本發(fā)明涉及光通信、光互連及可見(jiàn)光通信系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種高帶寬的偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)信息化程度的不斷提升，以超高清視頻、云計(jì)算及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的寬帶業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，這使得人類(lèi)社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)流量的需求成倍增長(zhǎng)。為滿(mǎn)足海量信息的傳輸，用于干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某咚?、超大容量光纖通信技術(shù)已取得突破性進(jìn)展。然而，受工藝和成本的限制，光纖通信的“最后一公里”仍然沒(méi)有得到很好的解決。近年來(lái)，隨著CMOS工藝向亞微米和深亞微米方向發(fā)展，其特征頻率已達(dá)到上百吉赫茲，這使得基于CMOS工藝設(shè)計(jì)電路的工作速率逐漸接近化合物半導(dǎo)體集成電路。此外，與GaAs/InP基電路相比，CMOS工藝還兼具高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，這使得硅基CMOS工藝越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于光纖通信集成電路設(shè)計(jì)中。由于硅基光電子結(jié)合了硅基微電子工藝技術(shù)成熟、集成度高、成本低廉以及光子傳輸和交換的高速、寬帶、低功耗等諸多優(yōu)勢(shì)，所以研制硅基高速光電集成芯片成為世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的重要課題之一。

在光纖通信系統(tǒng)中，跨阻放大器是光接收機(jī)的重要組成部分之一，其作用是將光電二極管檢測(cè)到的微弱電流放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其參數(shù)指標(biāo)在很大程度上決定了光接收機(jī)的整體性能，例如：增益、帶寬和噪聲等。目前，常見(jiàn)的跨阻放大器多采用共源(Common Source，CS)、共柵(Common Gate，CG)及調(diào)節(jié)型共源共柵(Regulated Cascode，RGC)等多種結(jié)構(gòu)。因RGC結(jié)構(gòu)具有較小的輸入阻抗，可有效屏蔽包括光電二極管結(jié)電容、靜電保護(hù)電路(ESD)寄生電容及輸入PAD(焊盤(pán))電容在內(nèi)的輸入寄生電容，將主極點(diǎn)從輸入點(diǎn)轉(zhuǎn)移到輸出節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶設(shè)計(jì)，所以RGC結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于跨阻放大器的設(shè)計(jì)中。雖然CMOS工藝具有高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，但是CMOS工藝的寄生效應(yīng)較大以及硅材料自身的間接帶隙特性，這也使得基于CMOS工藝的跨阻放大器的寬帶設(shè)計(jì)較為困難。為了實(shí)現(xiàn)寬帶跨阻放大器，研究人員提出了各種不同形式的改進(jìn)方案，如并聯(lián)電感峰化、串聯(lián)電感峰化等技術(shù)，但電感的引入會(huì)使版圖整體面積顯著增加，制造成本也會(huì)相應(yīng)提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RGC跨阻放大器，利用引入新的零點(diǎn)來(lái)抵消電路極點(diǎn)，進(jìn)而拓展工作頻帶。通過(guò)對(duì)電路元器件參數(shù)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，在保證跨阻放大器整體增益不降低的前提下，提升電路帶寬，實(shí)現(xiàn)一種高帶寬、偽差分結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器。

一種高帶寬的偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器，所述偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器包括：

使用差分結(jié)構(gòu)放大級(jí)替換傳統(tǒng)RGC結(jié)構(gòu)的共源級(jí)輔助放大級(jí)，整體結(jié)構(gòu)仍然使用單端輸出；

將差分結(jié)構(gòu)放大級(jí)MOS管的源極分別增加一個(gè)電阻R和電容C構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，利用容性退化技術(shù)產(chǎn)生的零點(diǎn)來(lái)抵消極點(diǎn)，提高電路的整體帶寬。

其中，所述偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器主要包括主放大器和輔助放大器兩部分，

晶體管M₂₁、電阻R₂₁和R₂₂構(gòu)成主放大器；晶體管M₂₂和M₂₃、電阻R₂₃、R_E和R₂₄，以及電容C_E構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)的輔助放大器，電阻R_E和電容C_E構(gòu)成有效的源級(jí)退化。

