CN109274341A - 基于标准cmos工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，有依次串联三级差分放大器，第一差分放大器的正向输入端和第三差分放大器的负向输出端连接有第一电阻，第一差分放大器的负向输入端和第三差分放大器的正向输出端连接有第二电阻，第二差分放大器的正向输入端与第三差分放大器的负向输出端之间连接有第一直流电压偏移消除电路，第二差分放大器的负向输入端与第三差分放大器的正向输出端之间连接有第二直流电压偏移消除电路，三级差分放大器以及第一直流电压偏移消除电路和第二直流电压偏移消除电路的电源端均连接电源，地端均接地，三级差分放大器的尾电流源的栅极均连接直流偏置电压。本发明极大的提高了信号的稳定性和抗噪声能力。

Description

基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器
技术领域
本发明涉及一种全差分跨阻抗放大器。特别是涉及一种基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器。
背景技术
随着光电集成行业的蓬勃发展，基于标准CMOS工艺的高带宽、低噪声的全差分光电探测器的出现，使人们对全差分光接收机电路有更高的需求。为适应光电探测器具有差分输入电流信号的要求，用于光接收机前端的伪差分跨阻抗放大器已经取得突破性的进展。然而，伪差分结构不能抑制噪声干扰并且受工艺的限制，微小的失配就会对其性能产生致命的影响。因此，研制高性能的全差分光接收机前端电路将成为光电集成领域的研究热点。
目前，可见光通信***是由光探测器，光接收机组成。光探测器将可见光信号接收并转化成电流信号，光接收是将该电流信号转化为电压信号，并实现放大、均衡、以及判决等过程的结构。跨阻抗放大器作为光接收机的前端电路，对整个可见光通信***有非着常重要的影响，其决定着整个***的信息传输速率，信号质量，以及误码率等因素。为了降低成本同时提高可见光通信***的通信质量和可靠性，科研人员对可以减小***噪声同时提高信号增益的跨阻抗放大器进行了广泛的研究。
由于多级放大器级联，后级输入的交流小信号变化已经足以影响后级放大器的直流工作点，引起失配。这将会对放大器的增益，带宽等指标产生重大的影响，进而会产生大量噪声，使***可靠性急剧下降，很难实现高信噪比的光接收机。
目前可见光接收机接收机普遍采用伪差分前置放大结构，并未实现真正意义上的全差分输入，即光接收机的两个输入端口是依靠版图对称实现差分输入，两个输入信号独立放大互不影响。这种伪差分结构的缺点是不仅导致了光接收机的两个输入端口的输入负载不一致，降低了带宽；而且两个伪差分放大器的失配也会严重影响输出信号的直流工作点，使后级放大器难以匹配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可应用于可见光通信的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，包括有依次串联连接的第一差分放大器、第二差分放大器和第三差分放大器，其中，所述第一差分放大器的正负向输入端分别对应构成正电流输入端和负电流输入端，所述第三差分放大器的正负向输出端分别对应构成正电压输出端和负电压输出端，所述第一差分放大器的正电流输入端和第三差分放大器的负电压输出端之间连接有第一电阻，所述第一差分放大器的负电流输入端和第三差分放大器的正电压输出端之间连接有第二电阻，所述第二差分放大器的正向输入端与第三差分放大器的负电压输出端之间连接有第一直流电压偏移消除电路，所述第二差分放大器的负向输入端与第三差分放大器的正电压输出端之间连接有第二直流电压偏移消除电路，所述第一差分放大器、第二差分放大器、第三差分放大器、第一直流电压偏移消除电路和第二直流电压偏移消除电路的电源端均连接电源VDD，地端均接地，所述第一差分放大器、第二差分放大器和第三差分放大器的尾电流源的栅极均连接直流偏置电压。
所述的第一差分放大器、第二差分放大器和第三差分放大器结构相同，均包括有第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第三NMOS晶体管，其中，所述第一NMOS晶体管的栅极构成正向输入端，用于连接所述的正电流输入端或前一级差分放大器的反向输出端，所述第二NMOS晶体管的栅极构成反向输入端，用于连接所述的负电流输入端或前一级差分放大器的正向输出端，所述第一NMOS晶体管的源极构成反向输出端用于连接下一级差分放大器的正向输入端或构成所述的负电压输出端，所述第一NMOS晶体管的源极还通过第三电阻连接所述的电源VDD，所述第二NMOS晶体管的源极构成正向输出端用于连接下一级差分放大器的反向输入端或构成所述的正电压输出端，所述第二NMOS晶体管的源极还通过第四电阻(R4)连接所述的电源VDD，所述第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的漏极共同连接第三NMOS晶体管的漏极，所述第三NMOS晶体管的源极构成地端接地，所述第三NMOS晶体管的栅极构成尾电流源的栅极连接所述的直流偏置电压。
