CN107749744A - 一种基于cmos工艺的单端转差分跨阻放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,第一MOS管的栅极和第三MOS管的漏极通过第一电阻连接电源,第二MOS管的栅极和第四MOS管的漏极通过第四电阻连接电源,第一MOS管和第二MOS管的漏极对应通过第二电阻和第三电阻连接电源,第一MOS管的源极分别连接第二电容的一端、第五电阻的一端和单端电流信号输入端,第二MOS管的源极分别连接第一电容的一端和第六电阻的一端,第二电容的另一端连接第四MOS管的栅极,第五电阻和第六电阻的另一端接地,第一电容另一端连接第三MOS管的栅极,第三MOS管的源极和第四MOS管的源极均接地,第一MOS管和第二MOS管的漏极分别构成第一输出端和第二输出端。本发明提升跨阻放大器增益,降低噪声。

Description

一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器
技术领域
本发明涉及一种放大器。特别是涉及一种应用于单端转差分光接收机电路的基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器。
背景技术
随着信息化的高速发展,“云计算”、“大数据”等概念逐渐从理论走向了实际应用领域,并在国计民生等方面发挥着至关重要的作用。云服务的广泛应用所需要的***性数据量对数据传输带宽提出了较高的要求。传统的电互联数据传输方式在高速数据传输模式下存在着电磁干扰、传输损耗大等问题,使其难以满足信息化背景下,高速大数据传输的需求。而光互联数据传输方式可以在保证数据传输质量的同时,极大的提高数据传输速率,尤其是在短距离光互联领域,例如军事通信以及光纤到户等,有着广阔的发展前景,鉴于光互连技术的潜在优势和广阔的应用前景,高速数据传输领域光互联正逐步取代电互联成为主要的数据传输方式。而光接收机芯片及模块的性能直接决定着数据传输的质量和速率,是光互联***中重要的组成模块,因此光接收机芯片及模块的设计与研究势在必行。
光接收机是光纤通信***的重要组成部分,承担着将光信号重新转换为电信号的作用,通常意义上讲,光接收机模块主要包括:光电探测器、跨阻放大器、限幅放大器以及输出缓冲级。光电探测器检测光纤输出信号的光信号,并将光信号转换为微弱的电流信号,一般为uA级别;跨阻放大器将电流信号转化为电压信号,以便后续限幅放大器的信号处理;限幅放大器将较小的电压信号放大至后续时钟恢复电路能够处理的幅值;而输出缓冲级实现传输线50欧姆阻抗匹配,确保输出功率的最大化。
基于BiCMOS工艺实现的高速光互联芯片具有带宽较高,单片集成难度较小等优点,国内外诸多研究机构有所研究,但其高昂的价格让相关产品很难进入应用市场,随着半导体深亚微米时代的来临,CMOS工艺器件尺寸不断较小,其响应速度得到了极大的提升,因此基于CMOS工艺实现高速光互联成为可能。同时CMOS工艺流片价格相对低廉,提升了其作为光互联产品进入应用市场的可能性。但目前CMOS工艺高速光互联芯片研究还存在着诸多问题,尤其是在光接收机前端电路(跨阻放大器)的设计中存在的困难尤为集中:
1、低供电电压以及伪差分结构对输出电压摆幅的限制。随着半导体制造工艺的不断进步,器件不断成比例减小,供电电压也不断降低,而mos管的阈值电压并不会随器件尺寸的减小而降低,这就会使得电路的输出摆幅到极大的限制。另一方面目前常用单端结构以及伪差分结构更加剧输出单电压裕度的压力。而光接收机不仅需要将光信号转化为电信号,还应将信号放大到后续时钟判决电路能够处理的幅值,这就对接收机的输出摆幅提出了一定的要求,因此解决好低供电压与高输出摆幅的矛盾也是本课题研究的重要内容。
2、低供电电压对增益的限制。按照半导体器件成比例缩小的原理,随着器件尺寸的缩小,器件的供电电压也会不断降低,在低供电电压的限制下,实现能够满足后续时钟恢复电路工作条件的增益也是光速CMOS光接收机设计中一个重要问题。
3、噪声限制。为了提升光接收机的传输速率,目前大多数光接收机前端跨阻放大器电路多采用调节式共源共栅结构(RGC)代替传统的共源反馈结构,RGC结构能够降低输入电阻,提升跨阻放大器的带宽,但与共源反馈结构跨阻放大器相比,RGC结构引入的较大的噪声,使光接收机误码率等性能下降。
