CN113572434B - 跨阻放大器及光接收模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种跨阻放大器及光接收模组，包括：输入电感，放大模块及反馈模块；其中，所述输入电感的第一端作为所述跨阻放大器的光电流输入端，第二端连接所述放大模块的输入端；所述反馈模块的一端连接所述放大模块的输出端，另一端连接所述输入电感的第一端。本发明的跨阻放大器及光接收模组通过在跨阻放大器的输入端和放大器的输入端之间串联一个电感，用以补偿放大器的输入电容带来的带宽损失，使得总的输入等效节点电容减小，从而可以突破工艺限制，在电路层级拓展工艺本身器件（NMOS或PMOS）等的频率限制，提升光接收机带宽；同时避免了LC振铃问题。

Description

跨阻放大器及光接收模组
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种跨阻放大器及光接收模组。
背景技术
光通信就是以光波为载波的通信技术，其具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点，被越来越广泛应用于通信领域。
如图示1所示为光通信应用中常见的光接收机连接方式，光电二极管PD连接到跨 阻放大器TIA的输入端口，光电二极管PD产生电流信号给跨阻放大器TIA放大，并输出电压 信号；如图2所示为上述光接收机的等效电路。输入总电容Ctol满足：Ctol=Cpd+Cin，其中， Cpd为光电二极管PD的节电容，Cin为放大器的等效输入电容。光接收带宽f3dB满足：
Figure 590710DEST_PATH_IMAGE001
，其中，Zin为放 大器的输入阻抗，Rf为跨阻放大器TIA的跨阻增益， A0为放大器增益。
由此可见，光接收机带宽受到Cpd，Cin，Rf，A0的共同影响。Cpd受限于光电二极管 PD的工艺。减小跨阻放大器TIA的跨阻增益Rf虽然可以提升带宽，但会增大噪声信号，因此 Rf取值不能太小。集成电路工艺的特征频率ft满足：
Figure 507850DEST_PATH_IMAGE002
，其中，gm为跨导，与A0正 相关；A0与Cin在特定的传输速率要求下，取值受限于选定的芯片工艺和功耗，A0取值不能 太大，Cin也做不小。
基于上述情况，为了弥补工艺成本的限制，在不影响光接收机其它性能前提下，非常有必要改进传统跨阻放大器的电路架构，才能提升光接收机带宽，改善***传输性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种跨阻放大器及光接收模组，用于解决现有技术中光接收机带宽受限于工艺成本的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种跨阻放大器，所述跨阻放大器至少包括：
输入电感，放大模块及反馈模块；其中，
所述输入电感的第一端作为所述跨阻放大器的光电流输入端，第二端连接所述放大模块的输入端；
所述反馈模块的一端连接所述放大模块的输出端，另一端连接所述输入电感的第一端。
更可选地，所述放大模块为共源共栅结构。
更可选地，所述放大模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、负载及电流源；
所述第一NMOS管的源极接地、栅极作为所述放大模块的输入端、漏极连接所述第二NMOS管的源极；
所述第二NMOS管的栅极接收一预设电压，漏极作为所述放大模块的输出端并经由所述负载连接至电源电压；
所述第三NMOS管的漏极连接所述电源电压，栅极连接所述放大模块的输出端，源极经由所述电流源接地。
更可选地，所述负载包括串联的电阻及电感。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光接收模组，所述光接收模组至少包括：
光电探测器及上述跨阻放大器；
所述光电探测器的一端接收偏置电压，另一端连接所述跨阻放大器的光电流输入端。
可选地，所述光电探测器包括光电二极管，所述光电二极管的阴极连接所述偏置电压，所述光电二极管的阳极连接所述跨阻放大器的光电流输入端。
