一種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，包括反向放大器（011）和反饋電阻（012）；反向放大器（011）和反饋電阻（012）并聯(lián)連接；反向放大器（011）是通過共源共柵輸入級、差分中間級、源極跟隨器輸出級、直流反饋電路、NMOS管（100）和電流源（112）來實現(xiàn)的。本發(fā)明的跨阻放大器主要用于光接收機的前置放大器，通過自動增益控制單元控制NMOS管（100）以控制跨阻放大器的跨阻增益，解決了大信號時交流輸出幅度過大導(dǎo)致的非線性問題，提高了動態(tài)范圍；同時還解決了大信號時電路直流工作點發(fā)生嚴(yán)重偏移的問題，消除了直流信號；并且提出了電流注入技術(shù)，減小了噪聲，有效地提高了靈敏度。
【專利說明】—種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信電子技術(shù)的光電集成電路OEIC (Optical ElectronicIntegrated Circuits)領(lǐng)域,尤其涉及一種用于光前通信系統(tǒng)的光接收機的帶自動增益控制的低噪聲跨阻放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖通信的快速發(fā)展，有力地推動了光通信產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，同時對其性能也提出了苛刻的要求。光接收機芯片作為光通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能(包括靈敏度、動態(tài)范圍等)關(guān)系到光信號的傳輸質(zhì)量。其中，跨阻放大器(Transimpedence Amp7TIA)位于接收機的最前端，是光接收機中最重要的芯片，它的噪聲及動態(tài)范圍性能直接決定了光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍。由此可見，跨阻放大器的性能在很大程度上決定了光接收機乃至整個光纖通信系統(tǒng)的性能。因此，研究設(shè)計高速、高增益、低噪聲、寬動態(tài)范圍的前置跨阻放大器，對于提高光接收機的性能，構(gòu)建高速、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)具有重要的價值，對我國的光通信產(chǎn)業(yè)及集成電路產(chǎn)業(yè)都具有十分重要的推動作用。
[0003]光通信系統(tǒng)通常用光電二極管將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電流脈沖信號?？缱璺糯笃?TIA)將這個電流脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓脈沖信號供后續(xù)的電路放大和處理。由于在實際使用中接收的光電流的動態(tài)范圍非常大，跨阻放大器也相應(yīng)要求有很大的輸入動態(tài)范圍。因此，跨阻放大器要有相應(yīng)的自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)和直流失調(diào)調(diào)整機制，但是主流的直流失調(diào)調(diào)整電路常常會對電路的噪聲性能帶來不利影響或者結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。
[0004]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種帶自動增益控制和直流失調(diào)控制，但不會影響跨阻放大器噪聲性能的低噪聲跨阻放大器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種不會影響跨阻放大器噪聲性能的一種用于光接收機的帶自動增益控制的低噪聲跨阻放大器。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其特征在于，包括反向放大器(011)和反饋電阻(012);所述反向放大器(011)和所述反饋電阻(012)并聯(lián)連接；
[0007]所述反向放大器(011)是通過共源共柵輸入級、差分中間級、源極跟隨器輸出級、直流反饋電路、NMOS管(100)和電流源(I 12)來實現(xiàn)的；
[0008]所述直流反饋電路是RC低通濾波器。
[0009]進一步地，所述共源共柵輸入級包括NMOS管(101)、NMOS管(102)和電阻(103)；
[0010]所述NMOS管(101)的柵極與輸入信號(IN)、所述NMOS管(100)和所述反饋電阻
