CN107171646A - 一种应用于高速光接收机的跨阻放大器及设计方法 - Google Patents

一种应用于高速光接收机的跨阻放大器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于高速光接收机的跨阻放大器及设计方法，包括三级高增益放大器A和反馈电阻Rf；三级高增益放大器A的三级分别为第一级放大器A1、第二级放大器A2和第三级放大器A3；第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端。本发明通过在TIA的放大器内部采用先降带宽，再恢复带宽的结构，可以在保证***传输速率所需带宽的情况下，提高TIA的跨阻增益，降低TIA的等效输入噪声。

Description

一种应用于高速光接收机的跨阻放大器及设计方法
技术领域
本发明涉及光通信芯片技术领域，特别涉及一种应用于高速光接收机的跨阻放大器。
背景技术
在光通信***中，接收端通过光检测器(光电二极管)产生的电流信号可能很微弱，而光接收机前置放大器的作用就是进行跨阻变换，将光电流信号放大成一定幅度的电压信号，供后级电路在电压域进行信号处理。故高速光通信***中的前置放大器称为跨阻放大器(Transimpedance Amplifier，以下简称TIA)。在带宽满足***传输速率的前提下，不仅要求跨阻放大器有较低的噪声，同时还要提供足够的增益来放大信号、抑制后级模块的噪声。而高带宽和低噪声一般互斥，故高速跨阻放大器噪声性能很难提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于高速光接收机的跨阻放大器及设计方法，具有低噪声、高增益、高带宽的优点，以提高现有TIA的噪声性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，包括三级高增益放大器A和反馈电阻Rf；三级高增益放大器A的三级分别为第一级放大器A1、第二级放大器A2和第三级放大器A3；第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端。
进一步的，三级高增益放大器A内部，先降低第一级放大器A1的带宽，提高第一级放大器A1的增益，通过将后两级第二级放大器A2和第三级放大器A3设置为连续时间线性均衡器(CTLE:continuous-time linear equalizer)，采用带宽恢复技术将三级高增益放大器A的总带宽恢复到所需值。
进一步的，带宽恢复技术为电感峰化(inductive peaking)或电容退化(capacitive degeneration)。
进一步的，所述反馈电阻Rf为可调电阻。
进一步的，反馈电阻Rf包括并联设置的晶体管MN4和电阻R3。
进一步的，第一级放大器A1的输入端连接等效输入电容Cin；等效输入电容Cin一端连接第一级放大器A1的输入端，另一端接地；第三级放大器A3的输出端连接后级电路的等效电容Cload；后级电路的等效电容Cload一端连接第三级放大器A3的输出端，另一端接地。
进一步的，第一级放大器由输入跨导晶体管MN1和负载晶体管MP1组成；第二级放大器由跨导晶体管MN2、负载电阻R1、串联电感L1组成；第三级放大器由跨导晶体管MN3、负载电阻R2、串联电感L2组成；反馈电阻Rf由电阻R3和晶体管MN4组成；输入晶体管MN1的栅端接输入、电阻R3的左端和晶体管MN4的漏端；晶体管MN1源端接地，漏端接晶体管MP1的漏端和晶体管MN2的栅端；晶体管MP1的栅端接偏置电压V1，源端接VDD；晶体管MN2的源端接地，漏端接电阻R1的下端和晶体管MN3的栅端；晶体管MN3的源端接地，漏端接电阻R2的下端、电阻R3的右端和晶体管MN4的源端；电阻R1的上端接电感L1的下端；电阻R2的上端接电感L2的下端；电感L1的上端接VDD；电感L2的上端接VDD；反馈电阻Rf由电阻R3和MN4并联组成：晶体管MN4的栅端接偏置电压V2；晶体管MN1的栅端、晶体管MN4的漏端和电阻R3的左端共接，作为跨阻放大器的输入端；晶体管MN3的漏端、晶体管MN4的源端、电阻R3的右端和电阻R2的下端共接，作为跨阻放大器的输出端。
一种应用于高速光接收机的跨阻放大器的设计方法，包括以下步骤：
第一步、设计三级高增益放大器A：
1)设计第一级放大器A1：设计第一级放大器A1的带宽为放大器A的总带宽的1/3～1/2；
2)设计第二级放大器A2和第三级放大器A3：将第二级放大器A2和第三级放大器A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术将三级高增益放大器A的总带宽恢复到所需值；
第二步、设计反馈电阻Rf：满足整个跨阻放大器闭环带宽的要求；
其中，第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1)主动降低第一级放大器A1的带宽，这样本级放大器增益提高。带宽降低使得可以用有源负载电阻代替传统的无源负载电阻，增大负载电阻；而使用有源负载进一步允许输入跨导管偏置在较高的电流密度而不受有限的电源电压影响。同时，带宽降低允许更多的寄生电容，即可以使本级和下一级晶体管采用更大的尺寸，增大了跨导。更大的偏置电流密度和晶体管尺寸增加了该级的跨导，而跨导的提高降低了该级放大器等效到输入端的噪声。因为放大器第一级A1的噪声是三级放大器A噪声的主导部分，故整个放大器A等效到输入端的噪声降低。同时，第一级放大器增益的提高可以抑制后级放大器等效到输入端的噪声。
2)后两级放大器A2、A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术(如电感峰化、电容退化等)，恢复放大器A1在高频部分的增益损失，使得三级放大器A的总带宽恢复到所需值，以保证TIA的闭环稳定性和其他性能要求。