其中，所述偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器還包括：光電探測(cè)器，

光電探測(cè)器的等效光電流I_PD與電阻R₂₂、晶體管M₂₁的源極以及M₂₂的柵極相連，而電阻R₂₂的另一端接地；

晶體管M₂₁的漏極接電阻R₂₁的一端，柵極與電阻R₂₃的一端和晶體管M₂₂的漏極相連；晶體管M₂₂的源極接電阻R_E和電容C_E，以及晶體管M₂₃的源極，電阻R_E和電容C_E的另一端接地；

晶體管M₂₃的柵極接外加偏置電壓V_b，漏極接電阻R₂₄的一端，而電阻R₂₄的另一端與電阻R₂₁、R₂₃的一端相連，并接至電源VDD。

其中，所述偽差分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)同一芯片上高性能的光接收機(jī)前端與信號(hào)處理后端的單片集成。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、由于RGC電路可提供較小的輸入阻抗，所以本發(fā)明設(shè)計(jì)電路可有效隔離輸入寄生電容對(duì)帶寬的影響。

2、由于電阻和電容構(gòu)成的容性退化引入了新的零點(diǎn)，該零點(diǎn)可以抵消RGC電路的極點(diǎn)，所以本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于偽差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RGC電路可有效拓展帶寬。

3、基于偽差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RGC電路繼承了偽差分結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)立偏置電流的特性，所以本發(fā)明所設(shè)計(jì)電路中共柵級(jí)主放大器和偽差分輔助放大器的直流偏置相互獨(dú)立，提高了電路設(shè)計(jì)的靈活性。

4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的跨阻放大器與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)同一芯片上高性能的光接收機(jī)前端與信號(hào)處理后端的單片集成，從而降低成本，增強(qiáng)功能。

附圖說(shuō)明

圖1為經(jīng)典RGC跨阻放大器的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明提供的偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明提供的偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的等效小信號(hào)電路圖；

圖4為本發(fā)明提供的偽差分結(jié)構(gòu)RGC與經(jīng)典RGC跨阻放大器的頻率響應(yīng)示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的偽差分結(jié)構(gòu)RGC與經(jīng)典RGC跨阻放大器的噪聲電流示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明實(shí)施例在傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RGC跨阻放大器，參見(jiàn)圖2，該RGC跨阻放大器的結(jié)構(gòu)如下：

1、使用差分結(jié)構(gòu)放大級(jí)替換傳統(tǒng)RGC結(jié)構(gòu)的共源級(jí)輔助放大級(jí)，整體結(jié)構(gòu)仍然使用單端輸出。

2、將差分結(jié)構(gòu)放大級(jí)MOS管的源極分別增加一個(gè)電阻R和電容C構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)，利用容性退化技術(shù)產(chǎn)生的零點(diǎn)來(lái)抵消極點(diǎn)，提高電路的整體帶寬。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說(shuō)明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的偽差分結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器電路在等效輸入噪聲電流譜密度略微增加的前提下，有效地拓展工作帶寬，有望用于高速光通信系統(tǒng)。

實(shí)施例2

下面結(jié)合具體的圖1、圖2和圖3對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)介紹，詳見(jiàn)下文描述：

圖1所示為經(jīng)典RGC跨阻放大器的電路原理圖。該電路由電阻R₁₁、R₁₂和晶體管M₁₁構(gòu)成的共柵級(jí)主放大器、與電阻R₁₃和晶體管M₁₂構(gòu)成的共源級(jí)輔助放大器兩部分構(gòu)成。

其主要作用是接收光電探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換、放大為電壓信號(hào)。當(dāng)光電探測(cè)器的電流信號(hào)I_PD從放大器的輸入端流入，經(jīng)主放大器和輔助放大器放大后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)V_O，從輸出端輸出。

上述RGC放大器屬于電流模式的跨阻放大器，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有穩(wěn)定的直流偏置，輸入阻抗較小，且不需要額外的反饋電阻，故在一定程度上緩解了增益、帶寬和噪聲間的矛盾，有利于提高跨阻放大器的整體性能。

作為光接收機(jī)的第一級(jí)模塊，跨阻放大器的噪聲性能直接影響著接收機(jī)的靈敏度，下面分析一下RGC跨阻放大器的噪聲特性。理論分析表明，RGC跨阻放大器的等效輸入噪聲電流主要由電阻R₁₁、R₁₂和R₁₃的熱噪聲，以及晶體管M₁₂的溝道熱噪聲構(gòu)成，總的等效輸入噪聲電流譜密度為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，g_m2為晶體管M₁₂的跨導(dǎo)。