(012)的MINUS端連接；源極直接接地(VGND);漏極與所述NMOS管(100)的漏極、所述NMOS管(102)的源極以及所述電流源(112)的MINUS端連接；[0011]所述NMOS管(102)的柵極與所述直流反饋電路連接；漏極與所述電阻(103)的MINUS端以及所述差分中間級連接；源極與所述NMOS管(100)的漏極和所述NMOS管(101)的漏極連接；
[0012]所述電阻(103)的PLUS端接電源(VDD) ;MINUS端分別與所述NMOS管(102)的漏極和所述差分中間級連接。
[0013]進一步地，所述差分中間級包括NMOS管(104)、NMOS管(105)、電阻(106)和NMOS管(109)；
[0014]所述NMOS管(104)的柵極與所述共源共柵輸入級連接；源極分別與所述NMOS管(105)的源極和所述NMOS管(109)的漏極連接；漏極與所述電源(VDD)連接；
[0015]所述NMOS管(105)的柵極外接直流電平；源極分別與所述NMOS管(104)的源極和所述NMOS管(109)的漏極連接；漏極與所述電阻(106)的MINUS端、所述直流反饋電路以及所述源極跟隨器輸出級連接；
[0016]所述電阻(106)的MINUS端分別與所述NMOS管(105)的漏極、所述直流反饋電路以及所述源極跟隨器輸出級連接；PLUS端與所述電源(VDD)連接；
[0017]所述NMOS管(109)的柵極與所述源極跟隨器輸出級連接；漏極分別與所述NMOS管(104)的源極和所述NMOS管(105)的源極連接；源極源極接地(VGND)。
[0018]進一步地，所述源極跟隨器輸出級包括NMOS管(110)和NMOS管(111)；
[0019]所述NMOS管(110)的柵極與所述直流反饋電路和所述差分中間級連接；源極與輸出點(OUT)、所述NMOS管(111)的漏極以及所述反饋電阻(012)的PLUS端連接；漏極與所述電源(VDD)連接；
[0020]所述NMOS管(111)的源極直接接地(VGND );漏極與輸出點(OUT )、以及所述反饋電阻(012)的PLUS端和所述NMOS管(110)的源極連接；源極直接接地(VGND)。
[0021]進一步地，所述RC低通濾波器包括電阻(107)和電容(108)；
[0022]所述電阻(107)的PLUS端與所述NMOS管(105)的漏極、所述電阻(106)的MINUS端以及所述NMOS管(110)的柵極連接；MINUS端與所述NMOS管(102)的柵極以及所述電容(108)的PLUS端連接；
[0023]所述電容(108)的PLUS端與所述NMOS管(102)的柵極以及所述電阻(107)的MINUS端連接；MINUS端接地(VGND)。
[0024]進一步地，所述NMOS管(100)源極分別與所述輸入信號(IN)、所述NMOS管(101)的柵極以及所述電阻(012)的MINUS端連接；漏極與所述NMOS管(101)漏極、所述NMOS管(102)的源極以及所述電流源(112)的MINUS端連接。
[0025]進一步地，所述電流源(112) PLUS端接所述電源(VDD) ；MINUS端分別與所述NMOS管(101)的漏極、所述NMOS管(102)的源極以及NMOS管(100)的漏極連接。
[0026]一種使用了用于光接收機的低噪聲跨阻放大器的光接收機前置放大器，其中，包括跨阻放大器(01)、單轉(zhuǎn)差分放大器(02)、輸出驅(qū)動(03)和自動增益控制單元(04)；
[0027]所述跨阻放大器(01)的輸入端連接輸入信號，輸出端與所述單轉(zhuǎn)差分放大器
(02)的輸入端連接；所述單轉(zhuǎn)差分放大器(02)的輸出端分別與所述輸出驅(qū)動(03)的輸入端和所述自動增益控制單元(04)的輸入端連接；所述輸出驅(qū)動(03)的輸出端輸出信號；所述自動增益控制單元(04)的輸出端與所述跨阻放大器(I)連接；[0028]所述自動增益控制單元(04)與所述跨阻放大器(01)的所述NMOS管(100)的柵極連接。
[0029]在本發(fā)明的一個較佳實施例中，所述光接收機前置放大器還包括光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊(305)、帶隙基準(zhǔn)模塊(306)和基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊(307)；
[0030]所述光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊(305)與光電二極管連接；用于為光電二極管提供偏置電壓；
[0031]所述帶隙基準(zhǔn)模塊(306)和所述基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊(307)與所述電源(VDD)連接在一起，用于提供基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流。
