高精度光電流監(jiān)視電路及基于該電路的前置放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種光電流監(jiān)視電路及利用該監(jiān)視電路制成的前置放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，由于光纖通信具有通信容量大，性能穩(wěn)定，保密性強等優(yōu)點， 在接入網(wǎng)中光纖通信技術(shù)扮演著重要角色，光纖接入將成為發(fā)展的重點。在光纖通信中，跨 阻放大器TI A作為光接收機前置放大器(pre_ampl if ier)的核心電路模塊，決定了光接收機 傳輸速率和距離等關(guān)鍵參數(shù)。在電性能上，TIA具有跨阻增益(dB)較高，帶寬較寬，等效噪聲 電流較低的優(yōu)點;在結(jié)構(gòu)上，采用直接耦合，省去電抗元件，縮小芯片面積。
[0003] 圖1中給出了光電二極管和前置放大器的應(yīng)用原理圖。光電二極管DO的陽極連接 前置放大器芯片中的跨阻放大器TIA電路模塊的輸入端PINA，光電二極管DO的陰極連接前 置放大器芯片中的光電流的輸出端PINK，確保光電二極管DO工作在反向偏置的條件下。光 電二極管DO產(chǎn)生的光電流I pd通過PINA端流入前置放大器芯片。電流源IO鏡像光電二極管DO 的電流I?，同時根據(jù)光電流Ipd通過電阻Rl復(fù)制輸出電壓VMQN，從而達到監(jiān)測PINA端的輸入 電流平均值的目的。即在前置放大器芯片中的光電流監(jiān)視電路模塊的輸出端MON端可以對 光電二極管的電流進行鏡像檢測即光電流監(jiān)視，此設(shè)計電路稱為接收信號強度指示 (Receives Signal Strength Indication，RSSI)〇
[0004]圖2給出了常用的光電流監(jiān)視電路結(jié)構(gòu)。圖2中，運算放大器AI和PMOS晶體管MPI形 成了一個兩級放大器，可以確保節(jié)點VN的電壓和節(jié)點PINK的電壓相等。同時，運算放大器Al 的反相輸入端的節(jié)點VN的電壓V?可以表示為：
[0005] Vvn = RIXIo (1)
[0006] 其中，Io為電流源IO的電流大小；
[0007] PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2的柵源電壓相等，為：
[0008] Vgs-MPi = Vgs-mp2 = Vvq-VDD (2)
[0009] 其中Vgs_mpi是PMOS晶體管MPl的概源電壓，Vgs_mp2是晶體管MP2的概源電壓，Vvo為運 算放大器Al的輸出電壓。因此，PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2的過驅(qū)動電壓相等，為：
[0011 ] 其中Vqd_mpi是PMOS晶體管MP1的過驅(qū)動電壓，Vqd_mp2是PMOS晶體管MP2的過驅(qū)動電 壓，Vthq是晶體管在PMOS晶體管MP1和PMOS晶體管MP2的源端S和襯底端B短接，即Vsb = 0時的 閾值電壓。當(dāng)PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2都工作在飽和區(qū)時，不考慮溝道長度調(diào)制效 應(yīng)的情況下，PMOS晶體管MPl的電流和PMOS晶體管MP2的電流相等，為：
[0013] 其中，Imp^PMOS晶體管MPl的漏端電流，Imp2是PMOS晶體管MP2的漏端電流，μ Ρ是溝 道空穴的迀移率，(^是單位面積的柵氧化層電容，
是晶體管的寬長比，I v?|是晶體管的 源端和襯底短接，即源襯電壓Vsb = O時的閾值電壓。
[0014]考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，PMOS晶體管的電流為：
[0016] λ是溝道長度調(diào)制系數(shù)，Vds是PMOS晶體管的漏源電壓。
[0017] 實際應(yīng)用中，圖2中，常用的光電流監(jiān)視電路中的節(jié)點PINK通過光電二極管DO連接 至IjTIA跨阻放大器電路模塊的輸入端PINA。在設(shè)計中，光電二極管DO兩端的電壓差要求為 2.5V，TIA跨阻放大器電路模塊的輸入端PINA的電壓通常為0.6V，因此節(jié)點PINK的電壓為 3. IV;電源電壓為3.3V，因此PMOS晶體管的源漏電壓為200mV左右，這使得PMOS晶體管很難 工作在飽和區(qū)，給電路設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)。為了得到高精度的鏡像電流，PMOS晶體管MPl 和PMOS晶體管MP2都要求工作在飽和區(qū)，這樣使得PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2的漏源 電壓很大，即PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2的漏端電壓Vd很小，光電二極管DO的電壓閾 度很小，不滿足設(shè)計要求。
[0018] 同時，當(dāng)PMOS晶體管MPl工作在飽和區(qū)時，PMOS晶體管MPl和PMOS晶體管MP2的漏源 電壓Vds很大，由于晶體管存在溝道長度調(diào)制效應(yīng)，所以監(jiān)視電流鏡像精度很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本實用新型目的是為了解決常用光電流監(jiān)視電路中電流監(jiān)視鏡像精度低，同時解 決常用的光電流監(jiān)視電路只能工作在飽和區(qū)的問題，提供了一種高精度光電流監(jiān)視電路。