雖然RGC結(jié)構(gòu)顯著改善了傳統(tǒng)共源跨阻放大器的帶寬，但隨著對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求的不斷提高，在特定工藝下，RGC結(jié)構(gòu)的帶寬已經(jīng)滿(mǎn)足不了指標(biāo)要求。因此，需要設(shè)計(jì)新的高帶寬跨阻放大器來(lái)滿(mǎn)足需求。

圖2所示為基于偽差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RGC跨阻放大器的電路原理圖。其中，光電探測(cè)器等效為圖2最左端所示的電流源I_PD與電容C_PD并聯(lián)結(jié)構(gòu)，右側(cè)電路部分為RGC跨阻放大器。所述跨阻放大器主要包括主放大器和輔助放大器兩部分：晶體管M₂₁、電阻R₂₁和R₂₂構(gòu)成主放大器；晶體管M₂₂和M₂₃、電阻R₂₃、R_E和R₂₄，以及電容C_E構(gòu)成偽差分結(jié)構(gòu)的輔助放大器，電阻R_E和電容C_E構(gòu)成有效的源級(jí)退化。

光電探測(cè)器的等效光電流I_PD與電阻R₂₂、晶體管M₂₁的源極以及M₂₂的柵極相連，而電阻R₂₂的另一端接地；晶體管M₂₁的漏極接電阻R₂₁的一端，柵極與電阻R₂₃的一端和晶體管M₂₂的漏極相連；晶體管M₂₂的源極接電阻R_E和電容C_E，以及晶體管M₂₃的源極，電阻R_E和電容C_E的另一端接地；晶體管M₂₃的柵極接外加偏置電壓V_b，漏極接電阻R₂₄的一端，而電阻R₂₄的另一端與電阻R₂₁、R₂₃的一端相連，并接至電源VDD。

圖1所示的傳統(tǒng)RGC可提供較低的輸入阻抗，主極點(diǎn)被推向RGC結(jié)構(gòu)的輸出極點(diǎn)，輸入極點(diǎn)成為次主極點(diǎn)，所以傳統(tǒng)RGC電路的帶寬主要受限于輸出極點(diǎn)。若在不改變輸入極點(diǎn)位置的情況下，在電路中增加一個(gè)零點(diǎn)來(lái)抵消輸出極點(diǎn)，則電路的高頻帶寬被推向更高頻率，從而有效拓展工作頻帶。

為此，本發(fā)明實(shí)施例采用偽差分結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的共源輔助放大器，并在晶體管M₂₂的源極引入電阻R_E和電容C_E，實(shí)現(xiàn)源級(jí)退化。本發(fā)明實(shí)施例提出的RGC跨阻放大器的小信號(hào)等效電路模型如圖3所示。理論分析表明，所述電路的輸入阻抗：

其中，j是復(fù)數(shù)單位，ω是角頻率，g_m1和g_m2分別為晶體管M₂₁和M₂₂的跨導(dǎo)。低頻時(shí)，R^*＞0，偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的輸入阻抗Z_in,new略大于傳統(tǒng)RGC；而在高頻時(shí)，電容C_E會(huì)將晶體管M₂₂的源極短接至交流地，使R^*趨近于零，故偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的輸入阻抗Z_in,new與傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的輸入阻抗近似相等。偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器在保持輸入阻抗與傳統(tǒng)RGC跨阻放大器近似相等的條件下，由電阻R_E和電容C_E構(gòu)成的源極退化所產(chǎn)生的零點(diǎn)可抵消電路主極點(diǎn)，從而提高帶寬。

下面分析偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的零極點(diǎn)。根據(jù)圖3所示的小信號(hào)等效電路圖，偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的傳輸特性曲線(xiàn)可以表示為：

其中，C_PD是光電探測(cè)器的結(jié)電容；i_pd為輸入光電流；s為拉普拉斯變換，C_gs2表示晶體管M₂₂的柵源電容，C_gd1和C_gd2表示晶體管M₂₁和M₂₂的柵漏電容。由上式可知，偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器中對(duì)電路-3dB帶寬影響較大的極點(diǎn)主要有兩個(gè)：一個(gè)位于電路的輸入端，即晶體管M₂₁的源極，另一個(gè)位于電路的輸出端，即晶體管M₂₁的漏極，其大小分別等于：