[0032]在本發(fā)明的較佳實施方式中，輸入信號是由光電二極管感應(yīng)光信號而得到的電流脈沖信號。反向放大器011與跨阻，即反饋電阻012構(gòu)成跨阻放大器01，跨阻放大器將電流脈沖信號轉(zhuǎn)換并放大為一定幅度的電壓脈沖信號；單轉(zhuǎn)差分放大器02將該單端電壓信號轉(zhuǎn)化為雙端差分信號；再經(jīng)過輸出驅(qū)動03最終輸出，輸出驅(qū)動03輸出電阻50 Ω ,便于傳輸線匹配。跨阻放大器01采用并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，即反向放大器011與反饋電阻(跨阻)012并聯(lián)的形式，該結(jié)構(gòu)具有低輸入電阻、低輸出阻抗等優(yōu)點而被廣泛采用。自動增益控制單元04在輸入信號較大時，可以降低跨阻放大器的跨阻增益，使大信號時交流輸出電壓的幅度仍保持在輸出擺幅要求范圍內(nèi)，提高動態(tài)范圍。
[0033]本發(fā)明的用于光接收機的帶自動增益控制的低噪聲跨阻放大器，達到了以下幾點的有益效果:
[0034](I)本發(fā)明通過自動增益控制解決了大信號時交流輸出幅度過大導(dǎo)致的非線性問題，提高了動態(tài)范圍=NMOS管100通過兩方面降低跨阻增益:一方面，一部分交流電流流過NMOS管100，減小了流過跨阻012的交流信號電流，降低了輸出幅度；另一方面，NMOS管100降低了反向放大器011的增益，也降低了跨阻增益。通過這兩方面，相對于單方面的調(diào)節(jié)跨阻阻值或者放大器增益的方式，此種結(jié)構(gòu)能更為有效地調(diào)節(jié)跨阻增益，顯著地提高了動態(tài)范圍；
[0035](2)本發(fā)明通過差分中間級(NM0S 管 104、NMOS 管 105、NM0S 管 106、NMOS 管 109)、RC低通濾波器(電阻107、電容108)及共柵極NMOS管102和負(fù)載電阻103等組成的直流反饋環(huán)路，解決了大信號時電路直流工作點發(fā)生嚴(yán)重偏移的問題。該環(huán)路是負(fù)反饋，再加上NMOS管100管為均值電流提供流通路徑，達到了直流消除的功能，使流過跨阻012的直流電流很小，因此穩(wěn)定了輸出直流工作點，提高了動態(tài)范圍；
[0036](3)本發(fā)明用于消除直流信號，提高動態(tài)范圍的直流反饋環(huán)路，結(jié)構(gòu)相對簡單，并且和差分中間級(NM0S管104、NMOS管105、NM0S管106、NM0S管109)共用電路，解決了傳統(tǒng)直流消除電路的復(fù)雜性；
[0037](4)本發(fā)明提出了電流注入技術(shù)，向NMOS管101注入額外的一路電流，在不影響增益與帶寬的基礎(chǔ)上增大了 NMOS管101的跨導(dǎo)，減小了噪聲，有效地提高了靈敏度；
[0038](5 )本發(fā)明可以應(yīng)用于眾多光接收機系統(tǒng)的前置電路，包括GePON、千兆以太網(wǎng)及光纖通道等。
[0039]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明的一種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2是應(yīng)用了本發(fā)明跨阻放大器的光接收機前置放大器芯片的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖3是應(yīng)用了本發(fā)明跨阻放大器的光接收機前置放大器的另一較佳實施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0044]本發(fā)明的應(yīng)用于光接收機的低噪聲跨阻放大器的電路結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，包括反向放大器011、反饋電阻012。反饋電阻012連接在反向放大器011的輸出OUT和輸入IN之間，反向放大器011由三級放大電路以及直流反饋電路組成。
[0045]其中反相放大器011是通過共源共柵輸入級、差分中間級、源極跟隨器輸出級、RC低通濾波器、NMOS管100、和電流源112來實現(xiàn)的:
[0046]共源共柵輸入級包括NMOS管101、NMOS管102和電阻103:
[0047]NMOS管101的柵極與輸入信號IN、NM0S管100和反饋電阻012的MINUS端連接；源極直接接地VGND ;漏極與NMOS管100的漏極、NMOS管102的源極以及電流源112的MINUS端連接；
[0048]NMOS管102的柵極與電阻107的MINUS端以及電容108的PLUS端連接；漏極與電阻103的MINUS端以及NMOS管104的柵極連接；源極與NMOS管100的漏極和NMOS管101的漏極連接；
