專利名稱：寬帶高增益跨阻放大器及設(shè)計(jì)方法和放大器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于光纖通信等系統(tǒng)中接收端的低噪聲跨阻前置放大器電路，對接收到的微弱信號進(jìn)行寬帶、高增益、低噪聲放大，同時電路具有設(shè)計(jì)簡單和單片集成的特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
光纖通信系統(tǒng)以其具有的大容量等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)和多媒體通信中得到了飛速的發(fā)展。在同步光纖通信系統(tǒng)中，光信號經(jīng)過幾十甚至上百公里長距離無中繼傳輸，在接收端已經(jīng)變得非常微弱。光接收機(jī)前置放大器的作用就是將光檢測器輸出的微弱電流脈沖信號在引入較少噪聲前提下轉(zhuǎn)換放大成一定幅度的電壓信號。因此前置放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要獲得低噪聲、高靈敏度以及高增益的性能；另一方面在光纖通信等系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)速率的提升，前置放大器在現(xiàn)有的工藝下還要獲得盡可能寬的帶寬。

發(fā)明內(nèi)容
前置放大器的類型分為低阻放大器、高阻放大器和跨阻放大器，本發(fā)明的目的就是提供一種能夠同時具有高增益、寬帶寬和低噪聲性能的接收系統(tǒng)中的跨阻前置放大器。本跨阻放大器設(shè)計(jì)方法由一條提升增益的前饋通路和一條降低輸入阻抗的反饋通路構(gòu)成。前饋通路采用共柵-共源-共柵-共柵的結(jié)構(gòu)，其特征是在前饋通路中加入了M4和M5兩級共柵級，增加的兩級共柵級的效果是不僅能提高前饋電路的增益，還能同時增大整個跨阻放大器的帶寬。增加的M4和M5兩級共柵級帶來的另一個效果是提高了 Ml管的柵電位，使得Ml管獲得足夠的電壓偏置，保證了晶體管的工作速度。反饋通路采用源極跟隨器，并采用有源電感結(jié)構(gòu)作為負(fù)載進(jìn)一步拓展帶寬，最后輸出信號out。該跨阻放大器的連接方法是所述前饋通路由五只N型晶體管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶體管M9構(gòu)成，(在傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了 M4和M5兩級共源級，并以M9作為電流源負(fù)載)。Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ；M2的柵端連接偏置電壓Vb2，M2的漏端連接M6的源端和M3的柵端，M2的源端接M8的漏端和Ml的源端；M3的柵端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端連接M4的源端，M3的源連接到地；M4的柵端連接偏置電壓Vb2，M4的漏端連接M5的源端，M4的源端連接M3的漏端；M5的柵端連接電源電壓VDD，M5的漏端連接M9的漏端和Ml的柵端，M5的源端連接到M4的漏端；M9的柵端連接到地，M9的漏端連接到M5的漏端，M9的源端連接到電源電壓VDD。所述能夠降低輸入阻抗的源極跟隨器構(gòu)成的反饋通路由晶體管Ml構(gòu)成。Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in。能夠拓展電路帶寬的有源電感負(fù)載由N型晶體管M6、M7和電阻Rl、R2、R3、R4構(gòu)成。M6的柵端接電阻R1，M6的漏端接電阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的柵端；電阻Rl的一端接M6的柵端，Rl的另一端連接電源電壓VDD ；電阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端連接電源電壓VDD ；M7的柵端接電阻R3，M7的漏端接電阻R4，M7的源端接Ml的漏端和輸出端out ;電阻R3的一端接M7的柵端，R3的另一端連接電源電壓VDD ;電阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端連接電源電壓VDD。采用上述方法得到的放大器是包括前饋通路、反饋通路和有源電感負(fù)載；所述前饋通路由五只N型晶體管Ml、M2、M3、M4、M5和M9構(gòu)成；所述反饋通路由源極跟隨器構(gòu)成，該反饋通路包括所述N型晶體管Ml ;所述有源電感負(fù)載，它由N型晶體管M6、M7和電阻R1、R2、R3、R4 構(gòu)成；晶體管Ml的柵端連接晶體管M5和M9的漏端，晶體管Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ； M2的柵端連接偏置電壓Vb2，M2的漏端連接M6的源端和M3的柵端，M2的源端接M8的漏端和Ml的源端；M3的柵端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端連接M4的源端，M3的源連接到地；M4的柵端連接偏置電壓Vb2，M4的漏端連接M5的源端，M4的源端連接M3的漏端；M5的柵端連接電源電壓VDD，M5的漏端連接M9的漏端和Ml的柵端，M5的源端連接到M4的漏端；M9的柵端連接到地，M9的漏端連接到M5的漏端，M9的源端連接到電源電壓VDD ；Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ；M6的柵端接電阻Rl，M6的漏端接電阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的柵端；電阻Rl的一端接M6的柵端，Rl的另一端連接電源電壓VDD ；電阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端連接電源電壓VDD ；M7的柵端接電阻R3，M7的漏端接電阻R4，M7的源端接Ml的漏端和輸出端out ；電阻R3的一端接M7的柵端，R3的另一端連接電源電壓VDD ；電阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端連接電源電壓VDD。該跨阻放大器的工作原理是前饋通路由三級放大電路構(gòu)成，第一級為M2構(gòu)成的共源放大器，設(shè)增益為Al ;第二級為M3、M4和M5構(gòu)成的共源一共柵一共柵放大器，設(shè)增益為A2 ;第三級為Ml構(gòu)成的共源放大器，設(shè)增益為A3。輸入端總電容為Cin，，輸出阻抗為Zout。放大器的跨阻增益Ztia近似表達(dá)如下
「00271 ZTT, W-—-
i +^cin-Zout/A1A2A3 電路中唯一的高阻抗電路結(jié)點(diǎn)為第二級的輸出點(diǎn)，即Μ5的漏極，晶體管Μ5僅驅(qū)動其漏電容外加Ml柵電容作為負(fù)載，Μ9因?yàn)槌叽巛^小，其漏電容可以忽略，這一辦法可以減少在該高阻抗電路節(jié)點(diǎn)處的總電容負(fù)載。由于該跨阻放大器位于光接收機(jī)的前端，輸入節(jié)點(diǎn)處的總電容Cin包括光檢測器的寄生電容、Ml和M2的源端電容、Μ8的漏電容，因此輸入節(jié)點(diǎn)為電路的主極點(diǎn)。如果把兩個相同的共源放大器級聯(lián)，它們的增益會相乘，而由此產(chǎn)生的電路帶寬會下降35%。但是從上式可以看到，若使IA2A3I >> I且A2A3的極點(diǎn)頻率遠(yuǎn)高于A1的主極點(diǎn)頻率，IA2A3I值越大，主極點(diǎn)的時間常數(shù)越小，增大了電路的帶寬。該跨阻放大器采用并聯(lián)峰化電感技術(shù)進(jìn)一步增大帶寬。峰化電感不需要高Q值，可以用來優(yōu)化低寄生電容，大型螺旋電感往往占用大量的芯片面積，而且連接不同模塊的RF信號將需要長金屬線，這會增加這些結(jié)點(diǎn)上的負(fù)載電容，進(jìn)而降低電路的速度。因此該跨阻放大器采用MOS管實(shí)現(xiàn)的有源電感結(jié)構(gòu)，占有的面積也小。一種采用前述放大器電路的片上寬帶高增益跨阻放大器芯片，除了采用上述電路夕卜，采用MOSFET、MESFET工藝來實(shí)現(xiàn)。有益效果 A)本發(fā)明采用Ml和M2的源端作為輸入節(jié)點(diǎn)，使電路具有極小的輸入電阻，拓展了帶寬。B)該結(jié)構(gòu)通過M3-M5將Ml管的柵電位抬高，使Ml管的直流電位能方便地調(diào)節(jié)，更好地工作在飽和區(qū)。OM3-M5第二級采用M9管構(gòu)成的電流源作為負(fù)載，使得第二級的增益完全取決于M3-M5各級增益。D) M6-M7和R1-R4構(gòu)成了有源電感結(jié)構(gòu)來拓展電路的帶寬。E)該電路已經(jīng)過O. 18um CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá)到55dB，3dB帶寬大于10GHz，功耗為32mW。


圖I是實(shí)施例中寬帶高增益跨阻放大器電路示意圖。
具體實(shí)現(xiàn)方式下面結(jié)合附圖I與具體實(shí)施方式
對本技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。一種寬帶高增益前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，采用前饋和反饋結(jié)構(gòu)和有源電感補(bǔ)償?shù)姆绞絹慝@得高增益和寬的帶寬。片上寬帶高增益跨阻放大器電路的設(shè)計(jì)方法，由一條提升增益的前饋通路和一條降低輸入阻抗的反饋通路構(gòu)成。前饋通路采用共柵-共源-共柵-共柵的結(jié)構(gòu)，其改進(jìn)是在前饋通路中加入了 M4和M5兩級共柵級，增加的兩級共柵級的特點(diǎn)在于它不僅能提高前饋電路的增益，還能同時增大整個跨阻放大器的帶寬。增加的M4和M5兩級共柵級帶來的另一個優(yōu)點(diǎn)在于它提高了 Ml管的柵電位，使得Ml管獲得足夠的電壓偏置，保證了晶體管的工作速度。反饋通路采用源極跟隨器，并采用有源電感結(jié)構(gòu)作為負(fù)載進(jìn)一步拓展帶寬，最后輸出信號out。該跨阻放大器的連接方法是能夠提升增益的前饋通路由由五只N型晶體管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶體管M9構(gòu)成，在傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了 M4和M5兩級共源級，并以M9作為電流源負(fù)載。Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ；M2的柵端連接偏置電壓Vb2，M2的漏端連接M6的源端和M3的柵端，M2的源端接M8的漏端和Ml的源端；M3的柵端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端連接M4的源端，M3的源連接到地；M4的柵端連接偏置電壓Vb2，M4的漏端連接M5的源端，M4的源端連接M3的漏端；M5的柵端連接電源電壓VDD，M5的漏端連接M9的漏端和Ml的柵端，M5的源端連接到M4的漏端；M9的柵端連接到地，M9的漏端連接到M5的漏端，M9的源端連接到電源電壓VDD。能夠降低輸入阻抗的源極跟隨器構(gòu)成的反饋通路由晶體管Ml構(gòu)成。Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in。能夠拓展電路帶寬的有源電感負(fù)載由N型晶體管M6、M7和電阻Rl、R2、R3、R4構(gòu)成。M6的柵端接電阻R1，M6的漏端接電阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的柵端；電阻Rl的一端接M6的柵端，Rl的另一端連接電源電壓VDD ；電阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端連接電源電壓VDD ；M7的柵端接電阻R3，M7的漏端接電阻R4，M7的源端接Ml的漏端 和輸出端out ;電阻R3的一端接M7的柵端，R3的另一端連接電源電壓VDD ;電阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端連接電源電壓VDD。本單芯片放大器(放大器芯片)以采用MOSFET、MESFET工藝來實(shí)現(xiàn)。本技術(shù)方案具有高增益、寬帶寬和結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，經(jīng)過O. 18um CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá)到55(1ΒΩ，3dB帶寬大于10GHz，功耗為32mW。在芯片中采用有源電感結(jié)構(gòu)的并聯(lián)峰化技術(shù)來拓展帶寬，有源電感占用的面積較小，降低了芯片成本。該前置跨阻放大器可以應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，與光檢測器相集成，實(shí)現(xiàn)光電集成(0EIC)芯片。
權(quán)利要求
1.一種跨阻放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是設(shè)計(jì)采用前饋通路和反饋通路構(gòu)成該跨阻放大器；對于前饋通路，設(shè)計(jì)采用共柵-共源-共柵-共柵的結(jié)構(gòu)；對于反饋通路，設(shè)計(jì)采用源極跟隨器；采用有源電感結(jié)構(gòu)作為負(fù)載即有源電感負(fù)載； 所述前饋通路由五只N型晶體管M1、M2、M3、M4、M5和一只P型晶體管M9構(gòu)成；在晶體管M3共源級放大器的基礎(chǔ)上，加入了晶體管M4、M5兩級共柵級，并以晶體管M9作為電流源負(fù)載； 所述反饋通路由源極跟隨器構(gòu)成，該反饋通路包括所述N型晶體管Ml ； 所述有源電感結(jié)構(gòu)由N型晶體管M6、M7和電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成； 所述前饋電路的連接方法如下 Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ； M2的柵端連接偏置電壓Vb2，M2的漏端連接M6的源端和M3的柵端，M2的源端接M8的漏端和Ml的源端； M3的柵端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端連接M4的源端，M3的源接地； M4的柵端連接偏置電壓Vb2，M4的漏端連接M5的源端，M4的源端連接M3的漏端； M5的柵端連接電源電壓VDD，M5的漏端連接M9的漏端和Ml的柵端，M5的源端連接到M4的漏端； M9的柵端接地，M9的漏端連接到M5的漏端，M9的源端連接到電源電壓VDD ； 所述反饋通路的連接方方法如下 Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ； 所述有源電感負(fù)載的連接方法如下 M6的柵端接電阻Rl，M6的漏端接電阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的柵端； 電阻Rl的一端接M6的柵端，Rl的另一端連接電源電壓VDD ； 電阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端連接電源電壓VDD ； M7的柵端接電阻R3，M7的漏端接電阻R4，M7的源端接Ml的漏端和輸出端out ； 電阻R3的一端接M7的柵端，R3的另一端連接電源電壓VDD ； 電阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端連接電源電壓VDD。
2.—種權(quán)利要求I所述方法設(shè)計(jì)得到的跨阻放大器，其特征是包括前饋通路、反饋通路和有源電感負(fù)載；所述前饋通路由五只N型晶體管Ml、M2、M3、M4、M5和M9構(gòu)成；所述反饋通路由源極跟隨器構(gòu)成，該反饋通路包括所述N型晶體管Ml ;所述有源電感負(fù)載，它由N型晶體管M6、M7和電阻Rl、R2、R3、R4構(gòu)成； 晶體管Ml的柵端連接晶體管M5和M9的漏端，晶體管Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ； M2的柵端連接偏置電壓Vb2，M2的漏端連接M6的源端和M3的柵端，M2的源端接M8的漏端和Ml的源端； M3的柵端接M2的漏端和M6的源端，M3的漏端連接M4的源端，M3的源連接到地； M4的柵端連接偏置電壓Vb2，M4的漏端連接M5的源端，M4的源端連接M3的漏端； M5的柵端連接電源電壓VDD，M5的漏端連接M9的漏端和Ml的柵端，M5的源端連接到M4的漏端； M9的柵端連接到地，M9的漏端連接到M5的漏端，M9的源端連接到電源電壓VDD ； Ml的柵端連接M5和M9的漏端，Ml的漏端連接M7的源端和輸出端out，Ml的源端連接到M2的源端和M8的漏端以及輸入端in ； M6的柵端接電阻Rl，M6的漏端接電阻R2，M6的源端接M2的漏端和M3的柵端； 電阻Rl的一端接M6的柵端，Rl的另一端連接電源電壓VDD ； 電阻R2的一端接M6的漏端，R2的另一端連接電源電壓VDD ； M7的柵端接電阻R3，M7的漏端接電阻R4，M7的源端接Ml的漏端和輸出端out ； 電阻R3的一端接M7的柵端，R3的另一端連接電源電壓VDD ； 電阻R4的一端接M7的漏端，R4的另一端連接電源電壓VDD。
3.—種跨阻放大器芯片，其特征是采用權(quán)利要求2所述跨阻放大器電路，并采用MOSFET和MESFET工藝實(shí)現(xiàn)該電路。
全文摘要
一種寬帶高增益跨阻放大器及設(shè)計(jì)方法和放大器芯片，該跨阻放大器結(jié)構(gòu)由一條提升增益的前饋通路和一條降低輸入阻抗的反饋通路構(gòu)成，前饋通路采用共柵-共源-共柵-共柵的設(shè)計(jì)方法，反饋通路采用一級源極跟隨器的方式，為了進(jìn)一步改善帶寬，加入了有源電感，獲得高增益、寬帶寬和低噪聲的性能，可以作為系統(tǒng)中的前置放大器?？缱璺糯笃餍酒捎们梆伜头答佂方Y(jié)構(gòu)，采用MOSFET、MESFET工藝，具有極小的輸入電阻，拓展了帶寬，同時電路具有穩(wěn)定的偏置，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過0.18um CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá)到55dB，3dB帶寬大于10GHz，功耗為32mW。
文檔編號H03F1/42GK102820857SQ20121021071
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者陳瑩梅, 朱磊, 王志功, 王濤 申請人:東南大學(xué)