專利名稱:電流電壓轉(zhuǎn)換型放大器尤其是光接收裝置的前置放大器的制作方法
本發(fā)明涉及一種利用通過電阻的電流反饋實現(xiàn)的轉(zhuǎn)移阻抗放大器，用于將電流輸入轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
此種轉(zhuǎn)移阻抗放大器例如在1980年9月20日的月刊“EDN”〔《工程部門通知》〕上第161-164頁Y。奈澤爾(Y.Netzer)所發(fā)表的文章中已經(jīng)闡述。在以PIN型光電二極管為光敏檢測器的光接收裝置中轉(zhuǎn)移阻抗放大器作為低噪聲前置放大器十分適用。
眾所周知，在上述那種應用中，轉(zhuǎn)移阻抗放大器的反饋電阻應盡可能地使放大器的噪聲輸入減小，這一點主要決定于電阻器的噪聲電流，而反饋電阻與放大器的輸入電容的乘積也應盡可能地小，以獲得最寬的頻帶，這是因為，頻帶寬度近似地與 (A)/(R·C) 成正比的緣故。這里，A為開環(huán)增益，R為反饋電阻值而C為放大器的輸入電容。
由此可見，大的反饋電阻雖然能改善噪聲特性，然而卻減小了帶寬，所以制造一個既具有較寬的頻帶而又有較低的噪聲輸入的放大器是相當?shù)乩щy的。
《電子通信》〔《Electronics Letters》〕第15卷，第20期，第650-652頁介紹了一種轉(zhuǎn)移阻抗放大器，這種放大器具有相當寬的頻帶，即112兆赫，但由于反饋電阻值小到5.1千歐，所以出現(xiàn)過高的輸入噪聲，因而靈敏度很低，滿足不了對光接收裝置的要求。
鑒于上述，本發(fā)明的目的即在于提出一種頻帶既寬輸入噪聲又低而具有高靈敏度的轉(zhuǎn)移阻抗放大器。
上述目的可由權(quán)利要求
1中所述來實現(xiàn);而進一步對放大器特性的改進，則在權(quán)利要求
2到7中提出。
在權(quán)利要求
1中提供的解決辦法和其附屬權(quán)利要求
中所述的改進，具有下述優(yōu)點。
按權(quán)利要求
1中所述的方法實施反饋電阻時，參加構(gòu)成放大器輸入電容的寄生串聯(lián)電容就能顯著減小，可減小到防止放大器產(chǎn)生振蕩所需的數(shù)值;而從上述第一篇參考文獻可知，這種附加在輸入電容上的串聯(lián)電容是會造成頻帶寬度降低的。
由于導電帶是并排于十分靠近電阻帶的，故在導電帶與電阻帶之間的分布并聯(lián)電容將起作用，以致該反饋電阻器成為一個具有低串聯(lián)電容而使高頻電流反饋也能通過的RC復合網(wǎng)絡，因此，在放大器環(huán)路中的噪聲源得以降低。
由于如權(quán)利要求
2中所述，每對導電帶中比較短的一個是連接到輸入端的，故在輸入端產(chǎn)生的導電帶與接地面積間形成的并聯(lián)電容比輸出端的這類電容小。
因此，附加到放大器的輸入電容上的這種會降低頻帶寬度的并聯(lián)電容可被保持在最小值。
如權(quán)利要求
3所述的導電帶的矩形伸出使串接的電容能適應不同的應用，尤其是當這些矩形伸出被置于各導電帶的內(nèi)端時更能起到這種作用，這些伸出也會添加不大的并聯(lián)電容以抵銷在反饋電阻附近產(chǎn)生的寄生電容。
如權(quán)利要求
3中所述，襯底與放大器板和箱保持一定距離，可保證并聯(lián)電容減少到無妨害的量值，這些并聯(lián)電容是由于電阻帶及與之相連接的導電帶，由于放大器板或放大器箱殼的接地面積形成的。