[0049]電阻103的PLUS端接電源VDD ；MINUS端分別與NMOS管102的漏極和NMOS管104的柵極連接。
[0050]差分中間級包括NMOS管104、NMOS管105、電阻106和NMOS管109:
[0051]NMOS管104的柵極與電阻103的MINUS端以及NMOS管102的漏極連接；源極分別與NMOS管105的源極和NMOS管109的漏極連接；漏極與電源VDD連接；
[0052]NMOS管105的柵極外接直流電平；源極分別與NMOS管104的源極和NMOS管109的漏極連接；漏極與電阻106的MINUS端、電阻107的PLUS端以及NMOS管110的柵極連接；
[0053]電阻106的PLUS端接電源VDD ；MINUS接NMOS管105的漏極、電阻107的PLUS端、NMOS管110的柵極；
[0054]NMOS管109柵極與NMOS管111的柵極連接；源極接地VGND ;漏極與NMOS管104的源極和NMOS管105的源極連接。
[0055]源極跟隨器輸出級包括NMOS管110和NMOS管111:
[0056]NMOS管110源極與輸出點OUT、NMOS管111的漏極以及反饋電阻012的PLUS端連接；漏極與電源VDD連接；柵極接NMOS管的105漏極、電阻106的MINUS端以及電阻107的PLUS端；
[0057]NMOS管111的源極直接接地VGND ;漏極與輸出點OUT和NMOS管110的源極連接；柵極與NMOS管109的柵極連接。
[0058]RC低通濾波器包括電阻107和電容108:
[0059]電阻107的PLUS端與NMOS管105的漏極、電阻106的MINUS端以及NMOS管110的柵極連接；MINUS端與NMOS管102的柵極以及電容108的PLUS端連接；
[0060]電容108的PLUS端與NMOS管102的柵極以及電阻107的MINUS端連接；MINUS端接地VGND。
[0061]NMOS管100NM0S管100作為自動增益調(diào)整管，跨在輸入管101的柵極和漏極之間，工作在線性區(qū)，等效為一個由柵電壓控制的可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)跨阻增益；源極分別與輸入信號IN、NM0S管101的柵極以及電阻012的MINUS端連接；漏極與NMOS管101漏極、NMOS管102的源極以及電流源112的MINUS端連接。
[0062]電流源112的PLUS端接電源VDD ；MINUS端分別與NMOS管101的漏極、NMOS管102的源極以及NMOS管100的漏極連接。
[0063]本發(fā)明的應(yīng)用于光接收機的低噪聲跨阻放大器是光接收機前置放大器芯片的一部分，其中光接收機前置放大器芯片具體如圖2所示，包括低噪音放大電路包括跨阻放大器01、單轉(zhuǎn)差分放大器02、輸出驅(qū)動03和自動增益控制單元04。其中，輸入信號是由光電二極管05感應(yīng)光信號而得到的電流脈沖信號。反向放大器011與跨阻，即反饋電阻012構(gòu)成跨阻放大器01，跨阻放大器將電流脈沖信號轉(zhuǎn)換并放大為一定幅度的電壓脈沖信號；單轉(zhuǎn)差分放大器02將該單端電壓信號轉(zhuǎn)化為雙端差分信號；再經(jīng)過輸出驅(qū)動03最終輸出，輸出驅(qū)動輸出電阻50 Ω，便于傳輸線匹配。圖2中跨阻放大器01、單轉(zhuǎn)差分放大器02、輸出驅(qū)動03和自動增益控制單元04共同構(gòu)成整個前置放大器10。其中，OUTP和OUTN表示輸出。
[0064]圖2中的跨阻放大器01采用并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，即反向放大器011與反饋電阻(跨阻)012是并聯(lián)的形式，該結(jié)構(gòu)具有低輸入電阻、低輸出阻抗等優(yōu)點而被廣泛采用。自動增益控制單元04在輸入信號較大時，可以降低跨阻放大器的跨阻增益，使大信號時交流輸出電壓的幅度仍保持在輸出擺幅要求范圍內(nèi)，提高動態(tài)范圍。
[0065]限制跨阻放大器動態(tài)范圍的原因有兩個:
[0066]第一，隨著輸入信號的增大，交流輸出電壓幅度過大，超出了輸出擺幅的限制；
[0067]第二，跨阻放大器的輸入信號存在非零均值，均值電流流過跨阻，當(dāng)均值電流過大時會產(chǎn)生較大的壓降，導(dǎo)致輸出直流電平發(fā)生嚴(yán)重偏移，使放大器偏離正常工作區(qū)域。
[0068]自動增益控制單元04可以解決由第一個原因造成的問題。由第二個原因造成的過載仍然限制了跨阻放大器的動態(tài)范圍。這就需要采用直流消除(DC Cancellation)來抑制平均電流對放大器直流工作點的影響。
