CN101001079A - 具有负阻抗补偿功能的转阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，主要包含单级转阻放大器元件和负阻抗补偿器。此负阻抗补偿器连接于此单级转阻放大器元件的输出端，可由多种架构来实现，主要包括由正反馈电路所构成的负电阻元件、以及针对该输出端产生的寄生电容效应的补偿电路。此负阻抗补偿器将此单级转阻放大器输出端的等效接地阻抗由低变高，并且补偿此输出端产生的寄生电容效应，以达到同时提升电压增益与频宽的目的。

Description

具有负阻抗补偿功能的转阻放大器

技术领域

本发明涉及光通讯***(optical communication system)里的放大器(amplifier)，尤其涉及一种具有负阻抗补偿(negative impedance compensation)功能的转阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)。

背景技术

在光通讯***中，光接收器(optical receiver)的增益(gain)与灵敏度(sensitivity)是很重要的特性，必须同时提高两者使传输性能达到最佳化。如图1所示，传统的单级(single-stage)转阻放大器的架构100结构简单，稳定性高，主要包含检光二极管(photo diode)101和基本的运算放大器(operationalamplifier)102。然而，由于整体增益及频宽特性与放大器的输出端阻抗大小有密切关系，此种单级转阻放大器的架构因其电压增益不足而无法获得高反馈电阻值R_F以及高灵敏度。

一般可采用如图2所示的多级(multi-stage)转阻放大器200的架构来实现高电压增益。此种多级转阻放大器的架构包含多个串联(cascade)的单一放大器201-203，以获得高反馈电阻值R_F与高灵敏度。然而，此多级架构虽可获得高电压增益，但是相位裕度(phase margin)控制不易。特别是针对高动态范围(high dynamic range)的应用，其自动增益控制(automatic gain control，AGC)很容易引发不稳定的可能性，并且电源消耗大(large power consumption)，对于高频宽应用时其设计更是难上加难。

如果可以使转阻放大器的输出端的等效接地阻抗由低变高，那么此转阻放大器的电压增益就可大幅提升。因此，要克服上述传统转阻放大器的问题便具有挑战性。

发明内容

本发明解决上述传统转阻放大器架构的缺点，其主要目的是提供一种具有负阻抗补偿功能的转阻放大器。本发明加入由正反馈电路所构成的负电阻(电压增益＞1)来改变放大器输出端的阻抗，并且加入适当的负电容来补偿此正反馈电路的输出端的寄生电容(parasitic capacitance)，以达到同时提升电压增益与频宽(bandwidth)的目的。

据此，本发明的第一实施例中，其转阻放大器主要包含单级转阻放大器元件，其备有输出端以产生等效接地阻抗；以及负阻抗补偿器(negativeimpedance compensator)。此负阻抗补偿器连接于此单级转阻放大器元件的输出端，将此单级转阻放大器输出端的等效接地阻抗由低变高，并且补偿此输出端产生的寄生电容效应。

负阻抗补偿器可以由多种电路架构来实现，主要包括由正反馈电路所构成的负电阻元件、以及针对该输出端产生的寄生电容效应的补偿电路。此补偿电路的范例如电阻、电容等。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该补偿电路为负电容。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负阻抗补偿器是以含有并联负电阻和负电容的配置来实现。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该单级转阻放大器元件包含检光二极管和基本的运算放大器。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负电阻是以晶体管和电容的配置来实现。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负电容是以晶体管、二极管和电容的配置来实现。

本发明的第二实施例中，其转阻放大器主要包含差动转阻放大器(differential TIA)元件、以及负阻抗补偿器。此差动转阻放大器元件是由两个单级转阻放大器元件所构成的差动架构，并具有两个输出端。而负阻抗补偿器与该差动转阻放大元件的该两个输出端连接，并补偿该两个输出端所产生的寄生电容效应，该负阻抗补偿器可使用如同第一实施例中的多种电路架构来实现。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负阻抗补偿器是由两个相互对称的负阻抗补偿元件并联而成的差动电路架构。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该差动转阻放大元件包括检光二极管和两个单级转阻放大元件。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，每一个该负阻抗补偿元件是以含有并联负电阻和负电容的配置来实现。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负电阻是以晶体管和电容的配置来实现。

