CN110098814A - 一种跨阻放大器的自动增益方法与电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跨阻放大器的自动增益方法，通过另设一路输入电流分流路径，在输入电流增大时，电流分流路径逐渐开启，部分输入电流从所述电流分流路径流过，使得流过反馈电阻RF的电流部分减小。本发明根据上述的方法还提供了一种跨阻放大器的自动增益电路。上述的一种跨阻放大器的自动增益方法和电路，可应用在各种跨阻放大器中的自动增益控制电路中，尤其是高速率、高带宽的跨阻放大器中，电路结构新颖、简洁，可靠性高。

Description

一种跨阻放大器的自动增益方法与电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及跨阻放大器。

背景技术

在现代高速光纤通信***中，跨阻放大器TIA扮演着把光电二极管生成的微弱光电流信号转化并放大为电压信号，并输出给后续的电路进行处理。因此TIA处于接收端最前沿，是光通信***接收端的核心器件，其噪声、灵敏度、动态范围、灵敏度等核心指标基本决定了整个接收***的性能。

典型的跨阻放大器电路的核心指标包括跨阻Z_T、带宽f_-3dB、等效输入噪声I_IN、输入阻抗R_IN等，同时实际的商用的跨阻放大器电路是比较复杂的，多是多极点***，其中主要关注的是主极点ω_p1及次极点ω_p2。

除此之外，输入动态范围也是一项重要指标，其定义为饱和输入光功率与灵敏度的差值。饱和输入光功率和灵敏度分别定义为在一定可允许误码率范围内的最大和最小输入光功率。灵敏度主要由等效输入噪声决定，等效输入噪声越小，则灵敏度指标越高；而饱和输入光功率主要由输出信号的脉宽失真等因素决定。从上述公式可看出，要取得比较良好的灵敏度指标，需要在带宽允许的前提下，将跨阻即R_F值尽量做大，而跨阻越大，则饱和输入光功率则越小。

在实际应用的跨阻放大器中通常都会加入自动增益控制(Automatic GainControl,AGC)电路来解决这个问题。即在较小输入光功率时，保持大跨阻；在较大输入光功率时，自动调节减小跨阻，使得输出信号不会产生过大的脉宽失真，从而拓宽动态范围。

AGC功能通常采用一个可调的有源电阻与反馈电阻并联来实现对跨阻的调节。有两种常用的方法来检测输入光功率是否过大到会导致输出产生过大的脉宽失真，一是检测TIA的交流输出幅度，如图1所示；二是检测TIA的输出直流电平变化，如图2所示。

这两种方式都是通过直接调节反馈电阻的阻值，进而调节跨阻值来实现自动增益调节的。但这种方式，改变反馈电阻后，在输入端的主极点ω_p1也会被改变，随着输入信号逐步增大，反馈电阻R_F值逐步变小，主极点ω_p1则逐步向远离原点位置，即向高频位置移动，而次极点ω_p2则基本维持不变，因此主极点逐步靠近次极点。在较低带宽的跨阻放大器设计中，由于搭配应用的光电二极管的结电容一般较大，即C_IN较大，同时反馈电阻R_F也很大，因而主极点ω_p1频率是比较低，主极点离次极点相隔较远。因此，虽然随着自动增益调节后，主极点向次极点移动，但两个节点仍能保持较远的距离，不会产生严重的稳定性问题。而在高速，超高速，如10Gbps/25Gbps或以上速率的跨阻放大器设计中，C_IN/R_F都不能设计得太大，因此主极点距离次极点位置是比较近的，当自动增益控制环路调整了R_F值后，主极点逐渐靠近次极点，将会产生严重的稳定性问题，呈现为幅频曲线在高频处产生极大的峰值，反馈环路的稳定性阈值下降，产生谐振或震荡，严重影响高速信号质量。因此，传统的这些自动增益控制技术不再适用于高带宽的跨阻放大器应用。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种跨阻放大器的自动增益方法和电路，可应用在各种跨阻放大器中的自动增益控制电路中，尤其是高速率、高带宽的跨阻放大器中，电路结构新颖、简洁，可靠性高。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种跨阻放大器的自动增益方法，另设一路输入电流分流路径，在输入电流增大时，电流分流路径逐渐开启，部分输入电流从所述电流分流路径流过，使得流过反馈电阻RF的电流部分减小。

本发明还提供了一种跨阻放大器的自动增益电路，包括nMOS管N0，其漏极接在跨阻放大器的输入端，源极接在一个低交流阻抗电压节点Vinb模块上，Vinb模块的电压值接近但略低于跨阻放大器的输入端电压Vin；

跨阻放大器的输出端接入一个信号强度检测模块，用于检测感知跨阻放大器的输入信号强度，并转化为一个直流电压信号，再输入到一个反馈运放OP的反相输入端。反馈运放OP的同相输入端则接在一个参考电压VREF上；反馈运放OP的输出端则接在N0的栅极上。

当跨阻放大器的输入电流信号较小时，运放OP的反相输入端电压高于参考电压VREF，运放OP输出低电平，N0处于关断状态，输入电流只通过反馈电阻R_F流通；

当输入电流信号逐步增大时，运放OP的反相输入端的电压逐步降低，运放OP输出的电压逐步升高，N0逐步开启导通；输入电流的部分交流分量和直流分量通过NO分流。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提出了一种跨阻放大器的自动增益电路，不调节改变反馈电阻RF，而是通过另设一路输入电流分流路径，在输入电流较大时，自动逐步开启该路径，分流掉部分输入电流(包括直流分量与交流分量)，使得流过反馈电阻RF的电流部分减小了，从而避免了跨阻放大器的输出信号产生严重的脉宽失真。