[0069]本發(fā)明的NMOS管100作為自動增益調(diào)整管，用來調(diào)節(jié)跨阻增益，其柵極控制電壓由圖2中的自動增益控制單元04生成。差分中間級(NM0S管104、NM0S管105、NM0S管106和NMOS管109)的輸出經(jīng)過RC低通濾波器(電阻107、電容108)之后作為共柵管102的柵極偏置電壓。NMOS管104、NM0S管105、NM0S管106、電阻107、電容108和NMOS管109形成了直流反饋環(huán)路，在大信號時可以起到穩(wěn)定電路直流工作點的作用，這個反饋環(huán)路就是該發(fā)明自帶的直流消除功能單元，其結(jié)構(gòu)相對簡單，并且與差分中間級共用一部分電路(NM0S管104、NM0S管105、NM0S管106、NM0S管109)。注入電流源112的引入增大了輸入管101的跨導(dǎo)，減小了整個跨阻放大器的輸入噪聲。[0070]自動增益控制單元04用于檢測單轉(zhuǎn)差分放大器02的輸出差分信號之間的交流信號幅度，自動增益控制單元04的輸出接NMOS管100的柵極。詳細(xì)的自動增益控制單元04電路這里不具體給出。
[0071]按照自動增益控制單元04是否激活可以將跨阻放大器01的工作區(qū)域分可分為“激活”區(qū)域和“非激活”區(qū)域:
[0072](I) “非激活”區(qū)域:
[0073]輸入電流信號較小時,信號幅度和均值電流都較小，自動增益控制單元04和直流消除消除功能單元不工作，跨阻放大器01處在線性工作區(qū)。此時調(diào)整管100的柵極控制電壓保持自動增益控制單元04的最小輸出電壓，調(diào)整管100處于截止?fàn)顟B(tài)，增益控制未激活。沒有電流(直流與交流)通過調(diào)整管100，電流全部流過跨阻012。自動增益控制單元04不工作，差分中間級只用于放大功能。在小信號時，自動增益控制單元04和直流消除都未被激活，跨阻放大器01工作在“非激活”區(qū)域。
[0074]“非激活”區(qū)域的噪聲性能決定了跨阻放大器01的靈敏度，要減小輸入噪聲必須增大輸入管101的跨導(dǎo)。放大流經(jīng)NMOS管101、NMOS管102和電阻103路徑的偏置電流，可以增大NMOS管101的跨導(dǎo)，但是這種方式有兩個缺點:1.要增大流經(jīng)電阻103的電流必須減小電阻103的阻值，導(dǎo)致前置放大器的增益下降，帶寬下降；2.流經(jīng)NMOS管102的電流增大使得NMOS管102的跨導(dǎo)增大，將增大輸入噪聲。
[0075]為了克服這兩個缺點，本發(fā)明采用了電流注入技術(shù)。使用電流源112向NMOS管101額外注入一路電流，這樣NMOS管101的大部分偏置電流將由電流源112提供，流經(jīng)NMOS管102和電阻103的只有一小部分偏置電流。那么在不損失增益和帶寬的條件下減小了噪聲，提高了靈敏度。
[0076](2)“激活”區(qū)域:
[0077]當(dāng)輸入電流信號增大到一定程度,跨阻放大器01由于輸出交流幅度過大或者輸出直流工作點嚴(yán)重偏移而失真，此時必須工作在“激活”區(qū)域才能保證跨阻放大器01繼續(xù)處于正常的工作狀態(tài)。
[0078]自動增益控制單元04根據(jù)信號大小產(chǎn)生NMOS管100的柵極控制電壓，調(diào)節(jié)其等效阻值，信號越大，柵極控制電壓越大，等效電阻越小。在“激活”區(qū)域，NMOS管100導(dǎo)通，工作在線性區(qū)，此時，有電流流過NMOS管100，包括直流和交流。
[0079]在大信號時，輸入交流信號的一部分流過NMOS管100，減小了通過跨阻012的交流信號，輸出信號幅度相應(yīng)變小，降低了跨阻增益洞時NMOS管100的等效電阻降低了共源共柵輸入級的增益，也就降低了反向放大器011的增益，因此整個環(huán)路增益也隨信號增大而減小,環(huán)路穩(wěn)定性不隨信號增大而惡化。輸入信號越大，NMOS管100柵極控制電壓越大，流過NMOS管100的交流電流信號所占的比例越大，等效電阻越小，跨阻放大器01的跨阻增益越小?？傊ㄟ^NMOS管100的控制，降低了跨阻增益，解決了交流輸出幅度過大對動態(tài)范圍的影響。
[0080]在NMOS管100調(diào)節(jié)跨阻增益的同時，為直流消除單元提供了輸入均值電流的流通路徑。大信號時，由于直流負(fù)反饋環(huán)(NM0S管104、NM0S管105、NM0S管106、電阻107、電容108,NMOS管109)的作用，均值電流的很大一部分流過NMOS管100，只有很小一部分流過跨阻012，跨阻012上的壓降就很小。并且輸入信號越大，流過NMOS管100的直流的比例也越大，使跨阻012上的壓降相對穩(wěn)定，輸出直流電平保持在正常范圍內(nèi)。直流反饋環(huán)路完成了輸入電流信號的直流消除功能，相對穩(wěn)定了電路的直流工作點，解決了大信號時直流工作點偏移造成的跨阻放大器的非線性問題。