在權(quán)利要求
5中所述的是減小反饋電阻與放大器板或放大器箱殼間并聯(lián)電容的另一種可以選用的方案，其中反饋電阻是置于放大器板上的，而放大器板則與放大器箱殼保持一定距離。但此時，必須保證反饋電阻附近的放大器板上不能有導電面出現(xiàn)，因為這種面與反饋電阻間會產(chǎn)生并聯(lián)電容。從生產(chǎn)的經(jīng)濟性看，則并聯(lián)電容問題的這種解決法顯得比較有利。
如果說權(quán)利要求
1-5中所述的是單純由于放大器的反饋網(wǎng)路(又稱β網(wǎng)路)的設計和布置所形成的改進，則權(quán)利要求
6闡述了前置部分V〔圖1〕(也稱為“μ網(wǎng)路”)的一個較好實施方案，它進一步改善了放大器的噪聲性能和頻寬。眾所周知放大器輸入端的柵-陰極具有這樣的性質(zhì)，即它加給放大器的輸入電容較小，差動放大器則增大了開環(huán)增益，而且根據(jù)上述關系，RC乘積沒有增加，所以也提供了寬的頻帶。
在研究報告BMFT-FB-T82-012中第63和64頁，題為“波長為1200毫微米的光纖通信系統(tǒng)”〔“Optisches，glasfasergebundenes Nachrichtensystem bei Wellenlaengenum 1200nm”〕文章中，闡述了在柵-陰放大極后有一差動放大器的轉(zhuǎn)移阻抗放大器。但是，為了改善噪聲而選用了較高阻值(100千歐)的反饋電阻，也沒有減少輸入電容的措施，因而該放大器的頻帶寬度相當小(10兆赫)。對傳輸速率為34兆波特/秒來說該放大器的頻寬還是足夠的。
現(xiàn)有的轉(zhuǎn)移阻抗放大器具有幾個AC耦合(見示意接線圖)，在權(quán)利要求
7中所述的轉(zhuǎn)移阻抗放大器則不同，它完全是直接耦合，其優(yōu)點在于，信號的DC分量在處理過程中不會丟失，而且，由于反饋補償了偏移的分量，所以不需要外部調(diào)節(jié)三極晶體管的工作點。
圖1為轉(zhuǎn)移阻抗放大器的主要電路圖;
圖2為本發(fā)明中放大器的反饋電阻器的頂視圖;
圖3為轉(zhuǎn)移阻抗放大器的縱剖面圖，表明反饋電阻器的位置;
圖4為放大器的電路圖。
下面將參照上述附圖并結(jié)合實例對本發(fā)明詳細說明。
根據(jù)基本原理所構(gòu)成的轉(zhuǎn)移阻抗型放大器，如圖1所示，為具有電流反饋的放大器，它能將一輸入電流，例如光電二極管D的電流，轉(zhuǎn)換成輸出電壓，而此電流與電壓的轉(zhuǎn)換比則等于反饋電阻值RG。
現(xiàn)有的問題是，反饋電阻的寄生串聯(lián)電容必須避免或補償，根據(jù)本發(fā)明采用如圖2所示的反饋電阻RG的方法使問題獲得解決。該電阻主要由一個用低電導材料制成的電阻帶1和至少一對用高電導材料制成的導電帶2和3組成，它們居于電阻帶兩側(cè)中的一側(cè)，并與該電阻平行，它們的兩個外端則接到電阻帶的兩端上。該連接是這樣的，即將導電帶2和3的兩個外端延伸到同一材料的加大面積的接觸部分4里，于此與電阻帶的兩端相連接，電阻帶1、導電帶2和3以及接觸部分4用薄膜技術(shù)牢固地沉積在一個由絕緣材料構(gòu)成的襯底5上。采用薄膜沉積的好處就是電阻上的電壓與噪聲源的關連較小。但在某些應用中，宜采用厚膜沉積。