3)传统的用于构成TIA的环路内部放大器，由于多级级联带宽下降迅速，容易造成TIA的闭环不稳定，多采用单增益级。此处三级放大器的结构，相比传统的单级放大器，在带宽相同的前提下增益更大，使TIA可以采用更大的反馈电阻Rf，得到较高的跨阻增益。这样不但降低了反馈电阻Rf的噪声和***整体的白噪声，而且有效的抑制了TIA后级电路模块的噪声。同时，较大的输入级跨导也显著降低了放大器A的噪声。
4)等效反馈电阻Rf设为可调电阻，如图2所示，其阻值由晶体管MN4和电阻R3并联决定，通过改变晶体管MN4的栅端电压，可以改变反馈电阻Rf的值。正常工作时晶体管MN4的栅端电压为0V；而在输入电容过大，TIA带宽下降时，通过提高MN4栅极电压，降低MN4的输出电阻，从而降低Rf，恢复带宽，保证性能。
附图说明
图1是本发明提出的环路内部放大器先降带宽再恢复带宽的跨阻放大器的原理框图；
图2是采用本发明技术的具体实施例的低噪声高增益跨阻放大器的电路结构图；
图3是本发明技术的具体实施例的三级高增益放大器A的A1、A2、A3各级及总的三级高增益放大器A的增益曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图2对本发明的实施方式做进一步详细描述。
请参阅图1所示，本发明一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，包括：一个三级高增益放大器A，其三级分别为A1、A2、A3，一个可变反馈电阻Rf。
连接方法为：等效输入电容Cin的一端连接第一级放大器A1的输入端，等效输入电容Cin的另一端接地；三级放大器A的第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接在第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端；后级电路的等效电容Cload一端接在第三级放大器A3的输出端，另一端接地。
其设计思想为：在三级放大器A内部，先降低第一级放大器A1的带宽，提高A1的增益，通过将后两级放大器A2、A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术(如电感峰化、电容退化等)将三级放大器A的总带宽恢复到所需值。
如图2示，本发明一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，包括三级放大器、反馈电阻，以及输入输出电容；晶体管均使用的MOS管：
第一级放大器由输入跨导晶体管MN1和负载晶体管MP1组成；第二级放大器由跨导晶体管MN2、负载电阻R1、串联电感L1组成；第三级放大器由跨导晶体管MN3、负载电阻R2、串联电感L2组成；反馈电阻Rf由电阻R3和晶体管MN4组成；输入电容Cin是等效输入电容；负载电容Cload用来等效后级模块的电容。
具体的连接方式为：输入晶体管MN1的栅端接输入、电阻R3的左端和晶体管MN4的漏端；晶体管MN1源端接地，漏端接晶体管MP1的漏端和晶体管MN2的栅端；晶体管MP1的栅端接偏置电压V1，源端接VDD；晶体管MN2的源端接地，漏端接电阻R1的下端和晶体管MN3的栅端；晶体管MN3的源端接地，漏端接电阻R2的下端、电阻R3的右端和晶体管MN4的源端；电阻R1的上端接电感L1的下端；电阻R2的上端接电感L2的下端；电感L1的上端接VDD；电感L2的上端接VDD；反馈电阻Rf由电阻R3和MN4并联组成：晶体管MN4的栅端接偏置电压V2；电容Cin是等效输入电容，一端接晶体管MN1的栅端、晶体管MN4的漏端和电阻R3的左端，另一端接地；电容Cload是等效负载电容，一端接晶体管MN3的漏端、晶体管MN4的源端、电阻R3的右端和电阻R2的下端，另一端接地。
在此实施例中，采用的是180nm CMOS工艺，电源电压1.8V，信号传输速率为10Gb/s，等效输入电容Cin为200fF、等效负载电容Cload为50fF时。如图3示，晶体管MN1和MP1组成的第一级放大器的-3dB带宽为4.3GHz，经过第二级放大器和第三级放大器采用电感峰化技术恢复带宽后，整个三级放大器的开环带宽为11GHz，增益为26dB，实现了总增益带宽积220GHz，超过180nm CMOS工艺转角频率(fT＝50GHz)4倍多。反馈电阻Rf的阻值为2.26kΩ，其中电阻R3的阻值为2.26kΩ，晶体管MN4的栅端电压为0V。
整个TIA的闭环-3dB带宽为7.2GHz，满足***传输速率10Gb/s的要求。跨阻增益较大为66.6dBΩ，不仅将微弱的输入电流信号放大为更大的输出电压信号，同时更好的抑制了电路后级模块的噪声。整个TIA的整体等效输入噪声为0.86μArms，噪声性能优异。
本发明通过在TIA的放大器内部采用先降带宽，再恢复带宽的结构，可以在保证***传输速率所需带宽的情况下，提高TIA的跨阻增益，降低TIA的等效输入噪声。高增益不仅可以得到较大的输出信号，同时也有助于抑制后级电路模块等效到输入端的噪声，更进一步的提高***整体噪声性能，增加光接收机灵敏度。
本发明一种应用于高速光接收机的跨阻放大器的设计方法，包括以下步骤：
第一步、设计三级高增益放大器A：
1)设计第一级放大器A1：设计第一级放大器A1的带宽为放大器A的总带宽的1/3～1/2；
2)设计第二级放大器A2和第三级放大器A3：将第二级放大器A2和第三级放大器A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术将三级高增益放大器A的总带宽恢复到所需值；
第二步、设计反馈电阻Rf：满足整个跨阻放大器闭环带宽的要求。
进一步的，反馈电阻Rf在满足整个跨阻放大器闭环带宽的要求下取最大值。
综上所述，本发明能够在保证TIA传输速率的前提下，显著提高TIA环路内放大器的增益，从而得到了较大的跨阻增益，并降低了反馈电阻Rf的噪声和***的白噪声；同时，该放大器的结构降低了放大器本身的噪声。故TIA输入总噪声可明显降低。