[0081]本發(fā)明的跨阻放大器電路結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍、高靈敏度的優(yōu)點，同時節(jié)約了芯片功耗和面積，可以應(yīng)用在高性能光接收機系統(tǒng)的前置跨阻放大器芯片中，位于芯片的最前端，完成將光電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的功能，它是整個跨阻放大器芯片最核心的模塊。
[0082]本發(fā)明的一個具體的實施例如圖3所示。300是外接的光電二極管，實線方框中是前置放大器整體芯片的組成，其模塊組成為:301即圖2所示的本發(fā)明的跨阻放大器，302是單轉(zhuǎn)差分電路，303是輸出驅(qū)動電路，304是自動增益控制模塊，305是光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊，306是帶隙基準(zhǔn)模塊、307為基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊。其中，VDD是電源，GND表示接地，OUTP和OUTN表示輸出。
[0083]在本實施例中，跨阻放大器電路301應(yīng)用于前置放大器整體芯片的最前端，是最核心的模塊，其輸入端接光電二極管300的陽極,而光電二極管300的陰極接光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊305,光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊305為光電二極管300提供偏置電壓，使得光電二極管300處于反偏狀態(tài)，感應(yīng)光信號的強度生成相應(yīng)幅度的電流脈沖信號。跨阻放大器301接收該電流信號，將其轉(zhuǎn)化并放大為一定幅度的電壓脈沖信號。該電壓脈沖信號輸出到后續(xù)的單端轉(zhuǎn)差分電路302轉(zhuǎn)化為差分信號，差分信號有利于抑制共模噪聲，同時便于后續(xù)處理。差分信號再經(jīng)過輸出驅(qū)動電路303最終輸出，輸出驅(qū)動電路303的目的是提高驅(qū)動能力，同時與傳輸線匹配。自動增益控制模塊304根據(jù)信號的大小產(chǎn)生電壓控制信號，該控制信號提供給跨阻放大器301來實現(xiàn)增益控制。此外，帶隙基準(zhǔn)模塊306和基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊307為電路提供基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流。
[0084]本發(fā)明有效地解決了動態(tài)范圍、靈敏度等相關(guān)問題，提出了一種新的跨阻放大器電路的結(jié)構(gòu)，其寬動態(tài)范圍、高靈敏度的性能優(yōu)點，以及節(jié)約功耗和面積的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于高性能光接收機系統(tǒng)(GePON、千兆以太網(wǎng)、光纖通道等)的前置跨阻放大器芯片中。
[0085]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其特征在于，包括反向放大器(011)和反饋電阻(012);所述反向放大器(011)和所述反饋電阻(012)并聯(lián)連接； 所述反向放大器(011)是通過共源共柵輸入級、差分中間級、源極跟隨器輸出級、直流反饋電路、NMOS管(100)和電流源(112)來實現(xiàn)的； 所述直流反饋電路是RC低通濾波器。
2.如權(quán)利要求1所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述共源共柵輸入級包括 NMOS 管(101)、NMOS 管(102)和電阻(103)； 所述NMOS管(101)的柵極與輸入信號(IN)、所述NMOS管(100)和所述反饋電阻(O 12)的MINUS端連接；源極直接接地(VGND);漏極與所述NMOS管(100)的漏極、所述NMOS管(102)的源極以及所述電流源(112)的MINUS端連接； 所述NMOS管(102)的柵極與所述直流反饋電路相連；漏極與所述電阻(103)的MINUS端以及所述差分中間級連接；源極與所述NMOS管(100)的漏極和所述NMOS管(101)的漏極連接； 所述電阻(103)的PLUS端接電源(VDD) ;MINUS端分別與所述NMOS管(102)的漏極和所述差分中間級連接。
3.如權(quán)利要求2所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述差分中間級包括 NMOS 管(104)、NMOS 管(105)、電阻(106)和 NMOS 管(109)； 所述NMOS管(104)的柵極與所述共源共柵輸入級連接；源極分別與所述NMOS管(105)的源極和所述NMOS管(109)的漏極連接；漏極與所述電源(VDD)連接； 所述NMOS管(105)的柵極外接直流電平；源極分別與所述NMOS管(104)的源極和所述NMOS管(109)的漏極連接；漏極與所述電阻(106)的MINUS端、所述直流反饋電路以及所述源極跟隨器輸出級連接； 所述電阻(106)的MINUS端分別與所述NMOS管(105)的漏極、所述直流反饋電路以及所述源極跟隨器輸出級連接；PLUS端與所述電源(VDD)連接； 所述NMOS管(109)的柵極與所述源極跟隨器輸出級連接；漏極分別與所述NMOS管(104)的源極和所述NMOS管(105)的源極連接；源極接地(VGND)。
4.如權(quán)利要求3所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述源極跟隨器輸出級包括NMOS管(110)和NMOS管(111)； 所述NMOS管(110)的柵極與所述直流反饋電路和所述差分中間級連接； 源極與輸出點(OUT)、所述NMOS管(111)的漏極以及所述反饋電阻(012)的PLUS端連接；漏極與所述電源(VDD)連接； 所述NMOS管(111)的源極直接接地(VGND);漏極與輸出點(OUT)、以及所述反饋電阻(012)的PLUS端和所述NMOS管(110)的源極連接；源極直接接地(VGND)。
5.如權(quán)利要求4所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述RC低通濾波器包括電阻(107)和電容(108)； 所述電阻(107)的PLUS端與所述NMOS管(105)的漏極、所述電阻(106)的MINUS端以及所述NMOS管(110)的柵極連接；MINUS端與所述NMOS管(102)的柵極以及所述電容(108)的PLUS端連接； 所述電容(108)的PLUS端與所述NMOS管(102)的柵極以及所述電阻(107)的MINUS端連接；MINUS端接地(VGND)。
6.如權(quán)利要求1所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述NMOS管(100)源極分別與所述輸入信號(IN)、所述NMOS管(101)的柵極以及所述電阻(012)的MINUS端連接；漏極與所述NMOS管(101)漏極、所述NMOS管(102)的源極以及所述電流源(112)的MINUS端連接。
7.如權(quán)利要求1所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器，其中，所述電流源(112)PLUS端接所述電源(VDD) ；MINUS端分別與所述NMOS管(101)的漏極、所述NMOS管(102)的源極以及NMOS管(100)的漏極連接。
8.一種使用如權(quán)利要求1所述的用于光接收機的低噪聲跨阻放大器的光接收機前置放大器，其中，包括跨阻放大器(01)、單轉(zhuǎn)差分放大器(02)、輸出驅(qū)動(03)和自動增益控制單元(04)； 所述跨阻放大器(01)的輸入端連接輸入信號，輸出端與所述單轉(zhuǎn)差分放大器(02)的輸入端連接；所述單轉(zhuǎn)差分放大器(02)的輸出端分別與所述輸出驅(qū)動(03)的輸入端和所述自動增益控制單元(04)的輸入端連接；所述輸出驅(qū)動(03)的輸出端輸出信號；所述自動增益控制單元(04)的輸 出端與所述跨阻放大器(I)連接； 所述自動增益控制單元(04)與所述跨阻放大器(01)的所述NMOS管(100)的柵極連接。
9.如權(quán)利要求8所述的光接收機前置放大器，其特征在于，還包括光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊(305)、帶隙基準(zhǔn)模塊(306)和基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊(307);所述光電二極管偏置電壓產(chǎn)生模塊(305)與光電二極管連接；用于為光電二極管提供偏置電壓； 所述帶隙基準(zhǔn)模塊(306 )和所述基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊(307 )與所述電源(VDD )連接在一起，用于提供基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流。
【文檔編號】H04B10/60GK103973246SQ201410135951
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】莫太山, 張書磊, 沈林峰 申請人:嘉興禾潤電子科技有限公司, 嘉興泰鼎光電集成電路有限公司