節點。
在一實施例中，二極體式金氧半場效電晶體的源極端耦接第二電路節點，且二極體式金氧半場效電晶體的汲極端耦接一實質固定電位節點。
在一實施例中，方法更包含：注入一電流式輸入於第一電路節點；以及利用一電流源產生一實質固定電流至第一電路節點。
在一實施例中，方法更包含：注入一電流式輸入於一第三電路節點；利用一電流源產生一實質固定電流至第三電路節點；以及利用一電流鏡轉換來自第三電路節點的一第三電流為第一電流。
在一實施例中，電流鏡包含二極體連接式結構的第一金氧 半場效電晶體，以轉換第三電流為一電壓訊號；以及共源極放大器結構的第二金氧半場效電晶體，以轉換電壓訊號為第一電流。
在一實施例中，方法更包含：藉由調整第二金氧半場效電晶體的寬長比相對於第一金氧半場效電晶體的寬長比間的比率，以調整電流鏡的增益。
以下舉出不同實施例以詳細說明本發明之內容，並以圖式作為輔助說明。本發明之實施例已詳細描述而足以供習知技藝者實施該些或其他實施例。不同的實施例之間並非必然彼此獨立，一些實施例可以與一個或更多的其他實施例結合而成為新的實施例。因此，以下詳細說明並非用以限制本發明。
第2A圖係為根據本發明一實施例的跨阻放大器200A。跨阻放大器200A於第一電路節點201接收的一電流式輸入，並於第二電路節點202輸出一電壓式輸出。跨阻放大器200A包含共閘極放大器220。一實施例，該共閘極放大器220包括一NMOS(N型通道金屬氧化半導體場效電晶體)221用以接收來自第一電路節點201的第一電流I1 並輸出第二電流I2 至第二電路節點202，其中NMOS 221的閘極端耦接偏壓節點VB(或稱偏置電壓VB)，NMOS 221的源極端耦接第一電路節點201，NMOS 221的汲極端耦接第二電路節點202；跨阻放大器200A並包含一負載電路230A，其具有二極體連接式結構的PMOS(P型通道金屬氧化半導體場效電晶體)231A，以接收第二電流I2 並於第二電路節點202輸出輸出電壓，其中PMOS 231A的源極端耦接電源供應節點VDD (或稱第二實質固定電位節點VDD )，PMOS 231A的汲極端耦接第二電路節點202，PMOS 231A的閘極端經由電阻232耦接PMOS 231A的汲極端。跨阻放大器200A還包含偏壓電路210，其包含電流源211，以產生由第一電路節點201流至接地節點VSS (或稱第 一實質固定電位節點VSS )的實質固定電流Ib 。傳統的二極體連接式PMOS的汲極端直接連接閘極端。然而，在跨阻放大器200A中，係以電阻232耦接PMOS 231A的汲極端與閘極端。使用電阻232的用意在於隔離PMOS 231A的汲極端與閘極端，以減少於第二電路節點202的電容性負載。如果汲極端並非以電阻232隔離而是直接連接至閘極端，於PMOS 231A的閘極端的寄生電容將造成大量的電容性負載於第二電路節點202，並降低電路速度。
提升跨阻放大器200A的速度可增加偏壓電流Ib (或稱實質固定電流Ib )。不像第1圖的跨阻放大器100的負載電路130包含電阻，且負載電路130佔用的電壓餘量與偏壓電流成比例；在第2A圖的跨阻放大器200A中，負載電路230A包含二極體連接式PMOS，當偏壓電流增加時，歸功於二極體連接式結構的性質，負載電路230A佔用的電壓餘量僅適度地增加。因此，跨阻放大器200A的速度可免於犧牲太多增益而獲得提升。另一個實施例的跨阻放大器200B如第2B圖所示，負載電路230A以另一負載電路230B取代，負載電路230B包含二極體連接式結構的NMOS 231B，在此，NMOS 231B的汲極端耦接電源供應節點VDD ，NMOS 231B的源極端耦接第二電路節點202，NMOS 231B的閘極端經由電阻232耦接NMOS 231B的汲極端。