導電帶2和3所形成的串聯(lián)電容很小，約為20到30微法，此數(shù)值可根據(jù)需要來整定，只通過改變導電帶的兩個內(nèi)端間的距離的方法即很容易得到調(diào)整。應看重指出，反饋電阻上微量的串聯(lián)電容是必要的，因為零串聯(lián)電容會使轉(zhuǎn)移阻抗放大器在高開路增益時振蕩。
圖2所示的電阻器在工作期間，問題變?yōu)?，放大器的特性還受導電帶2，3和電阻帶1之間的距離的影響，此距離不得太大。因此，還有一個重要的問題是，電阻帶和導電帶之間存在著分布并聯(lián)電容，以致于這一回路便不是一只電容器和一只電阻器的并聯(lián)組合，而是一個頗為復雜的RC網(wǎng)絡。
如圖所示的一對導電帶2和3，可以用2對或更多對導電帶布置在電阻帶1的一側(cè)或兩側(cè)來代替。
由于圖2的電阻是裝在一個放大器罩里的，放大器具有較大的導電面積作為接地面積，還具有一個完整的金屬箱作為密封，所以反饋電阻與放大器板或放大器箱的導電面積之間也有并聯(lián)電容，按下述方法安置反饋電阻，能夠顯著地減少電容，但是不能中和掉。
眾所周知，輸入電容會降低頻帶寬度，因此，為了把這種附加到輸入電容上的并聯(lián)電容減到最小，對導電帶2和3采用不同的長度，而將較短的導電帶2接到放大器輸入端。
如果這些寄生電容必須在放大器電路內(nèi)進行抵銷，則可在導電帶的適當位置上作些伸出端6，如圖2中虛線所示，這些伸出端6垂直于相應的導電帶。若這樣的伸出端設在導電帶內(nèi)端附近，則串聯(lián)電容將會受到附加的影響，因此移動這樣的伸出端，以這樣一種簡單的方式就能獲得調(diào)整，例如用作補償光電二極管的偏差。
圖3所示的放大器箱的縱斷面圖說明帶有反饋電阻的襯底在放大器中所處的位置。如前所述，這一位置有利于減小并聯(lián)電容。
關于放大器箱，圖3表示出了箱底7、箱壁8和箱蓋9。附于箱底7上的是放大器板10，10上有各種放大部件(圖中未示出)裝配成混合集成電路。在整個放大器電路中，只表示出反饋電阻的連接位置，它表示本發(fā)明的較佳實施方案。圖2表示帶有這種反饋電阻的襯底5是裝在兩個支柱11的頂上的，該支柱的下面則座在放大器板10上。支柱11最好為環(huán)形斷面，且其直徑約等于襯底5的寬度，要保證襯底5所處的位置與放大器板間有足夠的距離，以盡量減小在反饋電阻與放大器板或箱底上的導電面積之間產(chǎn)生的并聯(lián)電容。同理，對放大器箱高度的選擇也應使箱蓋9與襯底5之間分開一足夠大的空間。
襯底5上的反饋電阻接到放大器板上電路中的反饋電路里，是用兩根導線12、13從它的接觸部分4(圖2)接到放大器板上接觸面的，電源和輸出端14則從轉(zhuǎn)移阻抗放大器的箱底引出來。
另外一種減小這種并聯(lián)電容的方法，從制造角度來看可能更為有利的，是將載有反饋電阻的襯底當作放大器板的一部分，在這種布置中，放大器板上的導電面積應與反饋電阻保持一足夠的空間，以使并聯(lián)電容減少到所需的程度。為了避免在放大器板與箱體間產(chǎn)生過大的并聯(lián)電容，安裝在箱內(nèi)的放大器板對箱底及箱蓋都保持一定的距離。
現(xiàn)參照圖4作如下說明，在轉(zhuǎn)移阻抗放大器的前置部分V(圖1)的電路(也稱為“U網(wǎng)絡”)中，為了改善放大器特性采取的措施
