具有寬輸入電流范圍的跨阻抗放大器的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及前置放大器或前置放大電路，更具體地涉及用于將輸入電流信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號的前置放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]前置放大器用于多種應(yīng)用例如以將從光電二極管輸入的信號電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，以便后續(xù)處理，諸如在光纖接收器系統(tǒng)中。諸如這些提供一個(gè)或多個(gè)跨阻抗放大器或TIA的前置放大器電路，其中兩個(gè)TIA可用于將單端輸入電流信號轉(zhuǎn)換為差分輸出電壓信號。對于給定應(yīng)用和相關(guān)聯(lián)的輸入電流靈敏度水平，跨阻抗放大器相對于各種性能參數(shù)來設(shè)計(jì)，性能參數(shù)包括帶寬、增益、增益峰化、群延時(shí)和輸入?yún)⒖荚肼?。然而，需要較寬范圍輸入電流的應(yīng)用可能受到飽和效益，潛在地導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)的顯著劣化，以及在信號路徑輸出處高脈沖寬度失真(PWD)和確定性抖動(dòng)(DJ)。因此，仍然需要具有對寬范圍的輸入電流信號幅度進(jìn)行可接受的性能參數(shù)操作能力的改進(jìn)的前置放大器和集成電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文涉及前置放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述前置放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于輸入電流信號的幅度(amplitude)或大小(magnitude)提供跨阻抗放大器操作條件的調(diào)節(jié)，以促進(jìn)滿足寬輸入電流范圍的設(shè)計(jì)參數(shù)。不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本公開的各種概念可被成功地使用，以允許在其中輸入信號可以廣泛地變化，而無帶寬、增益、增益峰化、群延遲、輸入?yún)⒖荚肼曪@著下降和無高脈寬失真或確定性抖動(dòng)的情況下，應(yīng)用使用一個(gè)或多個(gè)跨阻抗放大器的給定的前置放大器設(shè)計(jì)。
[0004]本文提供一種前置放大電路，其包括接收輸入信號并提供第一電壓輸出信號的第一跨阻抗放大器，以及與第一跨阻抗放大器匹配的第二跨阻抗放大器，所述第二互阻提供第二電壓輸出信號。偏置電路至少部分地基于基準(zhǔn)電流將第一偏置電流和第二偏置電流提供給相應(yīng)的跨阻抗放大器。前置放大電路進(jìn)一步包括基準(zhǔn)電路，所述基準(zhǔn)電路至少部分地根據(jù)偏移信號控制提供給偏置電路的基準(zhǔn)電流；和偏移(offset)電路，所述偏移電路根據(jù)從第一電壓輸出信號和第二電壓輸出信號得到的差分電壓輸出信號提供偏移信號。使用偏移信號以控制跨阻抗放大器偏置電流可成功地被采用，以有利地促進(jìn)在寬輸入電流范圍內(nèi)進(jìn)行操作，同時(shí)保持可接受的性能參數(shù)，從而表現(xiàn)出超過傳統(tǒng)前置放大器設(shè)計(jì)的明顯進(jìn)步。
[0005]某些前置放大電路進(jìn)一步包括DC消除電路，以基于偏移信號選擇性地有效消除輸入信號的直流含量(content)的全部或一部分。在某些實(shí)施例中，自動(dòng)增益控制(AGC)電路可被包括以至少部分地根據(jù)差分輸出電壓信號控制跨阻抗放大器增益?？缱杩狗糯笃骺砂ǚ答侂娮杵骱团c反饋電阻器并聯(lián)連接的增益控制晶體管，AGC電路向增益控制晶體管提供門控信號以降低跨阻抗傳感器增益，以便增大差分電壓輸出信號幅度，并且反之亦然。此外，在某些實(shí)施例中，基準(zhǔn)電路至少部分地根據(jù)偏移信號幅度的倒數(shù)控制基準(zhǔn)電流以減小跨阻抗放大器偏置電流，并且由此減小跨阻抗放大器增益，以便增大差分電壓輸出信號幅度，并且反之亦然。
