CN114679142A - 直流恢复模块及光电检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流恢复模块及光电检测电路，包括：跨导运算放大器，接收跨阻放大器的输出信号，将所述跨阻放大器的输出信号与参考信号的电压差放大输出；电流镜，接收所述跨导运算放大器的输出信号，并以设定比例镜像输出至所述跨阻放大器的输入端，进而消除光信号检测模块输出信号中的直流电流分量对所述跨阻放大器的影响。本发明的直流恢复模块及光电检测电路通过直流恢复模块消除直流电流分量对电路整体性能的干扰影响；同时利用跨导运算放大器和电流镜的组合减小电流镜输出漏电流对低频截止频率的影响，进而减小光电检测电路的频率响应变化。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种直流恢复模块及光电检测电路。
背景技术
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量，它可通过光学***把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的；然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。光电检测技术在非电量检测领域的应用越来越广泛。
光电检测器是光电检测技术的前端核心部分，其将光信号转换为电信号并初步放大后输出给后级电路进行信号处理，光电检测器的性能直接影响检测结果的准确性。因此，如何提高光电检测器的性能以成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
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直流恢复模块及光电检测电路，用于解决现有技术中光电检测器的性能不够优越的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直流恢复模块，所述直流恢复模块至少包括：
跨导运算放大器，接收跨阻放大器的输出信号，将所述跨阻放大器的输出信号与参考信号的电压差放大输出；
电流镜，接收所述跨导运算放大器的输出信号，并以设定比例镜像输出至所述跨阻放大器的输入端，进而消除所述跨阻放大器输入信号中的直流电流分量对所述跨阻放大器的影响。
可选地，所述跨导运算放大器包括第一级放大单元及第二级放大单元；
所述第一级放大单元采用差分输入单端输出结构，差分输入端分别接收所述跨阻放大器的输出信号及所述参考信号，并将所述跨阻放大器的输出信号与所述参考信号的差值放大输出；
所述第二级放大单元连接所述第一级放大单元的输出端，将所述第一级放大单元的输出信号进一步放大输出。
更可选地，所述第一级放大单元包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管及第二PMOS管；
所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的源极经由所述第三NMOS管接地，所述第三NMOS管的栅极连接偏置电压；所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的栅极作为所述第一级放大单元的差分输入端；所述第一NMOS管的漏极连接所述第一PMOS管的漏极及栅极，所述第一PMOS管的源极连接电源电压；所述第二PMOS管的源极连接所述电源电压，栅极连接所述第一PMOS管的栅极，漏极连接所述第二NMOS管的漏极并作为所述第一级放大单元的输出端。
更可选地，所述第一级放大单元还包括低通滤波器，所述低通滤波器连接于所述跨阻放大器的输出端与所述跨导运算放大器的输入端之间。
更可选地，所述第二级放大单元包括第三PMOS管及第四NMOS管；
所述第三PMOS管的源极连接电源电压，栅极连接所述第一级放大单元的输出端，漏极经由所述第四NMOS管接地，所述第四NMOS管的栅极连接偏置电压；所述第三PMOS管的漏极作为所述第二级放大单元的输出端。
更可选地，所述跨导运算放大器还包括频率补偿单元，所述频率补偿单元连接于所述第三PMOS管的栅极和漏极之间；所述频率补偿单元包括串联的第一电阻及第一电容。
更可选地，所述电流镜包括第五NMOS管及第六NMOS管；所述第五NMOS管的漏极和栅极连接所述跨导运算放大器的输出端，源极接地；所述第六NMOS管的栅极连接所述第五NMOS管的栅极，源极接地，漏极连接所述跨阻放大器的输入端。
更可选地，所述第五NMOS管与所述第六NMOS管的尺寸比值为1：N，N为大于1的实数。
更可选地，所述直流恢复模块的低频截止频率满足如下关系式：