第3圖所示為另一實施例的跨阻放大器300。跨阻放大器300包含：共閘極放大器320，其具有NMOS 321以接收來自第一電路節點301的第一電流I1 並輸出第二電流I2 至第二電路節點302，其中NMOS 221的閘極端耦接偏壓節點VB，NMOS 321的源極端耦接第一電路節點301，NMOS 321的汲極端耦接第二電路節點302；跨阻放大器300並包含負載電路330，其具有二極體連接式結構的PMOS 331，以接收第二電流I2 並於第二電路節點302輸出輸出電壓，其中PMOS 331的源極端 耦接電源供應節點VDD ，PMOS 331的汲極端耦接第二電路節點302，PMOS 331的閘極端經由電阻332耦接PMOS 331的汲極端。跨阻放大器300還包含偏壓電路310，其包含電流源311，以產生由電源供應節點VDD 流至第三電路節點303的實質固定電流Ib (或稱偏壓電流Ib )；跨阻放大器300並包含電流鏡340，以接收來自第三電路節點303的第三電流I3 ，並輸出第一電流I1 至第一電路節點301。電流鏡340包含二極體連接式結構的第一NMOS 341，以轉換第三電流為電壓訊號，並包含共源極放大器結構的第二NMOS 342，以轉換電壓訊號為第一電流。電流鏡的原理係為本領域之習知技藝者所熟知，於此不再重複贅述。電流式輸入Ii 注入於第三電路節點303。若第一NMOS 341的規格與第二NMOS 342的規格一致，則第一電流I1 將與第三電流I3 大致相同，其實質上等同於Ib +Ii 。於此情形下，跨阻放大器300的功能等同於跨阻放大器200A，除了電流式輸入Ii 的極性相反之外，係因使用電流鏡的緣故。
因使用電流鏡，第3圖的跨阻放大器300相較於第2A圖的跨阻放大器200A的優點是跨阻放大器的增益的適應性更高，因為電流鏡的增益可藉由適當地選擇寬長比(width-to-length ratio，W/L)不同於第一NMOS 341的寬長比的第二NMOS 342來調整。例如，若第二NMOS 342的長度與第一NMOS 341的長度相同，但寬度為二倍，則第二NMOS 342的寬長比為第一NMOS 341的寬長比的二倍，因此第一電流I1 將大致為第三電流I3 的二倍。於此情況下，可實現二倍的電流增益，且跨阻放大器的總增益為二倍，因使用電流鏡的緣故。在另一個未示於圖中的實施例中，負載電路330以另一包含二極體連接式結構的NMOS的負載電路來取代，在此NMOS的汲極端耦接於電源供應節點VDD ，NMOS的汲極端耦接第二電路節點302，NMOS的閘極端經由電阻耦接NMOS的汲極端。
在第2A圖的跨阻放大器200A、第2B圖的跨阻放大器200B及第3圖的跨阻放大器300的實施例中，係使用MOS電晶體。在這些實施例中，合適的話，NMOS可以NPN BJT(NPN型雙極性接面電晶體)取代，或者PMOS可以PNP BJT(PNP型雙極性接面電晶體)取代。共基極BJT放大器可取代共閘極MOS，因其功能相似。且，共射極BJT放大器可取代共源極MOS，因其功能相似。同樣地，二極體連接式PNP BJT可取代二極體連接式PMOS，二極體連接式NPN BJT可取代二極體連接式NMOS。
電流源的具體實施係為本領域之習知技藝者所熟知，於此不再重複贅述。
雖然具體實施例已圖示並說明如上，本領域之習知技藝者可作任何的調整來實現相同目的而替代所示之具體實施例。本發明包含了在此所討論的實施例的更動及潤飾。所述的實施例之間可彼此替換和/或結合。可以理解的是，上面的描述是為了說明而非限制本發明，於此所用的用語或術語也是為了說明之目的。
100‧‧‧跨阻放大器
101‧‧‧電路節點
102‧‧‧電路節點
110‧‧‧偏壓電路
111‧‧‧電流源
120‧‧‧共閘極放大器
121‧‧‧NMOS
130‧‧‧負載電路
131‧‧‧電阻
200A‧‧‧跨阻放大器
201‧‧‧第一電路節點
202‧‧‧第二電路節點
210‧‧‧偏壓電路
211‧‧‧電流源
220‧‧‧共閘極放大器
221‧‧‧NMOS
230A‧‧‧負載電路
230B‧‧‧負載電路
231A‧‧‧PMOS
231B‧‧‧NMOS
232‧‧‧電阻
300‧‧‧跨阻放大器
301‧‧‧第一電路節點
302‧‧‧第二電路節點
303‧‧‧第三電路節點
310‧‧‧偏壓電路
311‧‧‧電流源
320‧‧‧共閘極放大器
321‧‧‧NMOS
330‧‧‧負載電路
331‧‧‧PMOS
332‧‧‧電阻
340‧‧‧電流鏡
341‧‧‧第一NMOS
342‧‧‧第二NMOS
VB‧‧‧偏壓節點(偏置電壓)
VDD ‧‧‧電源供應節點(第二實質固定電位節點)
VSS ‧‧‧接地節點(第一實質固定電位節點)
I1 ‧‧‧第一電流
