專利名稱：：限幅放大器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明主要關于一種限幅放大器，特別有關于一種應用于光通信的限幅放大器。
背景技術：
：高速限幅放大器(limitingamplifier)在有線通信中具有極其重要的作用，用以放大微弱信號以傳送較大的輸出振幅至后級的數(shù)據(jù)恢復電路(datarecoverycircuit)。圖1表示傳統(tǒng)的有線通信系統(tǒng)，二極管12由驅動器/調制器14經由光纖15輸出光信號至接收器。光二極管16檢測此光信號以產生微弱電流信號，其可被跨阻放大器(transimpedanceamplifier)l8轉換成電壓信號，此電壓信號的振幅通常為數(shù)個或數(shù)十個毫伏特。這種來自跨阻放大器18的微弱電壓信號需要限幅放大器20來放大，以提供全幅(foll-swing)信號至頻率與數(shù)據(jù)恢復電路(CDR)22以獲得高速數(shù)字數(shù)據(jù)處理。限幅放大器20前置于或后接于均衡器(圖未顯示)。傳統(tǒng)的雀立-虎柏(Cherry-Hopper)放大器己應用于限幅放大器中以在異質接面雙極技術(heterojunctionbipolartechnology)中獲得40Gbps的數(shù)據(jù)率，然而功率浪費比較大。在互補金屬氧化物半導體(以下簡稱CMOS)技術中，可能的解決方案是使用具有電感峰突(inductivepeaking)的寬帶放大器以及分布式放大器(DA)或是串接式分布放大器(CDA)。分布式放大器的帶寬是足夠的，但增益過低。因此，現(xiàn)今業(yè)界需要找到具有低功耗、高增益、以及高帶寬的限幅放大器。
發(fā)明內容因此，本發(fā)明提供一種可以解決上述問題的限幅放大器。本發(fā)明實施例提供一種限幅放大器，具有輸入級、多個增益級、輸出緩沖級、以及反饋濾波器。輸入級可以進行直流電壓偏差消除，可接收差動輸入信號以及輸出第一中級差動信號。所有的增益級均相同，串接以放大第一中級差動信號以及產生第二中級差動信號。輸出緩沖級放大第二中級差動信號以及產生輸出信號。反饋濾波器提供輸出信號的直流電壓偏差至上述輸入級用以進行直流電壓偏差消除。在一實施例中，輸入級包括耦接于一對輸入端以及電源線之間的電阻網絡。上述電阻網絡包括共用電阻、負載電阻、以及分流電阻。共用電阻耦接于電源線。負載電阻耦接至共用電阻的共用端點。分流電阻具有兩端點，分別耦接至負載電阻。在另一實施例中，每個增益級包括一對梯型電感-電容低通濾波器，每個梯型電感-電容低通濾波器包括第一電感-電容網絡以接收放大信號，第二電感-電容網絡連接至第一電感-電容網絡之后，以及連接至前級梯型電感-電容低通濾波器的上述第一、第二電感-電容網絡的節(jié)點以輸出信號至后級梯型電感-電容低通濾波器。在又一實施例中，上述輸出緩沖級包括差動放大器、FT倍頻器、以及負反饋架構。差動放大器作為上述輸出緩沖器的輸入端。FT倍頻器串連至差動放大器之后。負反饋架構連接至上述FT倍頻器的輸出端以及輸入端之間。本發(fā)明的限幅放大器在實現(xiàn)高帶寬限幅放大的同時具有高增益，并且可以降低系統(tǒng)的功耗。圖1表示傳統(tǒng)的有線通信系統(tǒng)。圖2為根據(jù)本發(fā)明實例施的限幅放大器的示意圖。圖3為圖2所示的輸入級42以及反饋濾波器48的示意圖。圖4為一個4階的梯型電感-電容巴特瓦茲低通濾波器的示意圖。圖5為一個4階的梯型電感-電容巴特瓦茲低通濾波器的轉移函數(shù)的示意圖。圖6為一個4階梯型電感-電容巴特瓦茲低通濾波器的極點位置的示意圖。圖7為一對串接式分布放大器的示意圖。圖8為依據(jù)圖7的一串接放大器的小信號模型的示意圖。圖9為依據(jù)圖8的輸出阻抗頻率響應的示意圖。圖IO為單一增益級的電路架構的示意圖。