[0006]本公開的進(jìn)一步的方面提供一種集成電路裝置，其包括偏置電路，所述偏置電路具有第一 M0SFET和第二 M0SFET，所述第一 M0SFET和第二 M0SFET具有彼此耦合的柵極端子、耦合至電壓供給節(jié)點(diǎn)的源極端子和根據(jù)在所述柵極端子處的控制電壓分別提供第一偏置電流和第二偏置電流的漏極端子。集成電路裝置還包括第一跨阻抗放大器和第二跨阻抗放大器，其各自包括通過相應(yīng)的電阻器接收相應(yīng)的偏置電流的輸入晶體管、發(fā)射極輸出器晶體管(emitter follower transistor)以及連接在發(fā)射極輸出器晶體管的發(fā)射極和輸入晶體管的基極端子之間的反饋電阻器。第一跨阻抗放大器的輸入晶體管的基極被連接以接收輸入信號，并且跨阻抗放大器提供代表輸入信號幅度的差分電壓輸出。在某些實(shí)施例中，第一跨阻抗放大器和第二跨阻抗放大器相互匹配。集成電路裝置還包括基準(zhǔn)電路，所述基準(zhǔn)電路提供基準(zhǔn)電流輸出以至少部分地基于差分電壓輸出和根據(jù)在所述集成電路中產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流改變偏置電路控制電壓，從而控制第一偏置電流和第二偏置電流。這個(gè)結(jié)構(gòu)有利地采用了差分電壓輸出來相應(yīng)地改變跨阻抗放大器偏置，從而針對輸入信號水平的改變自我調(diào)節(jié)操作，以滿足上面提到的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)保持低的PWD和DI值，從而便于降低針對高輸入信號水平的功率消耗。
[0007]在某些實(shí)施例中，M0SFET耦合在第一放大器輸入晶體管的基極端子和電路接地之間，并且至少部分地根據(jù)差分電壓輸出信號被控制以選擇性地除去輸入信號直流含量的至少一部分。集成電路裝置的某些實(shí)施例包括AGC電路，所述AGC電路至少部分地根據(jù)差分電壓輸出信號控制第一跨阻抗放大器和第二跨阻抗放大器的增益。此外，在某些實(shí)施例中，基準(zhǔn)電路至少部分地根據(jù)差分電壓輸出信號幅度的倒數(shù)控制基準(zhǔn)電流輸出，使得減小跨阻抗放大器偏置電流并且因此減小跨阻抗放大器增益，以便增大差分電壓輸出信號幅度，并且反之亦然。
[0008]根據(jù)本公開的其他方面，提供用于將單端輸入電流信號轉(zhuǎn)換為差分輸出電壓信號的前置放大器。所述前置放大器包括接收單端輸入電流信號的信號跨阻抗放大器以及虛擬(dummy)跨阻抗放大器，所述虛擬跨阻抗放大器匹配信號跨阻抗放大器，并且不接收輸入信號。所述信號跨阻抗放大器和所述虛擬跨阻抗放大器至少部分地根據(jù)輸入電流信號和根據(jù)偏置電流源以及根據(jù)自動(dòng)增益控制電路信號來提供差分輸出電壓信號，所述偏置電流源來源于在前置放大器中實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)電流源。
【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)本公開的某些方面示出具有兩個(gè)跨阻抗放大器、自動(dòng)增益控制和偏移消除電路以及基準(zhǔn)電路的示例性前置放大器的示意圖，其中一個(gè)跨阻抗放大器接收單端輸入電流信號，自動(dòng)增益控制和偏移消除電路根據(jù)放大的差分電壓輸出信號提供輸出，基準(zhǔn)電路至少部分地根據(jù)差分電壓輸出控制TIA偏置電流；