其中，BWLF为所述直流恢复模块的低频截止频率，IDn4为所述第四NMOS的漏电流，IDn6为所述第六NMOS管的漏电流。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种光电检测电路，所述光电检测电路至少包括：
光信号检测模块、跨阻放大器及上述直流恢复模块；
所述光信号检测模块接收光信号，并将所述光信号转换为电流信号；
所述跨阻放大器连接于所述光信号检测模块的输出端，将电流信号转化为电压信号，并放大输出；所述跨阻放大器包括核心放大器及反馈电阻，所述反馈电阻连接于所述核心放大器的输入端和输出端之间，用于将所述核心放大器输出电压分量反馈至所述跨阻放大器的输入端；
所述直流恢复模块的输入端连接所述跨阻放大器的输出端，所述直流恢复模块的输出端连接所述跨阻放大器的输入端，通过分流所述光信号检测模块输出的直流电流分量消除其对所述跨阻放大器的影响。
如上所述，本发明的直流恢复模块及光电检测电路，具有以下有益效果：
本发明的直流恢复模块及光电检测电路通过直流恢复模块消除直流电流分量对电路整体性能的干扰影响；同时利用跨导运算放大器和电流镜的组合减小电流镜输出漏电流对低频截止频率的影响，进而减小光电检测电路的频率响应变化。
附图说明
图1显示为的运算放大器级联单NMOS驱动管形式的直流恢复模块的结构示意图。
图2显示为本发明的跨导放大器级联比例电流镜形式的直流恢复模块的结构示意图。
图3显示为本发明的跨导运算放大器的结构示意图。
图4显示为本发明的光电检测电路的结构示意图。
图5显示为采用本发明的直流恢复模块的跨导放大器输出信号的静态工作点直流响应示意图。
图6显示为采用本发明的直流恢复模块的跨导放大器输出信号的频率响应示意图。
元件标号说明
1 跨阻放大器
11 核心放大器
12 反馈电阻
2 直流恢复模块
2a 运算放大器
2b NMOS驱动管
21 跨导运算放大器
211 第一级放大单元
211a 低通滤波器
212 第二级放大单元
213 偏置电压产生单元
214 频率补偿单元
22 电流镜
3 光信号检测模块
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1～图6。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。
光电检测器的输出信号包含交流电流和直流电流两种分量，其中，交流电流分量流过反馈电阻Rf后，由跨阻放大器(TIA，transimpedance differential amplifier)将其转换、放大成交流电压信号。但是如果其直流电流分量也进入反馈电阻Rf，则会在反馈电阻Rf上产生直流压降，特别是直流电流分量或反馈电阻阻值较大时，将显著改变跨阻放大器的输出电压的静态工作点，造成电路性能的下降，甚至可能导致跨阻放大器无法正常工作。因此引入附加的反馈电路结构——直流恢复(DC restore)模块，尽量消除直流电流分量对电路整体性能的干扰影响。
如图1所示为一种采用运算放大器(OPA，Operational Amplifier)级联单NMOS驱动管形式的直流恢复模块2。其中，运算放大器2a的反相输入端连接跨阻放大器1的输出端，正相输入端连接一参考信号Vref；NMOS驱动管2b的栅极连接所述运算放大器2a的输出端，源极接地，漏极连接跨阻放大器1的输入端。图1中跨阻增益满足如下关系式：
其中，Vout为跨阻放大器1的输出电压，Iin为跨阻放大器1的输入电流，Rf为反馈电阻的阻值，gm0为NMOS驱动管2b的跨导，A0(s)为运算放大器2a的电压传递函数。
当A0(s)用一阶***近似时，
其中，A0为运算放大器2a的低频增益，p1为运算放大器2a的主极点。
将式(2)代入式(1)后得到：
由式3)可以看出引入直流恢复模块的TIA跨阻增益具有高通滤波器特征，可以抑制低频信号，其低频截止频率满足：
其中，μn为NMOS驱动管2b的沟道表面迁移率，Cox为NMOS驱动管2b的栅氧化层单位面积电容，W0为NMOS驱动管2b的沟道宽度，L0为NMOS驱动管2b的沟道长度，ID0为NMOS驱动管2b的漏电流。
将式(5)代入式(4)后可得：
但这种结构存在一个缺陷，当ID0随着光电检测器的平均输出功率而在几十微安至三毫安的量级之间变化近百倍时，BWLF1也将随着ID0变化近10倍左右，进而影响***的频率响应。
为了克服对***频率响应的影响，本实施例提出一种基于跨导放大器(OTA，operational transconductance amplifier)级联比例电流镜形式的直流恢复模块2，所述直流恢复模块2包括：
跨导运算放大器21及电流镜22。
如图2所示，所述跨导运算放大器21接收跨阻放大器1的输出信号，将所述跨阻放大器1的输出信号Vout与参考信号Vref的电压差放大输出。