总的来说目前基于CMOS工艺的光接收机前端跨阻放大器多采用单端或者伪差分结构,这种结构为后续限幅放大器提供的信号为单端或者是伪差分信号,从很大程度上限制了输出摆幅的提升。以此同时调节共源共栅结构RGC引入的噪声也是光接收机设计过程中不愿意看到的。因此当前光接收机前端跨阻放大器的设计主要任务是提高增益、带宽,输出摆幅,在提升光互联模块传输速率的同时,降低引入噪声,进而使光接收机芯片的整体性能得到提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种能够提升光接收机整体的电源抑制比和输出摆幅,提升跨阻放大器增益,降低噪声的基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器。
本发明所采用的技术方案是:一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,包括第二MOS管和第四MOS管,还设置有第一MOS管和第三MOS管,所述第一MOS管的栅极和第三MOS管的漏极通过第一电阻连接电源,所述第二MOS管的栅极和第四MOS管的漏极通过第四电阻连接电源,所述第一MOS管的漏极通过第二电阻连接电源,所述第二MOS管的漏极通过第三电阻连接电源,所述第一MOS管的源极分别连接第二电容的一端、第五电阻的一端以及单端电流信号输入端,所述第二MOS管的源极分别连接第一电容的一端和第六电阻的一端,所述第二电容的另一端连接第四MOS管的栅极,第五电阻的另一端接地,第一电容另一端连接第三MOS管的栅极,第六电阻的另一端接地,所述第三MOS管的源极和第四MOS管的源极均接地,所述第一MOS管的漏极构成第一输出端,所述第二MOS管的漏极构成第二输出端。
本发明的一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,将电容耦合技术引入跨阻放大器设计中,并联合使用共源结构和共栅结构跨阻放大器,实现单端转差分,为后续限幅放大电路提供真正意义的差分信号,进而提升光接收机整体的电源抑制比,以及输出摆幅;同时本发明还通过跨导增强技术(gm-boosting)技术,提升跨阻放大器增益,降低噪声。本发明具有如下优点:
1、将电容耦合结构引入到跨阻放大器中,将光电探测器产生的单端输入电流信号,转化为差分输出电压信号,极大的降低后续放大电路输出摆幅以及电源抑制比等性能的设计难度。
2、将低噪声放大器(LNA)中广泛采用的增益增强技术,引入到跨阻放大器中,提升原有跨阻放大器增益的同时,降低了共栅结构跨阻放大器较大的输入噪声。
综上所述,本发明提出的跨阻放大器结构和实施方法具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器的电路原理图;
图2a是伪差分跨阻放大器结构示意图;
图2b是伪差分输出信号;
图2c全差分输出信号;
图3a是电容耦合差分对结构示意图;
图3b是RC滤波跨阻放大器结构;
图4a是跨阻增强结构图;
图4b小信号等效电路图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器做出详细说明。
本发明的一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,通过将跨导增强技术以及电容耦合技术引入光接收机前置放大电路,设计出一种单端输入差分输出、低噪声的跨阻放大器。包括源级电阻和电容组成的耦合输入电路;栅极和输入端之间的共源放大器形成的跨导增强级;差分对形成的差分输出级,共同构成了单转差跨阻放大器。具体来讲,电容和源级偏置电阻形成的电容耦合电路将光电探测器输入的单端电流信号分为两条放大电路进行放大;差分对两端分别形成共源放大器和共栅放大器,并且两端放大管的栅源电压完全反向,从而达到输出差分信号的目的。而放大管栅极和信号输入端之间的共源放大器形成的跨导增强电路,可以在原电路提供增益的基础上进一步提升增益,并从一定程度上解决共栅结构跨阻放大器输入噪声较大的问题。
如图1所示,本发明的一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,包括第二MOS管M2和第四MOS管M4,其特征在于,还设置有第一MOS管M1和第三MOS管M3,所述第一MOS管M1的栅极和第三MOS管M3的漏极通过第一电阻R1连接电源VDD,所述第二MOS管M2的栅极和第四MOS管M4的漏极通过第四电阻R4连接电源VDD,所述第一MOS管M1的漏极通过第二电阻R2连接电源VDD,所述第二MOS管M2的漏极通过第三电阻R3连接电源VDD,所述第一MOS管M1的源极分别连接第二电容C2的一端、第五电阻R5的一端以及单端电流信号输入端Iin,所述第二MOS管M2的源极分别连接第一电容C1的一端和第六电阻R6的一端,所述第二电容C2的另一端连接第四MOS管M4的栅极,第五电阻R5的另一端接地,第一电容C1另一端连接第三MOS管M3的栅极,第六电阻R6的另一端接地,所述第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极均接地,所述第一MOS管M1的漏极构成第一输出端VO1,所述第二MOS管M2的漏极构成第二输出端VO2。