所述第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第三NMOS晶体管的衬底均接地。
所述的第一直流电压偏移消除电路和第二直流电压偏移消除电路结构相同，均包括有第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的源极连接所述的电源VDD，漏极连接所对应的第二差分放大器的正向输入端或反向输入端，栅极通过一个电容接地，所述的栅极还通过一个电阻连接所对应的第三差分放大器的正电压输出端或负电压输出端。所述的第一PMOS晶体管的衬底均接电源VDD。
本发明的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，是一种可应用于可见光通信的互补金属氧化物半导体(CMOS)跨阻抗放大器，尤其是一种可实现全差分电流输入和全差分电压输出，并且带有直流偏差矫正单元的CMOS单片集成光接收机前端电路，可直接用于片上集成光探测器。本发明不仅具备了全差分输入的特性，极大的提高了信号的稳定性和抗噪声能力，而且不增加任何额外成本。此外全差分输入结构可以更好的提升信号带宽以及增益曲线的平坦度，对后续的优化提供方便，具备良好的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明一种基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器的电路原理图；
图2是本发明的第一差分放大器/第二差分放大器/第三差分放大器的电路原理图；
图3是本发明第一直流电压偏移消除电路/第二直流电压偏移消除电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，包括有依次串联连接的第一差分放大器A1、第二差分放大器A2和第三差分放大器A3，其中，所述第一差分放大器A1的正负向输入端分别对应构成正电流输入端IN+和负电流输入端IN-，所述第三差分放大器A3的正负向输出端分别对应构成正电压输出端VO+和负电压输出端VO-，所述第一差分放大器A1的正电流输入端IN+和第三差分放大器A3的负电压输出端VO-之间连接有第一电阻R1，所述第一差分放大器A1的负电流输入端IN-和第三差分放大器A3的正电压输出端VO+之间连接有第二电阻R2，所述第二差分放大器A2的正向输入端与第三差分放大器A3的负电压输出端VO-之间连接有第一直流电压偏移消除电路DCOC1，所述第二差分放大器A2的负向输入端与第三差分放大器A3的正电压输出端VO+之间连接有第二直流电压偏移消除电路DCOC2，所述第一差分放大器A1、第二差分放大器A2、第三差分放大器A3、第一直流电压偏移消除电路DCOC1和第二直流电压偏移消除电路DCOC2的电源端均连接电源VDD，地端均接地GND，所述第一差分放大器A1、第二差分放大器A2和第三差分放大器A3的尾电流源的栅极均连接直流偏置电压Vbias。
如图2所示，所述的第一差分放大器A1、第二差分放大器A2和第三差分放大器A3结构相同，均包括有第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3，其中，所述第一NMOS晶体管M1的栅极构成正向输入端VIN1，用于连接所述的正电流输入端IN+或前一级差分放大器的反向输出端，所述第二NMOS晶体管M2的栅极构成反向输入端，用于连接所述的负电流输入端IN-或前一级差分放大器的正向输出端，所述第一NMOS晶体管M1的源极构成反向输出端VOUT1用于连接下一级差分放大器的正向输入端或构成所述的负电压输出端VO-，所述第一NMOS晶体管M1的源极还通过第三电阻R3连接所述的电源VDD，所述第二NMOS晶体管M2的源极构成正向输出端VOUT2用于连接下一级差分放大器的反向输入端或构成所述的正电压输出端VO+，所述第二NMOS晶体管M2的源极还通过第四电阻R4连接所述的电源VDD，所述第一NMOS晶体管M1和第二NMOS晶体管M2的漏极共同连接第三NMOS晶体管M3的漏极，所述第三NMOS晶体管M3的源极构成地端接地GND，所述第三NMOS晶体管M3的栅极构成尾电流源的栅极连接所述的直流偏置电压Vbias。
所述第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3的衬底均接地GND。