一個光電二極管D(最好是一只PIN光電二極管)反向地通過電阻R1接到電壓源的正端+U1電阻器R1和電容器C1形成一個濾波器，用以抑制疊加在電源電壓上的射頻電壓。其C1的一端接到電阻器R1和二極管D的結(jié)點上，其另端接地。光電二極管的陰極通過電容器C1接地，給交流電流提供了通路。光電二極管以常規(guī)方式控制，柵-陰放大極則由鎵鉮場效應晶體管T1和一只雙結(jié)晶體管T2所組成。為此，光電二極管的陽極接到場效應晶體管T1的柵極。以常規(guī)方式接到這一柵極的還有反饋電阻RG，但必須按上述本發(fā)明的要求來實施和定位。場效應晶體管T1的源極接地，其漏極通過一負載電阻R2而接到電源的正電端+U上。隔直流電容器C2接在負載電阻R2與正電源+U相連的一端和地之間以對高頻交流電流提供對地短路回路。晶體管T2的集電極通過一負載電阻R3連接到電源的負端-U，它是通過一只隔直流電容器C9而短接于地的，以為交流電流提供一通路，晶體管T2的基極通過低值降壓電阻R4連接到R5和R6兩個電阻間的結(jié)點上，這兩只電阻被安插在+U與地之間作分壓器使用。一只隔直流電容器C4連接在電阻R5與R6的連結(jié)點與地之間，作為將高頻交流電流短接入地，連同降壓電阻R4起到阻止晶體管T2的任一高頻振蕩。
本發(fā)明的最佳實施方案為，柵-陰放大極的電壓輸出是在其后一級差動放大器中放大的，它是在差動放大器提供電流反饋和產(chǎn)生放大輸出電壓(經(jīng)-射極跟隨器)之前被放大的，這一步驟提高了開環(huán)增益A，故除前述按本發(fā)明所完成的反饋電阻外，在這里按本文開始所給的關系處理轉(zhuǎn)移阻抗放大器的頻帶也能獲得加寬。
差動放大器主要地由兩只雙結(jié)晶體管T3和T4所組成，它們的發(fā)射極通過一只公用的射極電阻R9連接到電壓源的一端，而集電極則分別通過集電極電阻R10和R11連接到電源的另一端。兩只電阻R7和R8串聯(lián)在+U和晶體管T2的集電極之間形成一只分壓器，向晶體管T3提供基極編壓。對電阻R8并聯(lián)一只電容器C5作為旁路，以防止從柵-陰放大極耦合到差動放大器的輸入上的交流電壓信號經(jīng)過電阻R8而產(chǎn)生電壓降。晶體管T4的基極與電阻R12，R1和R14以及電容器C7之間的連接也和上述對晶體管T4所作的連接相同，不再重述。晶體管T4的集電極接到放大器的輸入端，也即經(jīng)過反饋電阻RG接到場效應晶體管T1的柵極。
在差動放大器之后連接一只射極跟蹤器，以使其輸出阻抗適應于下一級主放大器的低輸入阻抗，與現(xiàn)有技術(shù)中的放大器接法相同。射極跟蹤器由雙結(jié)晶體管T5組成，它的射極通過一只射極電阻R17接到電壓源的一端，它的集電極通過一低值電阻R18接到電源的另一端，以防止晶體管發(fā)生高頻振蕩。
晶體管T5的基極通過一只去耦電阻R16接到晶體管T4的集電極。在晶體管T4集電極上連接的電阻R16的一端與地之間串聯(lián)一只電容器C16和一只電阻R15作為穩(wěn)定之用。
轉(zhuǎn)移阻抗放大器的輸出電壓從晶體管T5的發(fā)射極和地之間接出來，T5連接成射極跟隨器。
具有如圖1-5所述和上文所解釋的本發(fā)明特征的一些前置放大器構(gòu)成的光接收裝置為167-兆波特/秒，其具有如下特性
頻寬(衰減到3分貝的頻寬) 140兆赫
反饋電阻 141千歐
靈敏度(在最大位差率為10-10時) -43分貝·米
測量的放大器輸入電容 0.24微微法
因此，與本文開始(《電子通信》…)所寫的現(xiàn)有技術(shù)中的放大器相比較，輸入電容改善了4.36微微法，頻寬增大28兆赫以及靈敏度提高了4.6分貝。