[0020] 本實用新型所述高精度光電流監(jiān)視電路，它包括誤差放大器AU誤差放大器A2、 PMOS晶體管MPl、PM0S晶體管MP2、PM0S晶體管MP3、電流源10、電阻Rl、電阻R_M0N和電容CO; [0021] PMOS晶體管MPl的源極、PMOS晶體管MP2的源極和電阻Rl的一端同時連接電源VDD， PMOS晶體管MPl的柵極、PMOS晶體管MP2的柵極和電容CO的一端同時連接誤差放大器Al的輸 出端VOl;
[0022] PMOS晶體管MPl的漏極同時連接誤差放大器A2的同相輸入端VP2、誤差放大器Al的 同相輸入端VPl，且上述連接的公共節(jié)點作為光電流的輸出端PINK;
[0023]電阻Rl的另一端同時連接誤差放大器Al的反相輸入端VN1、電流源IO的正端和電 容CO的另一端，電流源10的負端連接GND;
[0024] PMOS晶體管MP2的漏極同時連接誤差放大器A2的反相輸入端VN2和PMOS晶體管MP3 的源極，PMOS晶體管MP3的柵極連接誤差放大器A2的輸出端V02，PMOS晶體管MP3的漏極連接 電阻R_M0N的一端，電阻R_M0N的另一端連接GND;
[0025] PMOS晶體管MP3的漏極和電阻R_M0N連接的公共節(jié)點作為高精度光電流監(jiān)視電路 的輸出端Μ0Ν。
[0026]采用所述高精度光電流監(jiān)視電路制作的前置放大器，它包括光電流監(jiān)視電路 Monitor和跨阻放大器TIA電路模塊；
[0027] 光電流監(jiān)視電路Monitor包括誤差放大器AU誤差放大器A2、PM0S晶體管MP1、PM0S 晶體管MP2、PMOS晶體管MP3、電流源10、電阻Rl、電阻R_M0N和電容CO;
[0028] PMOS晶體管MPl的源極、PMOS晶體管MP2的源極和電阻Rl的一端同時連接電源VDD， PMOS晶體管MPl的柵極、PMOS晶體管MP2的柵極和電容CO的一端同時連接誤差放大器Al的輸 出端VO I;
[0029] PMOS晶體管MPl的漏極同時連接誤差放大器A2的同相輸入端VP2、誤差放大器Al的 同相輸入端VPl，且上述連接的公共節(jié)點作為高精度光電流監(jiān)視電路的輸出端PINK;
[0030] 電阻Rl的另一端同時連接誤差放大器Al的反相輸入端VN1、電流源IO的正端和電 容CO的另一端，電流源10的負端連接GND;
[0031] PMOS晶體管MP2的漏極同時連接誤差放大器A2的反相輸入端VN2和PMOS晶體管MP3 的源極，PMOS晶體管MP3的柵極連接誤差放大器A2的輸出端V02，PMOS晶體管MP3的漏極連接 電阻R_M0N的一端，電阻R_M0N的另一端連接GND;
[0032] PMOS晶體管MP3的漏極和電阻R_M0N連接的公共節(jié)點作為高精度光電流監(jiān)視電路 的輸出端Μ0Ν;
[0033] 跨阻放大器TIA電路模塊包括誤差放大器A3和電阻R0,誤差放大器A3的輸入端和 輸出端之間跨接電阻R0;
[0034]誤差放大器A3的輸入端作為跨阻放大器TIA電路模塊的輸入端ΡΙΝΑ;誤差放大器 A3的輸出端作為跨阻放大器TIA電路的輸出端V03;
[0035]光電流的輸出端PINK連接光電二極管DO的陰極，光電二極管DO的陽極連接跨阻放 大器TIA電路模塊的輸入端PINA。
[0036]本實用新型的優(yōu)點:本實用新型中提出的高精度光電流監(jiān)視電路不僅可以工作在 飽和區(qū)，同時可以工作在線性區(qū)；本實用新型中提出的高精度光電流監(jiān)視電路已經(jīng)通過了 仿真結(jié)果驗證。圖4給出了常用的光電流監(jiān)視電路中的PMOS晶體管MP2的漏端電流Ι_Μ0Ν隨 PMOS晶體管MP2的漏端電壓vin的變化的仿真結(jié)果，圖5給出了本實用新型中提出的高精度 光電流監(jiān)視電路中的PMOS晶體管MP2的漏端電流Ι_Μ0Ν隨PMOS晶體管MP2的漏端電壓vin的 變化的仿真結(jié)果。從圖4中可以看出，常用的光電流監(jiān)視電路中，當(dāng)PMOS晶體管MP2的漏端電 壓在2.4V~3V之間變化時，PMOS晶體管MP2的漏端電流變化了 1.4μΑ，斜率約為2.33μΑ/ν;從 圖5中可以看出，本實用新型提出的高精度光電流監(jiān)視電路中，當(dāng)PMOS晶體管ΜΡ2的漏端電 壓在2.4V~3V之間變化時，PMOS晶體管ΜΡ2的漏端電流變化了2 X 10_6μΑ，斜率約為3.33 X 10-6μΑ/ν，從仿真結(jié)果可以看出本實用新型中PMOS晶體管ΜΡ2的漏端電流Ι_Μ0Ν幾乎不受 PMOS晶體管ΜΡ2的漏端電壓vin變化的影響；電路的仿真結(jié)果表明，當(dāng)電路中的PMOS晶體管 ΜΡ2的漏端電壓vin變化時，本實用新型提出的高精度光電流監(jiān)視電路中電流的鏡像精度明 顯好于常用的光電流監(jiān)視電路中的電流的鏡像精度，性能提高IO 6倍。
【附圖說明】
[0037]圖1是光電二極管和前置放大器的應(yīng)用原理圖；
[0038] 圖2是常用的光電流監(jiān)視電路的電路圖；
[0039] 圖3是實施方式一所述高精度光電流監(jiān)視電路的電路圖；
[0040] 圖4是常用的光電流監(jiān)視電路中的PMOS晶體管ΜΡ2的漏端電流Ι_Μ0Ν隨PMOS晶體管 ΜΡ2的漏端電壓vin變化的曲線圖；
[0041 ]圖5是本實用新型的光電流監(jiān)視電路中