更可选地，所述光电二极管包括雪崩光电二极管。
更可选地，所述偏置电压与所述光电探测器之间还设置有滤波电路。
更可选地，所述跨阻放大器的总等效输入电容满足：
Figure 287587DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，Ctol_new为所述跨阻放大器的总等效输入电容，Cpd为所述光电探测器的节电容，L为所述跨阻放大器中输入电感的电感值，Cin为所述跨阻放大器中放大模块的等效输入电容。
更可选地，所述光接收模组的带宽满足：
Figure 869747DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，f3dB_new为所述光接收模组的-3dB带宽，Zin为所述放大模块的输入阻抗，Rf为所述跨阻放大器中反馈模块的跨阻增益，A0为所述放大模块的增益。
如上所述，本发明的跨阻放大器及光接收模组，具有以下有益效果：
本发明的跨阻放大器及光接收模组通过在跨阻放大器的输入端和放大器的输入端之间串联一个电感，用以补偿放大器的输入电容带来的带宽损失，使得总的输入等效节点电容减小，从而可以突破工艺限制，在电路层级拓展工艺本身器件（NMOS或PMOS）等的频率限制，提升光接收机带宽；同时避免了LC振铃问题。
附图说明
图1显示为现有技术中的光接收机的结构示意图。
图2显示为现有技术中的光接收机的等效电路示意图。
图3显示为一种拓展带宽的光接收机的结构示意图。
图4显示为图3的光接收机的等效电路示意图。
图5显示为本发明的光接收模组的等效电路示意图。
图6显示为本发明的放大模块的结构示意图。
图7显示为本发明的光接收模组的结构示意图。
图8显示为本发明的输入阻抗的示意图。
图9显示为未添加输入电感的光接收模组与本发明的光接收模组的阻抗曲线示意图。
图10显示为未添加输入电感的光接收模组与本发明的光接收模组的频率响应曲线示意图。
元件标号说明
1-跨阻放大器；2-跨阻放大器；21-放大模块；211-负载；22-反馈模块。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3~图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图3所示，为了拓展带宽，在光电二极管PD与跨阻放大器1之间直接串联一个电感L；如图4所示为图3光接收机的等效电路图，在所述跨阻放大器1的输入点形成LC谐振，进而实现对光接收机带宽的拓展。这种方法虽然可以将带宽做大，但是会引入较大的信号振铃，使得波形失真，从而会产生一定的误码率损失；对于多电平的调制信号（比如PAM4），眼图性能劣化更大，实用性较低。同时，该结构并未对核心放大器11及其等效输入电容Cin进行改进，因此，最大提升带宽仍然受限于选定的芯片工艺和功耗。
为此，本发明提供一种跨阻放大器及光接收模组，能有效拓展带宽，不受限于芯片工艺和功耗，同时能避免了LC振铃问题。
实施例一
如图5所示，本实施例提供一种跨阻放大器，所述跨阻放大器2包括：输入电感Lin，放大模块21及反馈模块22，所述输入电感Lin的第一端作为所述跨阻放大器2的光电流输入端，第二端连接所述放大模块21的输入端。所述反馈模块22的一端连接所述放大模块21的输出端，另一端连接所述输入电感Lin的第一端。
具体地，在本实施例中，所述放大模块21为共源共栅结构。作为示例，如图6所示，所述放大模块21包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、负载211及电流源I1。所述第一NMOS管NM1的源极接地Gnd、栅极作为所述放大模块21的输入端（连接输入电压Vin，即所述输入电感Lin第二端的电压）、漏极连接所述第二NMOS管NM2的源极。所述第二NMOS管NM2的栅极接收一预设电压Vcom，漏极作为所述放大模块21的输出端并经由所述负载211连接至电源电压VDD；在本实施例中，所述负载211包括串联的电阻Rload及电感Lload，所述电阻Rload的一端连接所述第二NMOS管NM2的漏极，另一端经由所述电感Lload连接所述电源电压VDD；在实际使用中，可根据需要设置所述负载211的电路结构，不以本实施例为限。所述第三NMOS管NM3的漏极连接所述电源电压VGG，栅极连接所述放大模块21的输出端，源极经由所述电流源I1接地。在实际使用中，可根据实际需要设置所述放大模块21的结构，在此不一一赘述。
需要说明的是，所述放大模块21的等效输入电容Cin（实际不存在）位于所述放大模块21的输入端，上极板连接所述第一NMOS管NM1的栅极，下极板接地Gnd。
实施例二
如图7所示，本实施例提供一种光接收模组，所述光接收模组包括：光电探测器PD及所述跨阻放大器2。所述光电探测器的一端接收偏置电压Vpd，另一端连接所述跨阻放大器2的光电流输入端PINA。
具体地，所述光电探测器包括光电二极管PD，所述光电二极管PD的阴极连接所述偏置电压Vpd，所述光电二极管PD的阳极连接所述跨阻放大器2的光电流输入端PINA。所述光电二极管PD优选为雪崩光电二极管APD，通过雪崩光电二极管APD的光电效应，能得到较大的电流信号。在实际使用中，任意可实现光电探测的器件均适用本发明，在此不一一赘述。
具体地，作为本发明的另一种实现方式，所述偏置电压Vpd与所述光电探测器之间还设置有滤波电路（图中未显示）。作为示例，所述滤波电路包括滤波电容及滤波电阻；所述滤波电阻串联于所述偏置电压Vpd与所述光电探测器之间；所述滤波电容的一端连接于所述滤波电阻与所述光电探测器的连接节点，另一端接地；在实际使用中，任意滤波电路结构均适用于本发明，不以本实施例为限。
如图5所示，为所述光接收模组的等效电路图。所述输入电感Lin连接于所述跨阻放大器2的输入端与所述放大模块21的输入端之间，所述输入电感Lin用于补偿所述放大模块21的等效输入电容Cin带来的带宽损失。所述跨阻放大器2的总等效输入电容满足：
Figure 684120DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，Ctol_new为所述跨阻放大器2的总等效输入电容，Cpd为光电二极管PD的节电容，L为所述输入电感Lin的电感值，Cin为所述放大模块21的等效输入电容。所述光接收模组的带宽满足：
Figure 444265DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，f3dB_new为所述光接收模组的-3dB带宽，Zin为所述放大模块21的输入阻抗，Rf为所述反馈模块22的跨阻增益，A0为所述放大模块21的增益。由此可见，本发明的跨阻放大器2的总输入电容Ctol_new减小，光接收模组的带宽f3dB_new增大；因此，本发明的跨阻放大器及光接收模组通过改进了所述跨阻放大器2的总输入电容，可以突破工艺限制，提升核心放大模块的带宽，进而在电路层级极大地拓宽了光接收模组的带宽；同时本发明的跨阻放大器2的电路架构避免了电感峰化技术带来的LC振铃问题，误码率低，实用性高。
具体地，本发明通过添加所述输入电感Lin，改变了从所述跨阻放大器2的输入节点到所述放大模块21的等效阻抗。在添加所述输入电感Lin之前，所述放大模块21输入阻抗为1/SC，呈现容性。如图8所示，当添加所述输入电感Lin之后，等效的输入阻抗变为SL+1/SC，在低频时，等效阻抗为容性，随着频率更高，输入阻抗变为感性。如图9所示，其中，虚线为未添加所述输入电感Lin的阻抗曲线，实线为添加500pH所述输入电感Lin的阻抗曲线，当添加所述输入电感Lin后，在5GHz处的阻抗容性变小10%，在10GHz处的容性阻抗变小40%，在20GHz处的阻抗由容性变为感性，可见等效输入电容随着频率的增大不断减小。根据***需求，把LC谐振点设定为远大于接收***所需的带宽，此时在***带宽内，LC等效阻抗依然为容性，只是随着频率电容特征减小。
采用本发明的跨阻放大器2的拓扑结构搭建实际电路，如图6所示，采用传统的共源共栅（cascode）电路作为放大模块，负载选用电感Lload补偿，光电二极管的节电容Cpd设定为200f，跨阻放大器的跨阻增益Rf设定为500，放大模块的增益A0=25。如图10所示，其中，虚线为未添加所述输入电感Lin的光接收机的频率响应曲线，实线为添加所述输入电感Lin的光接收机的频率响应曲线，不添加所述输入电感Lin时的-3dB带宽为10.5GHz，当添加所述输入电感Lin（电感L=300p）时的带宽为13.7GHz，可见，总体带宽提升了30%。所以通过选择合适电感值的所述输入电感Lin，可以较大拓展光接收机带宽，从而提升***传输性能。
本发明通过引入所述输入电感Lin到跨阻放大器领域，可以较大提升受限于光电二极管和集成电路工艺的光接收机带宽；在不增加额外的功耗，可以较大程度的弥补工艺和成本限制造成的性能受限，极具实用价值。
综上所述，本发明供一种跨阻放大器及光接收模组，包括：输入电感，放大模块及反馈模块；其中，所述输入电感的第一端作为所述跨阻放大器的光电流输入端，第二端连接所述放大模块的输入端；所述反馈模块的一端连接所述放大模块的输出端，另一端连接所述输入电感的第一端。本发明的跨阻放大器及光接收模组通过在跨阻放大器的输入端和放大器的输入端之间串联一个电感，用以补偿放大器的输入电容带来的带宽损失，使得总的输入等效节点电容减小，从而可以突破工艺限制，在电路层级拓展工艺本身器件（NMOS或PMOS）等的频率限制，提升光接收机带宽；同时避免了LC振铃问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，所述跨阻放大器至少包括：
输入电感，放大模块及反馈模块；其中，
所述输入电感的第一端作为所述跨阻放大器的光电流输入端，第二端连接所述放大模块的输入端；
所述反馈模块的一端连接所述放大模块的输出端，另一端连接所述输入电感的第一端。
2.根据权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于：所述放大模块为共源共栅结构。
3.根据权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于：所述放大模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、负载及电流源；
所述第一NMOS管的源极接地、栅极作为所述放大模块的输入端、漏极连接所述第二NMOS管的源极；
所述第二NMOS管的栅极接收一预设电压，漏极作为所述放大模块的输出端并经由所述负载连接至电源电压；
所述第三NMOS管的漏极连接所述电源电压，栅极连接所述放大模块的输出端，源极经由所述电流源接地。
4.根据权利要求3所述的跨阻放大器，其特征在于：所述负载包括串联的电阻及电感。
5.一种光接收模组，其特征在于，所述光接收模组至少包括：
光电探测器及如权利要求1-4任意一项所述的跨阻放大器；
所述光电探测器的一端接收偏置电压，另一端连接所述跨阻放大器的光电流输入端。
6.根据权利要求5所述的光接收模组，其特征在于：所述光电探测器包括光电二极管，所述光电二极管的阴极连接所述偏置电压，所述光电二极管的阳极连接所述跨阻放大器的光电流输入端。
7.根据权利要求6所述的光接收模组，其特征在于：所述光电二极管包括雪崩光电二极管。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的光接收模组，其特征在于：所述偏置电压与所述光电探测器之间还设置有滤波电路。
9.根据权利要求5-7任意一项所述的光接收模组，其特征在于：所述跨阻放大器的总等效输入电容满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，Ctol_new为所述跨阻放大器的总等效输入电容，Cpd为所述光电探测器的节电容，L为所述跨阻放大器中输入电感的电感值，Cin为所述跨阻放大器中放大模块的等效输入电容。
10.根据权利要求9所述的光接收模组，其特征在于：所述光接收模组的带宽满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，f3dB_new为所述光接收模组的-3dB带宽，Zin为所述放大模块的输入阻抗，Rf为所述跨阻放大器中反馈模块的跨阻增益，A0为所述放大模块的增益。
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