由于RGC提供了很低的輸入阻抗，因此P_in>P_out，影響-3dB帶寬的主極點(diǎn)由輸入端轉(zhuǎn)移到輸出端。為抵消RGC輸出節(jié)點(diǎn)(端點(diǎn)O)所產(chǎn)生的最低極點(diǎn)，使主極點(diǎn)變成更高頻的輸入端極點(diǎn)，本發(fā)明實(shí)施例引入電阻R_E和電容C_E構(gòu)成的源極退化級(jí)來(lái)產(chǎn)生零點(diǎn)Z₁，其值為：

由式(4)和(6)可推算出所需的C_E值，即

C_E＝R₂₁C_gd1/R_E (7)

在設(shè)置C_E值時(shí)，應(yīng)盡量接近式(7)中設(shè)定的C_E值。若C_E值與設(shè)定值偏差過(guò)大，則零極點(diǎn)不能完全抵消，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)尖峰的峰化。為此，需要選擇合理的C_E值。由于傳統(tǒng)RGC電路的主極點(diǎn)被零點(diǎn)Z₁所補(bǔ)償，新的主極點(diǎn)被推向RGC電路的輸入端(端點(diǎn)B)極點(diǎn)。由于輸入阻抗低，輸入端的極點(diǎn)位于更高的頻率，所以電路可以獲得更高的工作頻帶。

理論分析表明，本發(fā)明實(shí)施例所述電路的主要噪聲源是MOS管的散射噪聲和電阻的熱噪聲，其等效輸入噪聲電流為：

其中，C_AB＝C_gs1+C_gd2，γ是MOS晶體管的熱噪聲系數(shù)。

由式(8)可見(jiàn)，若想降低噪聲，可將電阻R₂₁和R₂₂的阻值調(diào)至設(shè)計(jì)值，并根據(jù)仿真參數(shù)掃描重新確立MOS晶體管M₂₁的最優(yōu)尺寸。由于RGC跨阻放大器的增益主要由電阻R₂₁決定，所以增大電阻R₂₁的阻值有助于提高增益。由式(1)和(8)的比較可得，由于電阻R₂₁和R₂₂的熱噪聲是RGC跨阻放大器的主要噪聲源，所以偽差分結(jié)構(gòu)引入的噪聲貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的偽差分結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器電路在等效輸入噪聲電流譜密度略微增加的前提下，有效地拓展工作帶寬，有望用于高速光通信系統(tǒng)。

實(shí)施例3

下面結(jié)合具體的附圖3和4對(duì)實(shí)施例1和2中的方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，詳見(jiàn)下文描述：

圖4給出了本發(fā)明實(shí)施例所述的偽差分RGC跨阻放大器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。為了方便對(duì)比，圖4中也給出了經(jīng)典RGC的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。由圖4可見(jiàn)，傳統(tǒng)RGC跨阻放大器和偽差分RGC跨阻放大器的增益相同，但偽差分RGC跨阻放大器的增益在高頻時(shí)依舊能保持穩(wěn)定，到7GHz左右才開(kāi)始下降，而經(jīng)典RGC跨阻放大器的增益不到2GHz就開(kāi)始下降。因此，偽差分結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器可以獲得更高的帶寬。

圖5所示為經(jīng)典RGC跨阻放大器和偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的等效輸入噪聲電流譜密度的對(duì)比曲線(xiàn)?？梢钥闯觯诘皖l時(shí)兩者的噪聲近似相等，這時(shí)的噪聲貢獻(xiàn)主要是閃爍噪聲。由于引入了一個(gè)差分對(duì)，偽差分結(jié)構(gòu)RGC跨阻放大器的高頻噪聲略高于經(jīng)典RGC跨阻放大器。若考慮光接收機(jī)其它部分的噪聲貢獻(xiàn)，增加部分對(duì)光接收機(jī)整體噪聲的影響可忽略不計(jì)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的偽差分結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器電路在等效輸入噪聲電流譜密度略微增加的前提下，有效地拓展工作帶寬，有望用于高速光通信系統(tǒng)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。