如图3所示，所述的第一直流电压偏移消除电路DCOC1和第二直流电压偏移消除电路DCOC2结构相同，均包括有第一PMOS晶体管M10，所述第一PMOS晶体管M10的源极连接所述的电源VDD，漏极IOUT1连接所对应的第二差分放大器A2的正向输入端或反向输入端，栅极通过一个电容C1接地GND，所述的栅极还通过一个电阻R9连接所对应的第三差分放大器A3的正电压输出端VO+或负电压输出端VO-。所述的第一PMOS晶体管M10的衬底均接电源VDD。

Claims (5)

1.一种基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，其特征在于，包括有依次串联连接的第一差分放大器(A1)、第二差分放大器(A2)和第三差分放大器(A3)，其中，所述第一差分放大器(A1)的正负向输入端分别对应构成正电流输入端(IN+)和负电流输入端(IN-)，所述第三差分放大器(A3)的正负向输出端分别对应构成正电压输出端(VO+)和负电压输出端(VO-)，所述第一差分放大器(A1)的正电流输入端(IN+)和第三差分放大器(A3)的负电压输出端(VO-)之间连接有第一电阻(R1)，所述第一差分放大器(A1)的负电流输入端(IN-)和第三差分放大器(A3)的正电压输出端(VO+)之间连接有第二电阻(R2)，所述第二差分放大器(A2)的正向输入端与第三差分放大器(A3)的负电压输出端(VO-)之间连接有第一直流电压偏移消除电路(DCOC1)，所述第二差分放大器(A2)的负向输入端与第三差分放大器(A3)的正电压输出端(VO+)之间连接有第二直流电压偏移消除电路(DCOC2)，所述第一差分放大器(A1)、第二差分放大器(A2)、第三差分放大器(A3)、第一直流电压偏移消除电路(DCOC1)和第二直流电压偏移消除电路(DCOC2)的电源端均连接电源VDD，地端均接地(GND)，所述第一差分放大器(A1)、第二差分放大器(A2)和第三差分放大器(A3)的尾电流源的栅极均连接直流偏置电压(Vbias)。
2.根据权利要求1所述的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，其特征在于，所述的第一差分放大器(A1)、第二差分放大器(A2)和第三差分放大器(A3)结构相同，均包括有第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第三NMOS晶体管(M3)，其中，所述第一NMOS晶体管(M1)的栅极构成正向输入端(VIN1)，用于连接所述的正电流输入端(IN+)或前一级差分放大器的反向输出端，所述第二NMOS晶体管(M2)的栅极构成反向输入端，用于连接所述的负电流输入端(IN-)或前一级差分放大器的正向输出端，所述第一NMOS晶体管(M1)的源极构成反向输出端(VOUT1)用于连接下一级差分放大器的正向输入端或构成所述的负电压输出端(VO-)，所述第一NMOS晶体管(M1)的源极还通过第三电阻(R3)连接所述的电源VDD，所述第二NMOS晶体管(M2)的源极构成正向输出端(VOUT2)用于连接下一级差分放大器的反向输入端或构成所述的正电压输出端(VO+)，所述第二NMOS晶体管(M2)的源极还通过第四电阻(R4)连接所述的电源VDD，所述第一NMOS晶体管(M1)和第二NMOS晶体管(M2)的漏极共同连接第三NMOS晶体管(M3)的漏极，所述第三NMOS晶体管(M3)的源极构成地端接地(GND)，所述第三NMOS晶体管(M3)的栅极构成尾电流源的栅极连接所述的直流偏置电压(Vbias)。
3.根据权利要求2所述的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，其特征在于，所述第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第三NMOS晶体管(M3)的衬底均接地(GND)。
4.根据权利要求1所述的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，其特征在于，所述的第一直流电压偏移消除电路(DCOC1)和第二直流电压偏移消除电路(DCOC2)结构相同，均包括有第一PMOS晶体管(M10)，所述第一PMOS晶体管(M10)的源极连接所述的电源VDD，漏极(IOUT1)连接所对应的第二差分放大器(A2)的正向输入端或反向输入端，栅极通过一个电容(C1)接地(GND)，所述的栅极还通过一个电阻(R9)连接所对应的第三差分放大器(A3)的正电压输出端(VO+)或负电压输出端(VO-)。
5.根据权利要求4所述的基于标准CMOS工艺可见光通信的全差分跨阻抗放大器，其特征在于，所述的第一PMOS晶体管(M10)的衬底均接电源VDD。
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