圖11為圖2的輸出緩沖級的示意圖。圖12顯示圖11的輸出緩沖級的模擬結果的示意圖。圖13顯示所測量到的限幅放大器的頻率響應的示意圖。具體實施例方式限幅放大器的特征包括輸入敏感度、增益、帶寬、噪聲邊界、直流電壓偏差、以及輸出電壓振幅。本發(fā)明實施例中使用一個具有串接式分布放大器的高速限幅放大器。圖2表示根據(jù)本發(fā)明實例施的限幅放大器40，包括具有直流偏差消除功能的輸入級42，增益級44，輸出緩沖級46，以及反饋濾波器48。輸入級42接收差動信號Vin并輸出第一中級差動信號V^。多個增益級44均為相同架構，并串聯(lián)以放大第一中級差動信號Viml以產生第二中級差動信號Vim2。輸出緩沖級46放大第二中級差動信號Vim2以產生輸出信號V。ut。反饋濾波器48提供輸出信號V。ut的直流電壓偏差至輸入級42作為直流偏差消除。增益級44的串接數(shù)目滿足所需增益、帶寬、以及低輸入噪聲的要求。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，五個增益級44使用串接式分布放大器可達到最佳放大效果。電阻Rp和電容Cp作為反饋濾波器48的低通路徑以檢測輸出端的直流電壓偏差，而對應的電壓偏差消除實施于輸入級42以穩(wěn)定限幅放大器40。每個增益級44使用串接式分布放大器，構建為巴特瓦茲濾波器結構(Butterworthfilterstructure)以增加帶寬。輸出緩沖級46使用改良式雀立-虎柏放大器以提供高速數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示的限幅放大器40將詳細說明如下。圖3為圖2所示的輸入級42以及反饋濾波器48的示意圖。差動對M,M2(differentialpair)使用低通濾波器(各由電阻RF以及電容CF構成)以感測限幅放大器輸出信號V。ut的直流電壓偏差。此輸入匹配網絡包括多個片內變壓器(on-chiptransformer)Li以及電阻網絡52。每個變壓器Li連接至對應的輸入端50以及對應的電阻R,之間，作為中央抽頭變壓器以提供中央接點54，用以輸出第一中級差動信號V^。每個變壓器Li具有對稱幾何(如T型線圈)以提升帶寬。電阻網絡52耦接至電源線VDD以及輸入端50之間，必須滿足50歐姆寬帶匹配以及輸入直流偏差之間的權衡。電阻R3作為共用電阻，用以調整直流偏壓。電阻&為負載電阻，共用連接至電阻R3的共同端點，且電阻R2為分流電阻，其兩端分別連接至對應的電阻^。電阻&與R2并聯(lián)放置以確保50歐姆源級連接并緩和電阻差異。增加電阻R3至輸入匹配電路可降低電阻R,與R2的所需電阻值以降低寄生電容并提升帶寬。輸入端42的直流電壓偏差消除設計著重于反饋濾波器48反饋的反饋增益。由于反饋濾波器48中加入由電阻RF以及電容CF構成低通濾波器，限幅放大器40的整體效果會形成高通反饋頻率響應。對于高增益的放大器，低頻帶的反饋增益必須小于1，以避免噪聲通過反饋濾波器反饋不斷累增放大而造成振蕩問題。為了提供寬帶以及高增益，并且克服晶體管的截止頻率限制，可結合數(shù)個寬帶技術，包含巴特瓦茲網絡負載，串接式分布放大器，以及主動式反饋。每項技術的應用與特征以及所實現(xiàn)的增益級44如下所述。傳統(tǒng)寬帶放大器應用電感峰突以增加80%以上的帶寬以增加數(shù)據(jù)傳輸。為了延展帶寬，巴特瓦茲濾波器可應用至寬帶放大器中。圖4表示一個4階梯型電感-電容巴特瓦茲低通濾波器54，使用兩個電感L1以及L2，以及兩個電容C3和C4，并具有一個4階轉移函數(shù):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(1)此轉移函數(shù)的極點位于<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(2)其中K-R!7(Rl+Rs)，N為4(濾波器的階數(shù))，coc和s分別為截止頻率與衰減系數(shù)。