附图说明

图1现有技术中基于检测交流输出幅度的AGC原理结构

图2现有技术中基于检测输出直流电平的AGC原理结构

图3为本发明优选实施例中的原理示意图；

图4为本发明优选实施例的电路图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种跨阻放大器的自动增益方法，另设一路输入电流分流路径，在输入电流增大时，电流分流路径逐渐开启，部分输入电流从所述电流分流路径流过，使得流过反馈电阻RF的电流部分减小。

具体来说，参考图3，一种跨阻放大器的自动增益电路，包括nMOS管N0，其漏极接在跨阻放大器的输入端，源极接在一个低交流阻抗电压节点Vinb模块上，Vinb模块的电压值接近但略低于跨阻放大器的输入端电压Vin；

跨阻放大器的输出端接入一个信号强度检测模块，用于检测感知跨阻放大器的输入信号强度，并转化为一个直流电压信号，再输入到一个反馈运放OP的反相输入端。反馈运放OP的同相输入端则接在一个参考电压VREF上；反馈运放OP的输出端则接在N0的栅极上。

当跨阻放大器的输入电流信号较小时，运放OP的反相输入端电压高于参考电压VREF，因此其输出电压将为低电平，N0处于关闭状态，其导通电阻巨大，因此输入电流只通过反馈电阻R_F流通。

当输入电流信号逐步增大时，OP反相输入端的电压将逐步降低，其输出电压逐步升高，N0也将逐步开启导通。由于N0的漏极、源极电压接近，即其V_DS很小，因此N0将处于深线性区，其导通电阻、导通电流可推导为：

当N0的V_GS电压大于阈值电压V_TH后，其逐步导通，导通电阻由V_GS决定，但流过的电流由V_GS和V_DS决定。因此当输入电流恒定后，反馈运放OP的输出电压经过反馈环路调整后会稳定在一个最终值，因此N0的V_GS也将保持恒定，I_D值由V_DS决定。但输入电流为交流信号时，则V_DS＝V_in-V_inb，也是交流信号，因此流过N0的电流I_D也是交流信号。因此，最终在整个自动增益控制环路自动调节并稳定后，N0分流掉了部分输入电流的直流分量和交流分量。

进一步参考图4，图4提供了一个完整的跨阻放大器的电路图，NMOS管N0/N1/N2、电阻R0、尾电流I0、反馈电阻R_F构成了常见的一种跨阻放大器结构。NMOS管N3的源极接地，栅漏极相连接，并与NMOS管N4的源极相接，N4的栅极由电压Vb4偏置，其漏极与电阻R1的一端相接，R1的另一端接到电源。跨阻放大器的输出端经过RC滤波器(R2/C0)抽取出共模电压输入到运放OP的反相输入端，运放的同相输入端由参考电压VREF所偏置。NMOS管N5的漏极接在跨阻放大器的输入端(即节点Vin)，源极接到N3的栅极(即节点Vinb)，栅极接到OP的输出端。

通过适当的设计，可以使得Vinb略低于Vin，VREF小于跨阻放大器无输入时的输出共模电压Vout_noinput。因此，当输入电流I_IN较小时，跨阻放大器的输出共模电压Vout是大于VREF的，因此运放OP输出电压为低电压，N5为关断状态；当输入电流逐步增大，输出共模电平Vout则逐步减小，运放OP输出电压则逐步增大，当增大到大于V_{TH_N5}+Vinb时，N5逐步开启，开始部分分流掉输入电流的交流、直流分量，最终使得跨阻放大器的输出共模电平被钳制在VREF值左右，输出信号幅度也被相应钳制在一定范围内，避免了产生严重的脉宽失真问题。

除了本实施例外，跨阻放大器的结构还可以是其它的各种结构，包括bipolar工艺的。对信号强度的检测，除了通过检测输出节点的共模信号，还可以是其它的多种办法，比如通过检测输出信号的幅度值，通过检波电路，将输出交流信号的幅度值转化直流值，再与参考值进行比较判别等。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (2)

1.一种跨阻放大器的自动增益方法，其特征在于：另设一路输入电流分流路径，在输入电流增大时，电流分流路径逐渐开启，部分输入电流从所述电流分流路径流过，使得流过反馈电阻RF的电流部分减小。

2.一种跨阻放大器的自动增益电路，其特征在于：包括nMOS管N0，其漏极接在跨阻放大器的输入端，源极接在一个低交流阻抗电压节点Vinb模块上，Vinb模块的电压值接近但略低于跨阻放大器的输入端电压Vin；

跨阻放大器的输出端接入一个信号强度检测模块，用于检测感知跨阻放大器的输入信号强度，并转化为一个直流电压信号，再输入到一个反馈运放OP的反相输入端。反馈运放OP的同相输入端则接在一个参考电压VREF上；反馈运放OP的输出端则接在N0的栅极上。

当跨阻放大器的输入电流信号较小时，运放OP的反相输入端电压高于参考电压VREF，运放OP输出低电平，N0处于关断状态，输入电流只通过反馈电阻R_F流通；

当输入电流信号逐步增大时，运放OP的反相输入端的电压逐步降低，运放OP输出的电压逐步升高，N0逐步开启导通；输入电流的部分交流分量和直流分量通过NO分流。