Claims (8)

1.一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，包括三级高增益放大器A和反馈电阻Rf；
三级高增益放大器A的三级分别为第一级放大器A1、第二级放大器A2和第三级放大器A3；
第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，在三级高增益放大器A内部，先降低第一级放大器A1的带宽，提高第一级放大器A1的增益，通过将后两级第二级放大器A2和第三级放大器A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术将三级高增益放大器A的总带宽恢复到所需值。
3.根据权利要求2所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，带宽恢复技术为电感峰化或电容退化。
4.根据权利要求1所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，所述反馈电阻Rf为可调电阻。
5.根据权利要求1所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，反馈电阻Rf包括并联设置的晶体管MN4和电阻R3。
6.根据权利要求1所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，第一级放大器A1的输入端连接等效输入电容Cin；等效输入电容Cin一端连接第一级放大器A1的输入端，另一端接地；第三级放大器A3的输出端连接后级电路的等效电容Cload；后级电路的等效电容Cload一端连接第三级放大器A3的输出端，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种应用于高速光接收机的跨阻放大器，其特征在于，第一级放大器由输入跨导晶体管MN1和负载晶体管MP1组成；第二级放大器由跨导晶体管MN2、负载电阻R1、串联电感L1组成；第三级放大器由跨导晶体管MN3、负载电阻R2、串联电感L2组成；反馈电阻Rf由电阻R3和晶体管MN4组成；
输入晶体管MN1的栅端接输入、电阻R3的左端和晶体管MN4的漏端；晶体管MN1源端接地，漏端接晶体管MP1的漏端和晶体管MN2的栅端；晶体管MP1的栅端接偏置电压V1，源端接VDD；晶体管MN2的源端接地，漏端接电阻R1的下端和晶体管MN3的栅端；晶体管MN3的源端接地，漏端接电阻R2的下端、电阻R3的右端和晶体管MN4的源端；电阻R1的上端接电感L1的下端；电阻R2的上端接电感L2的下端；电感L1的上端接VDD；电感L2的上端接VDD；反馈电阻Rf由电阻R3和MN4并联组成：晶体管MN4的栅端接偏置电压V2；晶体管MN1的栅端、晶体管MN4的漏端和电阻R3的左端共接，作为跨阻放大器的输入端；晶体管MN3的漏端、晶体管MN4的源端、电阻R3的右端和电阻R2的下端共接，作为跨阻放大器的输出端。
8.一种应用于高速光接收机的跨阻放大器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、设计三级高增益放大器A：
1)设计第一级放大器A1：设计第一级放大器A1的带宽为放大器A的总带宽的1/3～1/2；
2)设计第二级放大器A2和第三级放大器A3：将第二级放大器A2和第三级放大器A3设置为连续时间线性均衡器，采用带宽恢复技术将三级高增益放大器A的总带宽恢复到所需值；
第二步、设计反馈电阻Rf：满足整个跨阻放大器闭环带宽的要求；
其中，第一级放大器A1的输出端接第二级放大器A2的输入端，第二级放大器A2的输出端接第三级放大器A3的输入端；反馈电阻Rf两端分别接第一级放大器A1的输入端和第三级放大器A3的输出端。
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