I2 ‧‧‧第二電流
I3 ‧‧‧第三電流
Ib ‧‧‧實質固定電流(偏壓電流)
Ii ‧‧‧輸入電流
Io ‧‧‧輸出電流
第1圖係為習知的跨阻放大器。
第2A圖係為根據本發明一實施例的跨阻放大器。
第2B圖係為第2A圖的跨阻放大器的變形。
第3圖係為另一實施例的跨阻放大器。
200A‧‧‧跨阻放大器
201‧‧‧第一電路節點
202‧‧‧第二電路節點
210‧‧‧偏壓電路
211‧‧‧電流源
220‧‧‧共閘極放大器
221‧‧‧NMOS
230A‧‧‧負載電路
231A‧‧‧PMOS
232‧‧‧電阻
VB‧‧‧偏壓節點(偏置電壓)
VDD ‧‧‧電源供應節點(第二實質固定電位節點)
VSS ‧‧‧接地節點(第一實質固定電位節點)
I1 ‧‧‧第一電流
I2 ‧‧‧第二電流
Ib ‧‧‧實質固定電流(偏壓電流)
Ii ‧‧‧輸入電流

Claims (13)

  1. 一種跨阻放大器，包含：一共閘極放大器，接收來自一第一節點的一第一電流，並輸出一第二電流至一第二節點；一二極體連接式電晶體，耦接該第二節點，該二極體連接式電晶體的一閘極端經由一電阻耦接至該二極體連接式電晶體的一汲極端；一偏壓電路，輸出一實質固定電流至一第三電路節點，其中一電流式輸入注入於該第三電路節點；以及一電流鏡，接收來自於該第三電路節點的一第三電流，並輸出該第一電流至該第一電路節點。
  2. 如請求項1所述之跨阻放大器，其中該二極體連接式電晶體的該汲極端耦接至該第二電路節點，且該二極體連接式電晶體的一源極端耦接至一實質固定電位節點。
  3. 如請求項1所述之跨阻放大器，其中該二極體連接式電晶體的一源極端耦接至該第二電路節點，且該二極體式金氧半場效電晶體的該汲極端耦接至一實質固定電位節點。
  4. 如請求項1所述之跨阻放大器，更包含一偏壓電路，輸出一實質固定電流至該第一電路節點，其中一電流式輸入注入於該第一電路節點。
  5. 如請求項4所述之跨阻放大器，其中該偏壓電路為一電流源。
  6. 如請求項1所述之跨阻放大器，其中該電流鏡包含一第一電晶 體以及一第二電晶體，其中該第一電晶體及該第二電晶體具有相同寬長比，以致於該第一電流與該第三電流實質相等。
  7. 如請求項1所述之跨阻放大器，其中該電流鏡包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該跨阻放大器之增益與該第一電晶體的寬長比及該第二電晶體的寬長比相對應。
  8. 一種跨阻放大器的放大方法，包含：接收來自一第一電路節點的一第一電流；利用一共閘極放大器，放大該第一電流而輸出一第二電流至一第二電路節點；利用耦接於該第二電路節點的一負載電路，轉換該第二電流為在該第二電路節點的一電壓式輸出，該負載電路包含一二極體式金氧半場效電晶體，其中該二極體式金氧半場效電晶體的一閘極端經由一電阻耦接至該二極體式金氧半場效電晶體的一汲極端；注入一電流式輸入於一第三電路節點；利用一電流源產生一實質固定電流至該第三電路節點；以及利用一電流鏡轉換來自該第三電路節點的一第三電流為該第一電流。
  9. 如請求項8所述之跨阻放大器的放大方法，其中該二極體式金氧半場效電晶體的該汲極端耦接該第二電路節點，且該二極體式金氧半場效電晶體的一源極端耦接一實質固定電位節點。
  10. 如請求項8所述之跨阻放大器的放大方法，其中該二極體式金氧半場效電晶體的一源極端耦接該第二電路節點，且該二極體式金氧半場效電晶體的該汲極端耦接一實質固定電位節點。
  11. 如請求項8所述之跨阻放大器的放大方法，更包含：注入一電流式輸入於該第一電路節點；以及利用一電流源產生一實質固定電流至該第一電路節點。
  12. 如請求項8所述之跨阻放大器的放大方法，其中該電流鏡包含：二極體連接式結構的一第一金氧半場效電晶體，以轉換該第三電流為一電壓訊號；以及共源極放大器結構的一第二金氧半場效電晶體，以轉換該電壓訊號為該第一電流。
  13. 如請求項12所述之跨阻放大器的放大方法，更包含藉由調整該第二金氧半場效電晶體的寬長比相對於該第一金氧半場效電晶體的寬長比間的比率，以調整該電流鏡的增益。
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