本发明引入电容耦合技术和跨导增强技术,实现了单端输入差分输出的跨阻放大器,解决了传统单端和伪差分结构跨阻放大器的诸多弊端。如图2a所示,目前大多数光接收机前置跨阻放大电路多采用伪差分结构,电信号仅从一端输入,伪差分端没有信号输入,这种跨阻放大器结构输出的信号就是图2b形式的伪差分信号。伪差分信号和真正意义上的差分信号,如图2c所示,相比差别表现在,完全差分信号振幅相等,相位相同,极性相反,而伪差分输出信号振幅不相等,这就为后续输出摆幅的设计造成了极大的困难。
本发明为了解决伪差分结构输出信号存在的问题,采用电容耦合的差分对结构,如图3a所示,在此种电路结构中,放大器A将信号从MOS管M1源级转移到MOS管M2的栅极,同时另一个放大器将信号从MOS管M2的源级转移到MOS管M1的栅极。假设放大器放大倍数A=1,那么两侧MOS管的栅源电压便会振幅相等,相位相同,极性相反。若差分放大器完全匹配,即两侧增益相同,输出信号即为完全差分信号。采用耦合电容和栅极电阻组成RC回路代替放大器A,如图3b所示。通常情况下光纤信号中低频信号较少,跨阻放大器多工作在较高频率段,耦合电容产生阻抗和栅极电阻相比,基本可以忽略,并假定Vg1=Vg2,Rg1=Rg2,gm1=gm2,gmb1=gmb2此种情况差分左侧跨阻增益为:
右侧跨导增益为:
定义差分度(用于判断信号差分程度)为α,则
差分度α越接近1,即差分对两侧放大器跨导增益越趋于相同,则输出信号越接近差分信号。由等式(3)可知,体效应是影响差分度的关键,通过合理的规划芯片版图可以从一定程度上减弱体效应对差分度带来的影响,让差分度尽量接近1,从而使得输出信号为差分信号。
本发明使用电容耦合差分结构的跨阻放大器,将单端输入电流信号,转化为双端输出电压信号,实现了单转双跨阻放大器。本发明还采用跨阻增强技术,进一步提升该跨阻放大器的增益、噪声等性能。跨阻增强技术的合适使用可以在提升放大器的增益的同时,降低噪声,被广泛应用于低噪声放大器和混频器的设计中。本发明独创性地将该技术应用于跨阻放大器的设计中,如图4a所示,原理分析如下所述:
忽略栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd的影响,跨阻增强结构小信号等效电路图4b所示,流过Rs电流等于-Vout/Rd,所以:
此外,因为流过ro的电流等于-Vout/Rd-gmV1-gmbV1,因此:
从上式解出V1的表达式,并带入,可得:
由上述分析,可知跨阻增强技术可以提升(1+A)倍增益。此外,忽略体效应,通常共栅级跨阻放大器的噪声可以写为:
其中γ是偏置相关参数,由上式可知当使用图4a阻增强技术时,Gm由gm提升了(1+A)倍,极大的降低了共栅结构跨阻放大器的噪声。

Claims (1)

1.一种基于CMOS工艺的单端转差分跨阻放大器,包括第二MOS管(M2)和第四MOS管(M4),其特征在于,还设置有第一MOS管(M1)和第三MOS管(M3),所述第一MOS管(M1)的栅极和第三MOS管(M3)的漏极通过第一电阻(R1)连接电源(VDD),所述第二MOS管(M2)的栅极和第四MOS管(M4)的漏极通过第四电阻(R4)连接电源(VDD),所述第一MOS管(M1)的漏极通过第二电阻(R2)连接电源(VDD),所述第二MOS管(M2)的漏极通过第三电阻(R3)连接电源(VDD),所述第一MOS管(M1)的源极分别连接第二电容(C2)的一端、第五电阻(R5)的一端以及单端电流信号输入端(Iin),所述第二MOS管(M2)的源极分别连接第一电容(C1)的一端和第六电阻(R6)的一端,所述第二电容(C2)的另一端连接第四MOS管(M4)的栅极,第五电阻(R5)的另一端接地,第一电容(C1)另一端连接第三MOS管(M3)的栅极,第六电阻(R6)的另一端接地,所述第三MOS管(M3)的源极和第四MOS管(M4)的源极均接地,所述第一MOS管(M1)的漏极构成第一输出端(VO1),所述第二MOS管(M2)的漏极构成第二输出端(VO2)。
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