圖5表示此轉移函數(shù)的圖形，明顯地，在低于ODc的通帶內具有最大平坦以及線形相位響應。圖6表示一個4階梯型電感-電容巴特瓦茲低通濾波器的極點位置。此4個極點位于coc的單位圓上，在左半平面上有等距間隔。coc為LrC3-C4網絡的振蕩頻率。為了產生巴特瓦茲頻率響應，組件(亦即電感、電容、以及電阻)的標準值表示于表l中。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l圖7表示一對串接式分布放大器，每個串接式分布放大器具有梯型電感-電容網絡作為負載，并且具有輸出端Vm。電容C3為金屬-氧化物-半導體管(以下簡稱MOS管)Mgl或Mg2的漏極-基極(drain-to-bulk)寄生電容，電容Q為MOS管Mg或Mg4的柵極-源極寄生電容。電感L2的電感系數(shù)增加可引進更多增益以補償信號路徑所產生的電感損失。圖8表示圖7的串接放大器的小信號模型。電感-電容網絡60包括電容C3和電感L!，耦接至控制電流源Is(亦可表示成從MOS管Mg!/Mg2來的放大信號)。電感-電容網絡62包括電容C4和電感L2，耦接在電感-電容網絡60之后。節(jié)點Vm連接電感-電容網絡60和62，輸出信號至后級串接式分布放大器(包括另一個梯型電感-電容低通濾波器)。圖8的小信號模塊的輸出阻抗頻率響應可表示成以下式子、)=_"2+&_I/"CA+^丄4+0^3+Z2C4+C3C4)+《(C3+C4)+1(3)為了獲得巴特瓦茲響應，Rt設定成凡=丄'v(C3+C4)/2(4)當晶體管Mg3和Mg4的電容q3d產生米勒放大效應(Millereffect)時，C4將大于C3。在頻率coc上，會產生增益峰值峰突(gainpeak),其大小如下列式子:.、(5)舉例來說，若Cr2^3，Li=2*L2，則可獲得如圖9所示的輸出阻抗頻率響應，顯示可得到的3dB帶寬可延展將近3.8倍左右，其中①c為LrC3-C4網絡的振蕩頻率。相對地，并聯(lián)和串聯(lián)電感峰突技術在coc的增益損失為5x^if+4丄:(6)帶寬延展倍率則大幅縮小至2.3十〖咅,最后，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，增益級44結合串接式分布放大器，巴特瓦茲網絡，主動式反饋以及片內變壓器。圖10表示增益級44的電路架構，包括兩個結合主動式反饋的差動放大器。定電流源IS1提供直流偏壓至第一差動放大器(包括一對MOS管M^和Mg2)，以及一對梯型電感-電容低通濾波器(每個包括電感L,、L2以及電阻RlJ。同樣地，定電流源Is2提供直流偏壓至第二差動放大器(包括一對MOS管Mg3和Mg4)，以及一對梯型電感-電容低通濾波器(每個包括電感L3、U以及電阻Rl)。第二差動放大器串接至第一差動放大器之后。雖然圖10未顯示出任何電容，但是MOS管(MgrMg6以及后續(xù)增益級的MOS管)可提供寄生電容，如柵極-源極電容和漏極-基極電容，供應梯型電感-電容低通濾波器所需組件。舉例而言，第一差動放大器中Mgl的漏極-基極電容以及第二差動放大器中Mg3的柵極-源極電容為梯型電感-電容低通濾波器的兩個電容。此外，與傳輸線不同的是，非對稱的片內變壓器64和66(亦即Lr2*L2，L產2化4)用以減少長距離耗損并且有助于此差動布局。為了精準預測此變壓器，EM仿真器可用來獲得準確的模型。主動式反饋架構68包括MOS管Mg5和Mg6以及電流源IS3，將第二差動放大器的節(jié)點Vm的輸出信號負反饋至第二差動放大器(MOS管Mg和Mg4)的輸入端。有益的是，主動式反饋架構68不對第二差動放大器造成負載并且增進增益級44的增益-帶寬積。仿真結果顯示此實施例的架構提供的增益為8dB以及帶寬為35GHz。增益-帶寬積改善了3.8倍。同時,利用片內非對稱變壓器比傳統(tǒng)電感省去約50%的面積，可獲得緊密的芯片布局。圖11為圖2的輸出緩沖級46的示意圖，顯示雀立-虎柏放大器以及FT倍頻器的結合。如本領域技術人員所知，雀立-虎柏放大器為差動放大器，其具有串聯(lián)的兩級以及負反饋架構，連接在后級的輸入與輸出端之間。圖11表示差動放大器的前級，包括MOS管MBi和MB2，以及電阻1181。前級中MB1和MB2的柵極用以從最后一級的增益級44(圖2)接收中級差動信號Vim2。后級為FT倍頻器，包括MOS管MB3和MB4，MB5和MB6，電阻RB2，以及多個對稱型片內變壓器Lo。FT倍頻器的輸入端為MB3和MB4的柵極。負反饋架構有兩個電阻RB2，每個電阻RB2連接在FT倍頻器的輸入端和輸出端之間。每個對稱型片內變壓器Lo有連接至電阻RB2的中央接點，而對稱型片內變壓器U的一端連接至電阻RB1，另一端則產生輸出信號V。ut。圖11的輸出緩沖級46提供下列幾個好處。在FT倍頻器前面使用雀立-虎柏放大器，會降低對增益級的電容負載。因為FT倍頻器使用大輸入晶體管，它的大輸入電容通過維立-虎柏放大器的電阻反饋路徑得到減輕，并且在內部節(jié)點的時間常數(shù)也會減少。因為對稱型片內變壓器可用來吸納寄生電容，輸出帶寬因而被延伸。單端和差動的輸出振幅設計在300mVpp和600mVpp。圖12表示圖11的輸出緩沖級46的仿真結果，指出運算速率在40Gb/s，0.8ps的鋒至鋒擾動，以及差動振幅600mVpp。根據(jù)本發(fā)明的實施例的限幅放大器制造于0.13微米的CMOS制程。圖13展現(xiàn)所測量到的限幅放大器的頻率響應，指出26.2GHz的帶通帶寬以及38dB的差動增益SDD21。在45GHz以內，輸入匹配Sddh和瑜出匹配SDD22各低于-7dB和-10dB，足以驗證此限幅放大器可工作在35Gb/s的高速運作。本發(fā)明的一個實施例提供35Gb/s的CMOS限幅放大器，使用串接式分布放大器，巴特瓦茲網絡，主動式反饋與片內變壓器，可達到差動增益為38dB和帶寬為26.2GHz。相對于其它傳統(tǒng)放大電路，其不需要高電壓、高消耗功率以及龐大芯片面積，因此可具有高速的優(yōu)勢。輸入級42可結合本說明書以外的增益級、輸出緩沖級以及主動式反饋濾波器。同樣地，增益級44或輸出緩沖級46也可結合本說明書以外的限幅放大器內其它組件。權利要求1.一種限幅放大器，包括輸入級，可以進行直流電壓偏差消除，接收差動輸入信號以及輸出第一中級差動信號；多個增益級，上述增益級串接以放大上述第一中級差動信號以及產生第二中級差動信號；輸出緩沖級，放大上述第二中級差動信號以及產生輸出信號；以及反饋濾波器，提供上述輸出信號的直流電壓偏差至上述輸入級用以進行直流電壓偏差消除；其中上述輸入級包括耦接于輸入節(jié)點以及電源線之間的電阻網絡，上述電阻網絡包括共用電阻，耦接于上述電源線；負載電阻，耦接于上述共用電阻的共用端點；以及分流電阻，具有兩端點，分別耦接于上述負載電阻。2.根據(jù)權利要求l所述的限幅放大器，其特征在于，上述輸入級還包括一對中間抽頭電感，各上述中間抽頭電感耦接至對應輸入節(jié)點以及對應負載電阻，以及提供中央接點以輸出上述第一中級差動信號。3.根據(jù)權利要求2所述的限幅放大器，其特征在于，各上述中間抽頭電感為中間抽頭變壓器。4.根據(jù)權利要求3所述的限幅放大器，其特征在于，各上述中間抽頭變壓器為幾何對稱。5.根據(jù)權利要求2所述的限幅放大器，其特征在于，上述輸出緩沖級具有一對輸出節(jié)點以產生上述輸出信號，上述輸入級包含差動對用以感測上述輸出信號的直流電壓偏差。6.—種限幅放大器，包括輸入級，可以進行直流電壓偏差消除，接收差動輸入信號以及輸出第一中級差動信號；多個相同增益級，串接以放大上述第一中級差動信號以及產生第二中級差動信號；輸出緩沖級，放大上述第二中級差動信號以產生輸出信號；以及反饋濾波器，提供上述輸出信號的直流電壓偏差至上述輸入級以供直流電壓偏差消除；其中各上述增益級包括一對梯型電感-電容低通濾波器，各上述梯型電感-電容低通濾波器包括第一電感-電容網絡以接收放大信號，串聯(lián)連接至上述第一電感-電容網絡的第二電感-電容網絡，以及連接至前級梯型電感-電容低通濾波器的上述第一、第二電感-電容網絡的節(jié)點以輸出信號至后級梯型電感-電容低通濾波器。7.根據(jù)權利要求6所述的限幅放大器，其特征在于，各上述增益級包括第一放大器，具有上述前級梯型電感-電容低通濾波器；第二放大器，具有上述后級梯型電感-電容低通濾波器；以及主動反饋架構，將上述第二放大器的輸出信號負反饋至上述第二放大器的輸入端。8.根據(jù)權利要求6所述的限幅放大器，其特征在于，上述第一電感-電容網絡里的第一電感以及第二電感-電容網絡里的第二電感構成變壓器。9.根據(jù)權利要求8所述的限幅放大器，其特征在于，上述變壓器為非對稱片內變壓器。10.根據(jù)權利要求9所述的限幅放大器，其特征在于，上述第一電感與上述第二電感的電感比值大致為2。11.根據(jù)權利要求6所述的限幅放大器，其特征在于，各增益級包括第一放大器，位于上述前級梯型電感-電容低通濾波器中，包括第一金屬氧化物半導體管，上述第一金屬氧化物半導體管具有漏極-基極寄生電容作為第一電容；以及第二放大器，位于上述前級梯型電感-電容低通濾波器中，包括第二金屬氧化物半導體管，上述第二金屬氧化物半導體管具有柵極-源極寄生電容作為第二電容。12.—種限幅放大器，包括輸入級，可以進行直流電壓偏差消除，接收差動輸入信號以及輸出第一中級差動信號；多個相同增益級，串接以放大上述第一中級差動信號以及產生第二中級差動信號；輸出緩沖級，放大上述第二中級差動信號以及產生輸出信號；以及反饋濾波器，提供上述輸出信號的直流電壓偏差至上述輸入級用以進行直流電壓偏差消除；其中上述輸出緩沖級包括差動放大器，作為上述輸出緩沖器的輸入端；FT倍頻器，串聯(lián)至上述差動放大器；以及負反饋架構，連接至上述FT倍頻器的輸出端以及輸入端之間。13.根據(jù)權利要求12所述的限幅放大器，其特征在于，上述負反饋架構包括電阻，連接至上述FT倍頻器的上述輸出端以及上述輸入端之間。14.根據(jù)權利要求12所述的限幅放大器，其特征在于，上述FT倍頻器包括一對變壓器，各上述變壓器包括中間抽頭電感，上述中間抽頭電感具有中央接點以及兩端點，上述中央接點作為上述負反饋架構的輸出端，上述兩端點之一連接至上述FT倍頻器的電阻負載，以及上述兩端點的另一個產生上述輸出信號。15.根據(jù)權利要求14所述的限幅放大器，其特征在于，各上述變壓器具有第一電感，上述第一電感位于上述兩端點之一與上述中央接點之間，以及第二電感，上述第二電感位于上述兩端點的另一個與上述中央接點之間，以及上述第一電感與上述第二電感的電感比值為1。全文摘要本發(fā)明是關于一種限幅放大器，包括輸入級、多個增益級、輸出緩沖級、以及反饋濾波器。輸入級具有直流電壓偏差消除功能，接收差動輸入信號以及輸出第一中級差動信號。上述增益級串接以放大第一中級差動信號以及產生第二中級差動信號。輸出緩沖級放大第二中級差動信號以及產生輸出信號。反饋濾波器提供輸出信號的直流電壓偏差至輸入級以進行直流電壓偏差消除。輸入級包括耦接于輸入端以及電源線之間的電阻網絡，包括耦接于電源線的共用電阻，耦接至共用電阻的共同端點的負載電阻，以及分流電阻具有兩端點分別耦接至負載電阻。文檔編號H03F3/42GK101110576SQ200710139029公開日2008年1月23日申請日期2007年7月23日優(yōu)先權日2006年7月21日發(fā)明者劉深淵,李志虹申請人:聯(lián)發(fā)科技股份有限公司;汪重光