[0010]圖2是進(jìn)一步示出示例性前置放大器電路實(shí)施方式的細(xì)節(jié)的示意圖，其中的基準(zhǔn)電路根據(jù)偏移消除輸入信號經(jīng)由受控制的基準(zhǔn)電流控制偏置電路控制電壓，并且增益控制場效應(yīng)晶體管根據(jù)AGC輸入信號控制跨阻抗放大器增益，所述AGC輸入信號根據(jù)差分電壓輸出得到；
[0011]圖3是示出在圖1和2的前置放大器中的示例性自動(dòng)增益控制和偏移消除電路的不意圖；以及
[0012]圖4是進(jìn)一步詳細(xì)示出在圖1和2的前置放大器中的基準(zhǔn)電路細(xì)節(jié)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本文提供用于將輸入電流信號轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號的同時(shí)基于輸出電壓反饋有利地采用自動(dòng)增益控制和偏移調(diào)節(jié)的前置放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和裝置，其可以被實(shí)現(xiàn)為在寬范圍的輸入信號幅度內(nèi)提供操作，同時(shí)維持性能參數(shù)在可接受限度內(nèi)。本文提供了超過現(xiàn)有前置放大器電路設(shè)計(jì)的顯著改進(jìn)，現(xiàn)有前置放大器電路設(shè)計(jì)的示例在指派給本公開的受讓人的編號7，233，209的美國專利中被說明和描述，其整體通過引用并入本文。
[0014]圖1示出在一個(gè)可能的應(yīng)用中的前置放大器電路裝置10，其中輸入電流信號IAN接收自光電二極管2，所述光電二極管2連接在前置放大器輸入端12和偏置源BIAS之間，其中該圖將光電二極管2的電容表示為在輸入端12處的光電二極管2的陽極和接地之間連接的電容器C1。在一個(gè)非限制性示例中，前置放大器電路10是經(jīng)由光電二極管2接收光信號的光纖通信系統(tǒng)接收器的一部分，并且前置放大器10提供代表接收自光電二極管2的電流信號的差分電壓輸出，以便進(jìn)一步由主機(jī)系統(tǒng)(未示出)處理。
[0015]如圖1所示，前置放大器10具有單端輸入12和被表示為放大器16的雙跨阻抗放大器體系結(jié)構(gòu)，所述雙跨阻抗放大器體系結(jié)構(gòu)包括經(jīng)由端子12接收輸入信號的第一跨阻抗放大器或信號跨阻抗放大器或TIA 10a和不接收輸入信號的第二跨阻抗放大器或“虛擬”跨阻抗放大器10b?？缱杩狗糯笃?0a和跨阻抗放大器10b在節(jié)點(diǎn)14a和節(jié)點(diǎn)14b處提供代表從光電二極管2接收的輸入電流信號幅度的差分輸出電壓信號。此外，在該示例中，電壓放大器4接收來自節(jié)點(diǎn)14a和節(jié)點(diǎn)14b的差分輸出電壓信號，并且將在節(jié)點(diǎn)4a和節(jié)點(diǎn)4b處的放大的差分電壓作為輸入提供給50 Ω輸出緩沖器6。緩沖器6的輸出作為整體前置放大器的差分輸出在節(jié)點(diǎn)8a和8b處被提供，其可以由主機(jī)系統(tǒng)諸如光纖接收器(未示出)來使用。在某些實(shí)施例中，前置放大器10被構(gòu)造為單個(gè)集成電路(1C)，其可以但不必包括電壓放大器4和/或輸出緩沖器6。在其他實(shí)施方式中，前置放大器10作為獨(dú)立的集成電路來實(shí)現(xiàn)，電壓放大器4和緩沖器6被單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。此外，前置放大器10可能作為功能塊被實(shí)現(xiàn)在硅上系統(tǒng)(例如，收發(fā)器1C)中。
[0016]電壓放大器4的輸出還被提供為差分電壓輸入被提供給自動(dòng)增益控制(AGC)和偏移消除(0C)電路30。電路30在節(jié)點(diǎn)34處提供AGC輸出，用于第一 TIA 10a和第二 TIA10b的自動(dòng)增益控