根据所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负电容是以晶体管、二极管和电容的配置来实现。

在模拟实验中，本发明的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器的频宽提升指数(bandwidth enhancement factor)可达到3，而动态范围的应用可高达30dBm。

以下配合附图、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1是一种公知的单级转阻放大器的架构示意图。

图2是一种公知的多级转阻放大器的架构示意图。

图3为一方块示意图，说明本发明的第一实施例的架构。

图4是第一实施例的一个工作范例的示意图，其中负阻抗补偿器是正反馈电路所构成的负电阻的配置。

图5是第一实施例的一个工作范例的示意图，其中负阻抗补偿器是含有负电阻和负电容的配置。

图6是第一实施例的一个工作范例的示意图，其中负阻抗补偿器是另一种含有不同的负电阻和负电容的配置。

图7为一方块示意图，说明本发明的第二实施例的架构。

图8分解说明图7的差动电路架构。

图9为本发明的转阻放大器的模拟结果。

图10A与图10B为根据本发明，负电阻补偿效果的范例，图10A里，横轴代表频率，纵轴代表增益；图10B里，横轴代表时间，纵轴代表伏特。

图11A与图11B为根据本发明，负电容补偿效果的范例，图11A里，横轴代表频率，纵轴代表增益；图11B里，横轴代表时间，纵轴代表伏特。

其中，附图标记说明如下：

100单级转阻放大          101检光二极管

102单一放大器            R_F反馈电阻值

200多级转阻放大器        201-203单一放大器

300本发明的转阻放大器    301单级转阻放大器元件

303负阻抗补偿器          301a输出端

403负阻抗补偿器

501负电阻                502负电容

503负阻抗补偿器

603负阻抗补偿器          T₁、T₂晶体管

C电容                    D二极管

A栅极

701差动转阻放大器元件    703负阻抗补偿器

801a、801b单级转阻放大元件

803检光二极管

805a、805b检光二极管的两个输出端

具体实施方式

图3为方块示意图，说明本发明第一实施例的架构。参考图3，此转阻放大器300主要包含单级转阻放大器元件301、以及负阻抗补偿器(negativeimpedance compensator)303。此单级转阻放大器元件301具有输出端301a，以产生等效接地阻抗。此负阻抗补偿器303连接于此单级转阻放大器元件301的输出端301a，将此输出端301a所产生的等效接地阻抗由低变高，并且补偿此输出端301a所产生的寄生电容效应。

此负阻抗补偿器303可以由多种电路架构来实现，主要包括由正反馈电路所构成的负电阻元件、以及针对该输出端产生的寄生电容效应的补偿电路。此补偿电路的范例如电阻、电容等。以下以图4-图6的几个工作范例(working example)来说明。

图4的范例中的转阻放大器除了包括单级转阻放大器元件301外，其负阻抗补偿器403是以正反馈电路所构成负电阻来改变输出端301a的等效接地阻抗。图5的范例中负阻抗补偿器503与图4的范例的不同处为，再加入适当的负电容502来补偿输出端301a产生的寄生电容，以抵消此寄生电容对频宽造成的限制。换言之，图5的范例中，其负阻抗补偿器503是以含有并联负电阻501和负电容502的配置来实现。

图6的范例中，其负阻抗补偿器603是以不同于图5范例中的负电阻与负电容的配置来实现。参考图6，负电阻是以一个晶体管T₂和一个电容C的配置来实现。而负电容则是以一个晶体管T₁、一个二极管D和一个电容C的配置来实现，其中晶体管T₂与晶体管T1并联至栅极A。