應當指出，如圖2所示的電阻器不僅適用于轉(zhuǎn)移阻抗放大器，而且也適用于以一個高值電阻串聯(lián)極小限度電容的任何應用領域。
作為光接收裝置的前置放大器用的轉(zhuǎn)移阻抗放大器還可應用另外一種放大器，即所謂的高阻抗放大器，這已經(jīng)公開于聯(lián)邦德國專利局公報(DE-OS)32 33 146，圖1中。在這種放大器中，輸入電容是隨著負載電阻所串接或并接的電容而增大的，因此降低了頻帶寬度。故這種放大器也需要具有低值串接和并接電容的電阻;而且，因為它能使放大器輸入噪聲，所以還須具有高阻值。這些要求都能被滿足只要采用按圖2所說的構(gòu)成電阻器和用圖3所述將電阻裝入放大器，或在放大器電路中納入兩個上述方案之一即成。
因此，所謂的高阻抗型的放大器，它的頻寬和靈敏度也能藉助本發(fā)明所涉及的電阻器的特點獲得極大的改進。
權(quán)利要求
1、利用通過一只電阻的電流反饋構(gòu)成的并用于將輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓的轉(zhuǎn)移阻抗放大器，其特征在于反饋電阻(RG)為在一個襯底(5)上的一個電阻帶(1)，至少有一對導電帶(2，3)以平行于襯底(5)上的電阻帶作直線伸長，并且每對導電帶(2，3)的兩個外側(cè)終端向外伸過該電阻帶的兩個終端。并相連接(圖2)。
2、如權(quán)利要求
1所述的放大器，其特征在于每對導電帶(2，3)具有不同長度，與較短的導電帶(2)相連接的反饋電阻的末端是連接到放大器的輸入端的。
3、如權(quán)利要求
1或2所述的放大器，其特征在于每對導電帶具有垂直方向的伸出(6)。
4、如前述權(quán)利要求
中任一項要求中所述的放大器，其特征在于具有反饋電阻的襯底(5)是布置在與放大器板(10)和放大器箱有一定距離之處的(圖3)。
5、如權(quán)利要求
1-3中的任一要求中所述的放大器，其特征在于具有反饋電阻器的襯底形成放大器板的一部分，而且后者是放在距放大器箱殼一定距離之處的。
6、如前述權(quán)利要求
中任一項要求中所述的放大器，其特征在于，它帶有一個柵-陰放大極，該級包括有一個鎵砷型場效應晶體管(T2)，和隨后有一個差動放大器(T3，T4)，該差動放大器的輸出電壓即為所述放大器的輸出電壓，并且通過反饋電阻(RG)傳送反饋電流(圖4)。
7、如權(quán)利要求
6所述的放大器，其特征在于全部為直接耦合(圖4)。
專利摘要
具有電流電壓轉(zhuǎn)換的放大器，尤其可作為光接收裝置的前置放大器，在通常的設計中，問題是如何獲得較寬頻帶而又有高靈敏度。本發(fā)明對轉(zhuǎn)移阻抗放大器類的反饋電阻和高阻抗放大器類的負載電阻采用專門結(jié)構(gòu)和體置，使問題基本解決。后者其有高阻值和極低的串、并電容，電阻器由沉積在一襯底上的電阻帶(1)和導電帶(2，3)組成，導電帶平行于電阻帶延伸，且兩者以終端相接，為減小并聯(lián)電容，射底布置在離放大器箱和放大器板一定距離處。
文檔編號H01C7/00GK85102973SQ85102973
公開日1986年10月29日 申請日期1985年4月20日
發(fā)明者萊因哈德·格克, 曼弗雷德艾克爾 申請人:國際標準電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan