本發(fā)明涉及光電子集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有自動增益控制的高增益跨阻放大器。

背景技術(shù)：

在光通信系統(tǒng)中，前置放大器是光接收機(jī)的關(guān)鍵部分，對整個系統(tǒng)的性能如速度、信噪比等都有重大影響。前置放大器通常選用跨阻放大器的形式，其作用是將光電管在光照條件下產(chǎn)生的光電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進(jìn)行放大。要改善光接收機(jī)的性能，就必須提高前置放大器的性能，這要求前置放大器一方面具有較高的增益，以避免由于后接的主放大器噪聲影響而引起的信噪比的下降；另一方面，為了接收到大動態(tài)范圍的光電流信號，需要加上自動增益控制電路并對其進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題：一是寬動態(tài)范圍下，輸入光電流較大時，電路進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，跨阻放大器的等效帶寬減小，響應(yīng)速度變慢；二是在調(diào)節(jié)跨阻增益的過程中，主極點(diǎn)被推高，可能導(dǎo)致跨阻放大器不穩(wěn)定。本發(fā)明提出一種帶有自動增益控制的高增益跨阻放大器，其第一自動增益反饋電路和第二自動增益反饋電路共同調(diào)節(jié)跨阻放大器帶寬，保證環(huán)路穩(wěn)定工作，第二自動增益反饋電路有效拓寬光電流輸入范圍。

本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種帶有自動增益控制的高增益跨阻放大器，包括第一級運(yùn)算放大器g_m、第二級電流鏡、內(nèi)含第一自動增益反饋電路的第三級局部跨阻放大器，以及連接于第三級局部跨阻放大器和第一級運(yùn)算放大器g_m之間的第二自動增益反饋電路；其中，第一級運(yùn)算放大器g_m的負(fù)輸入端輸入光電流信號I_in，第三級局部跨阻放大器的輸出端輸出電壓信號；第一級運(yùn)算放大器g_m的負(fù)輸入端作為整個跨阻放大器的輸入端，第三級局部跨阻放大器的輸出端作為整個跨阻放大器的輸出端，第一級運(yùn)算放大器的正輸入端接地；第二級電流鏡的輸入端連接第一級運(yùn)算放大器的輸出端；第三級局部跨阻放大器的輸入端連接第二級電流鏡的輸出端；第二自動增益反饋電路，連接在第一級運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與第三級局部跨阻放大器的輸出端之間。

進(jìn)一步地，第二級電流鏡包括：第一PMOS管MP₁、第二PMOS管MP₂、第一NMOS管MN₁和第二NMOS管MN₂；其中，第一PMOS管MP₁的漏極和柵極與第二PMOS管MP₂的柵極均連接偏置電流I_bias，第一PMOS管MP₁的源極與第二PMOS管MP₂的源極均連接電源電壓V_DD，第二PMOS管(MP₂)的漏極連接第二NMOS管(MN₂)的漏極，第一NMOS管(MN₁)的柵極和漏極與第二NMOS管(MN₂)的柵極均連接第一級運(yùn)算放大器的輸出端，第一NMOS管(MN₁)的源極和第二NMOS管(MN₂)的源極均接地。

進(jìn)一步地，第二級電流鏡采用其他改進(jìn)型電流鏡，比如共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡等。

進(jìn)一步地，第三級局部跨阻放大器包括：第三PMOS管MP₃、第三NMOS管MN₃和第一自動增益反饋電路；第一自動增益反饋電路由第一局部反饋電阻R₃、第二局部反饋電阻R₄和第一自動增益控制管MP₄組成；第二級電流鏡的輸出端，即第二PMOS管(MP₂)的漏極通過第一局部反饋電阻R₃和第二局部反饋電阻R₄的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后連接第三級局部跨阻放大器的輸出端，即第三PMOS管MP₃和第三NMOS管MN₃的漏極；第一自動增益控制管MP₄的漏極和柵極互連并接第一局部反饋電阻R₃與第二局部反饋電阻R₄的連接點(diǎn)，第一自動增益控制管MP₄源極接第三級局部跨阻放大器的輸出端；第三PMOS管MP₃的源極連接電源電壓V_DD，其柵極連接偏置電流I_bias，第三PMOS管MP₃和第三NMOS管MN₃的漏極互連，第三NMOS管MN₃的柵極接第二級電流鏡的輸出端，第三NMOS管MN₃的源極接地。

進(jìn)一步地，第一局部反饋電阻R₃的阻值小于第二局部反饋電阻R₄的阻值。

進(jìn)一步地，第二自動增益反饋電路包括：第一反饋電阻R₁和第二反饋電阻R₂以及第二自動增益控制管MP₅；整個跨阻放大器的輸入端通過第一反饋電阻R₁和第二反饋電阻R₂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后連接第三級局部跨阻放大器的輸出端；第二自動增益控制管MP₅的漏極和柵極互連并接第一反饋電阻R₁與第二反饋電阻R₂的連接點(diǎn)，第二自動增益控制管MP₅的源極接第三級局部跨阻放大器的輸出端。

本發(fā)明的有益效果如下：

自動增益控制：第二自動增益反饋電路中，第五PMOS管MP₅以二極管連接形式和第二反饋電阻R₂并聯(lián)，當(dāng)輸出電壓增大使第二反饋電阻R₂壓降達(dá)到第五PMOS管MP₅閾值電壓時，第五PMOS管MP₅導(dǎo)通，從而減小了整個跨阻放大器的跨阻增益，拓寬了光電流輸入的動態(tài)范圍；與此同時，第一自動增益反饋電路中，第四PMOS管MP₄以二極管連接形式和第二局部反饋電阻R₄并聯(lián)，當(dāng)輸出電壓增大使第二局部反饋電阻R₄壓降達(dá)到第四PMOS管MP₄閾值電壓時，第四PMOS管導(dǎo)通，從而減小局部跨阻放大器的跨阻增益，有效調(diào)節(jié)跨阻放大器帶寬，保證足夠的相位裕度。

高增益：采用局部跨阻放大器，第一局部反饋電阻R₁和第二局部反饋電阻R₂提供大的局部跨阻增益，且不會引入低頻極點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)簡單：傳統(tǒng)的自動增益控制通路由一個峰值檢測器、一個比較器和一個積分器構(gòu)成，本發(fā)明跨阻放大器中的自動增益控制通路僅由一個NMOS晶體管和一個反饋電阻并聯(lián)而成，大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

附圖說明

圖1是基本跨阻放大器邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的小信號等效圖。

圖3是自動增益控制原理圖。

圖4是本發(fā)明的跨阻放大器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

圖1和圖2為基本跨阻放大器邏輯結(jié)構(gòu)示意圖和小信號等效圖，在圖2中，i_pd是輸入光電流信號，C_pd是光電二極管的寄生電容，C_in,A是跨阻放大器的等效輸入電容，A是電壓放大器直流增益，R_out,A是電壓放大器A的輸出電阻，R_TIA是反饋電阻，C_L為負(fù)載電容，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C_pd。

假設(shè)A＞＞1，且R_out,A＜＜R_TIA，圖2中跨阻放大器的跨阻傳遞函數(shù)為：

$Z_{TIA}\≈\frac{R_{TIA}}{(1+s\frac{R_{TIA}{C}_{in}}{A})(1+{\mathrm{sR}}_{out,A}{C}_L)}---\left(1\right)$

由于C_L通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C_pd，則電路主極點(diǎn)在輸入端。

圖3為自動增益控制原理圖，為了使跨阻放大器具有較寬的輸入范圍，可以對跨阻放大器的增益進(jìn)行動態(tài)控制，避免輸出管進(jìn)入線性區(qū)。如圖3所示，將反饋電阻R_TIA分為兩部分R_TIA1和R_TIA2，且用一個二極管接法的MOS管MP₅與R_TIA2并聯(lián)。

當(dāng)輸出電壓較小時，MP₅管截止，總的反饋電阻為R_TIA1和R_TIA2串聯(lián)，跨阻增益較大。當(dāng)輸出電壓較大時，MP₅管導(dǎo)通，且導(dǎo)通電阻較小，則總的反饋電阻為R_TIA1串聯(lián)上一個較小的等效電阻1/g_{m_MP5}，其相比輸出電壓較小時的電阻小。此時的等效跨阻增益為R_{TIA_有效}＝R_TIA1+1/g_{m_MP5}，跨阻變小，輸出電壓不容易飽和，從而使輸入光電流范圍得以擴(kuò)展。

如圖4所示，是本發(fā)明的具體電路圖，包括第一級運(yùn)算放大器g_m、第二級電流鏡、內(nèi)含第一自動增益反饋電路的第三級局部跨阻放大器，以及連接于第三級局部跨阻放大器和第一級運(yùn)算放大器g_m之間的第二自動增益反饋電路；其中，第一級運(yùn)算放大器g_m的負(fù)輸入端輸入光電流信號I_in，第三級局部跨阻放大器的輸出端輸出電壓信號；第一級運(yùn)算放大器g_m的負(fù)輸入端作為整個跨阻放大器的輸入端，第三級局部跨阻放大器的輸出端作為整個跨阻放大器的輸出端，第一級運(yùn)算放大器的正輸入端接地；第二級電流鏡的輸入端連接第一級運(yùn)算放大器的輸出端；第三級局部跨阻放大器的輸入端連接第二級電流鏡的輸出端；第二自動增益反饋電路，連接在第一級運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與第三級局部跨阻放大器的輸出端之間。

第二級電流鏡包括：第一PMOS管MP₁、第二PMOS管MP₂、第一NMOS管MN₁和第二NMOS管MN₂；其中，第一PMOS管MP₁的漏極和柵極與第二PMOS管MP₂的柵極均連接偏置電流I_bias，第一PMOS管MP₁的源極與第二PMOS管MP₂的源極均連接電源電壓V_DD，第二PMOS管(MP₂)的漏極連接第二NMOS管(MN₂)的漏極，第一NMOS管(MN₁)的柵極和漏極與第二NMOS管(MN₂)的柵極均連接第一級運(yùn)算放大器的輸出端，第一NMOS管(MN₁)的源極和第二NMOS管(MN₂)的源極均接地。第二級也可采用其他改進(jìn)型電流鏡，比如共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡等。

第三級局部跨阻放大器包括：第三PMOS管MP₃、第三NMOS管MN₃和第一自動增益反饋電路；第一自動增益反饋電路由第一局部反饋電阻R₃、第二局部反饋電阻R₄和第一自動增益控制管MP₄組成；第二級電流鏡的輸出端，即第二PMOS管(MP₂)的漏極通過第一局部反饋電阻R₃和第二局部反饋電阻R₄的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后連接第三級局部跨阻放大器的輸出端，即第三PMOS管MP₃和第三NMOS管MN₃的漏極；第一自動增益控制管MP₄的漏極和柵極互連并接第一局部反饋電阻R₃與第二局部反饋電阻R₄的連接點(diǎn)，第一自動增益控制管MP₄源極接第三級局部跨阻放大器的輸出端；第三PMOS管MP₃的源極連接電源電壓V_DD，其柵極連接偏置電流I_bias，第三PMOS管MP₃和第三NMOS管MN₃的漏極互連，第三NMOS管MN₃的柵極接第二級電流鏡的輸出端，第三NMOS管MN₃的源極接地。

第一局部反饋電阻R₃的阻值小于第二局部反饋電阻R₄的阻值。

第二自動增益反饋電路包括：第一反饋電阻R₁和第二反饋電阻R₂以及第二自動增益控制管MP₅；整個跨阻放大器的輸入端通過第一反饋電阻R₁和第二反饋電阻R₂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后連接第三級局部跨阻放大器的輸出端；第二自動增益控制管MP₅的漏極和柵極互連并接第一反饋電阻R₁與第二反饋電阻R₂的連接點(diǎn)，第二自動增益控制管MP₅的源極接第三級局部跨阻放大器的輸出端。

本發(fā)明的工作原理為：

電路的輸入級為運(yùn)算放大器，提供高的跨導(dǎo)。當(dāng)運(yùn)算放大器等效輸入電容等于光探測器寄生電容一半時，噪聲性能最優(yōu)。因此，運(yùn)算放大器的輸入管的尺寸取其柵電容等于光探測器寄生電容的一半時的尺寸。

電路的第二級為電流鏡。其作用是隔離第三級和第一級。因?yàn)榈谝患壍墓苍垂艿膶掗L比非常大，導(dǎo)致第一季的輸出阻抗比較低，不能直接與第三級級聯(lián)，否則將導(dǎo)致增益衰減。電流鏡輸入阻抗小，輸出阻抗高，且電流增益為1。因?yàn)樾〉妮斎胱杩?，第一級的小信號輸出電流全部流進(jìn)電流鏡；由于輸出阻抗高，輸出電流可以全部耦合到下一級。小的等效輸入電阻也使得該節(jié)點(diǎn)的非主極點(diǎn)非常高，使電壓放大器的帶寬非常高。

電路的第三級為共源放大器和電阻構(gòu)成的局部跨阻放大器，其作用是在提供大的跨阻的同時不引入低頻極點(diǎn)。對局部跨阻放大器進(jìn)行小信號分析，得到該結(jié)構(gòu)的精確傳遞函數(shù)為：

$Z_{I\_TIA}=\frac{A_l{R}_{l\_TIA}+R_o}{1-A_l+s\[R_{l\_TIA}{C}_{in}+R_o(C_{in}+C_L)+s^2{R}_{l\_TIA}{R}_o{C}_{in}{C}_L\]}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{1-A_l}{R_{l\_TIA}{R}_o{C}_{in}{C}_L}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ζ}=\sqrt{\frac{{\[R_{l\_TIA}{C}_{in}+R_o(C_{in}+C_L)\]}^2}{4(1-A_l)R_{l\_TIA}{R}_o{C}_{in}{C}_L}}---\left(4\right)$

其中，A_l＝－g_{m_MN3}R_o，R_o是局部跨阻放大器的等效輸出電阻。

由(2)式可得，該局部跨阻放大器是一個二階系統(tǒng)。其中，R_{l_TIA}表示反饋電阻，C_L表示漏極總的寄生電容，C_in表示局部跨阻放大器的等效輸入電容，其值和C_L相當(dāng)。在本發(fā)明中R_o大于R_{l_TIA}，阻尼比ζ小于1，存在一對共軛極點(diǎn)。

當(dāng)輸出電壓增大到使得第二自動增益控制管MP₅導(dǎo)通，此時MP₅處于亞閾值導(dǎo)通，此時的等效反饋電阻R_{TIA_有效}＝R₁+R_MP5，R_MP5是MP₅管等效電阻，相比輸出電壓較小時的反饋電阻要小。這就保證了MP₃管工作在飽和區(qū)，電路不會進(jìn)入飽和非線性狀態(tài)。由于電壓放大器增益A不受影響，跨阻放大器帶寬BW_TIA＝A/2πR_{TIA_有效}C_in增大(C_in為跨阻放大器等效輸入電容)，響應(yīng)速度加快，但容易造成相位裕度不夠，環(huán)路不穩(wěn)定。

為解決這一問題，本發(fā)明采用在局部反饋電阻上并聯(lián)自動增益控制管構(gòu)成第一自動增益反饋電路來解決。當(dāng)輸出電壓增大，使得局部反饋電阻上并聯(lián)的第一自動增益控制管MP₄管導(dǎo)通，此時MP₄也處于亞閾值導(dǎo)通，等效局部反饋電阻R_{l_TIA_有效}＝R₃+R_MP4，R_MP4是MP₄管等效電阻，相比輸出電壓較小時，局部反饋電阻減小，電壓放大器增益A＝g_{m_MN1}R_{l_TIA_有效}減小。因此，跨阻放大器帶寬BW_TIA＝A/2πR_{TIA_有效}C_in保持基本不變，環(huán)路穩(wěn)定。

當(dāng)輸出電壓進(jìn)一步增大，MP₄和MP₅進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)增益和帶寬，使跨阻放大器正常工作。本發(fā)明的方案，基于自動增益控制，可使跨阻增益達(dá)到98dB以上，可檢測到的光電流輸入范圍為6μA～30μA，實(shí)現(xiàn)高增益跨阻放大。

上述內(nèi)容僅為本發(fā)明所提供的一種帶有自動增益的高增益跨阻放大器的較佳可行的實(shí)施例，并非因此局限本發(fā)明保護(hù)范圍，在本發(fā)明基本原理及其核心思想之上對具體實(shí)施方式做的改動，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。