图7为一方块示意图，说明本发明的第二实施例的架构。参考图7，此具有负阻抗补偿功能的转阻放大器主要包含差动转阻放大元件701、以及负阻抗补偿器703。此差动转阻放大元件701是由两个单级转阻放大元件并接而成的差动电路架构(differential topology)形态，并具有两个输出端701a与701b，连接至负阻抗补偿器703。而负阻抗补偿器703可使用如同第一实施例中的多种电路架构和其衍生出的组合架构来实现。不失一般性，图7里负阻抗补偿器703的范例是由两个图6的范例里的负阻抗补偿器并联而成的差动电路架构，在图7里分别以703a和703b表示这两个并联的负阻抗补偿器。以下图8再分解说明图7的差动电路架构。

参考图8，图7中的差动转阻放大器元件701是由图8中的两个单级转阻放大元件并联而成的差动电路架构，包括检光二极管803和两个单级转阻放大元件801a与801b。在图8里，801a与703a的电路结构对称于801b与703b的电路结构。换言之，检光二极管803的两端，805a和805b，分别连接两个相互对称的电路结构。

图9为根据本发明的转阻放大器的模拟测试结果，其中，此转阻放大器为一个3V1.25Gb的图6范例的转阻放大器，并示范于0.35μm的CMOS里。图9里，横轴代表输入光功率(input optical power)，单位为dBm；而纵轴代表比特错误率(bit error rate，BER)。如图所示，在比特错误率小于10^-12时，动态范围的应用从-29.5dBm至0dBm，可高达30dBm。另外，此转阻放大器的频宽提升指数可达到3。

综上所述，本发明的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器主要包含单级转阻放大器或是差动转阻放大元件、以及负阻抗补偿器。此负阻抗补偿器连接于此单级转阻放大器元件的输出端，可由多种架构来实现，将此单级转阻放大器输出端的等效接地阻抗由低变高，并且补偿此输出端产生的寄生电容效应。本发明的转阻放大器的频宽增强因子可达到3，并且动态范围的应用可高达30dBm。

以上所述仅为本发明的最佳实施例而已，不能依此限定本发明的实施范围，凡是在不脱离本发明的权利要求书所公开的范围和精神的情况下，所做的更改与修饰，均属本发明的专利保护范围之内。

Claims (13)

1.一种具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，包含有：

单级转阻放大器元件，备有输出端以产生等效接地阻抗；以及

负阻抗补偿器，连接于该单级转阻放大器元件的该输出端，将该输出端所产生的该等效接地阻抗由低变高，并且补偿该输出端所产生的寄生电容效应。

2.如权利要求1所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负阻抗补偿器包括由正反馈电路所构成的负电阻元件，以及针对该输出端产生的寄生电容效应的补偿电路。

3.如权利要求2所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该补偿电路为负电容。

4.如权利要求1所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负阻抗补偿器是以含有并联负电阻和负电容的配置来实现。

5.如权利要求1所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该单级转阻放大器元件包含检光二极管和基本的运算放大器。

6.如权利要求4所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负电阻是以晶体管和电容的配置来实现。

7.如权利要求4所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中该负电容是以晶体管、二极管和电容的配置来实现。

8.一种具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，包含有：

差动转阻放大元件，是由两个单级转阻放大器元件并接而成的差动电路架构，并具有两个输出端；以及

负阻抗补偿器，与该差动转阻放大元件的该两个输出端连接，并补偿该两个输出端所产生的寄生电容效应。

9.如权利要求8所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负阻抗补偿器是由两个相互对称的负阻抗补偿元件并联而成的差动电路架构。

10.如权利要求8所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该差动转阻放大元件包括检光二极管和两个单级转阻放大元件。

11.如权利要求9所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，每一个该负阻抗补偿元件是以含有并联负电阻和负电容的配置来实现。

12.如权利要求10所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负电阻是以晶体管和电容的配置来实现。

13.如权利要求10所述的具有负阻抗补偿功能的转阻放大器，其中，该负电容是以晶体管、二极管和电容的配置来实现。

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