具体地，如图3所示，所述跨导运算放大器21包括第一级放大单元211及第二级放大单元212。所述第一级放大单元211采用差分输入单端输出结构，差分输入端分别接收所述跨阻放大器1的输出信号Vout及所述参考信号Vref，并将所述跨阻放大器1的输出信号Vout与所述参考信号Vref的差值放大输出。所述第二级放大单元212连接所述第一级放大单元211的输出端，将所述第一级放大单元211的输出信号进一步放大输出。
更具体地，如图3所示，所述第一级放大单元211包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1及第二PMOS管MP2。作为示例，所述第一级放大单元211还包括偏置电压产生单元213，所述偏置电压产生单元213包括电流源I1及第七NMOS管MN7；所述电流源I1的一端连接电源电压VDD，另一端连接所述第七NMOS管MN7的漏极和栅极，并输出偏置电压；所述第七NMOS管MN7的源极接地。所述第一NMOS管MN1及所述第二NMOS管MN2的源极经由所述第三NMOS管MN3接地，所述第三NMOS管MN3的栅极连接所述偏置电压(所述第七NMOS管MN7与所述第三NMOS管MN3构成电流镜结构)；所述第一NMOS管MN1及所述第二NMOS管MN2的栅极作为所述第一级放大单元211的差分输入端，作为示例，所述第一NMOS管MN1的栅极作为反相输入端，所述第二NMOS管MN2的栅极作为正相输入端，在实际使用中可根据需要设置对应的极性，不以本实施例为限；所述第一NMOS管MN1的漏极连接所述第一PMOS管MP1的漏极及栅极，所述第一PMOS管MP1的源极连接电源电压VDD；所述第二PMOS管MP2的源极连接所述电源电压VDD，栅极连接所述第一PMOS管MP1的栅极，漏极连接所述第二NMOS管MN2的漏极并作为所述第一级放大单元211的输出端。
作为本发明的另一种实现方式，如图3所示，所述第一级放大单元211还包括低通滤波器211a，所述低通滤波器211a连接于所述跨阻放大器1的输出端与所述跨导运算放大器21的输入端之间。在本实施例中，所述低通滤波器211a对所述跨阻放大器1的输出信号做低通滤波，并将低通滤波后的信号传输至所述跨导运算放大器21的反相输入端。
更具体地，如图3所示，所述第二级放大单元212包括第三PMOS管MP3及第四NMOS管MN4。所述第三PMOS管MP3的源极连接电源电压VDD，栅极连接所述第一级放大单元211的输出端，漏极经由所述第四NMOS管MN4接地，所述第四NMOS管MN4的栅极连接所述偏置电压(所述第七NMOS管MN7与所述第四NMOS管MN4构成电流镜结构)；所述第三PMOS管MP3的漏极作为所述第二级放大单元212的输出端。
作为本发明的一种实现方式，如图3所示，所述跨导运算放大器21还包括频率补偿单元214，所述频率补偿单元214连接于所述第三PMOS管MP3的栅极和漏极之间。所述频率补偿单元214包括串联的第一电阻R1及第一电容C1；作为示例，所述第一电阻R1的一端连接所述第三PMOS管MP3的栅极，另一端连接经由所述第一电容C1连接所述第三PMOS管MP3的漏极。
如图2所示，所述电流镜22接收所述跨导运算放大器21的输出信号，并以设定比例镜像输出至所述跨阻放大器1的输入端，进而消除所述跨阻放大器1输入信号(即光信号检测模块输出的电流信号)中的直流电流分量对所述跨阻放大器1的影响。
具体地，如图3所示，所述电流镜22包括第五NMOS管MN5及第六NMOS管MN6。所述第五NMOS管MN5的漏极和栅极连接所述跨导运算放大器21的输出端，源极接地；所述第六NMOS管MN6的栅极连接所述第五NMOS管MN5的栅极，源极接地，漏极连接所述跨阻放大器1的输入端。
作为本发明的一种实现方式，如图3所示，所述第五NMOS管MN5与所述第六NMOS管MN6的尺寸比值(所述第五NMOS管MN5及所述第六NMOS管MN6均为单个器件，尺寸比为两个器件的宽长比比例；或所述第五NMOS管MN5及所述第六NMOS管MN6的宽长比相同，尺寸比为并联器件的数量比)为1：N，N为大于1的实数。
图2中跨阻增益满足如下关系式：
其中，Rf为反馈电阻，gmp3为第三PMOS管MP3的跨导，A1(s)为所述第一级放大单元211内电压从反相输入端Vin-至输出端Vout1的整体传递函数。
当A1(s)用一阶***近似时，
其中，A1为A1(s)的低频增益，p1为A1(s)主极点。
其低频截止频率满足如下关系式：
其中，μp为所述第三PMOS管MP3的沟道表面迁移率，Cox为所述第三PMOS管MP3的栅氧化层单位面积电容，Wp3为所述第三PMOS管MP3的沟道宽度，Lp3为所述第三PMOS管MP3的沟道长度，IDp3为所述第三PMOS管MP3的漏电流，IDn4为所述第四NMOS管MN4的漏电流，IDn6为所述第六NMOS管MN6的漏电流。
将式(11)代入式(10)后可得：
本发明通过比例电流镜的方式，使得驱动电流IDn6对BWLF2的权重影响大为削弱，BWLF2的变化范围可以保持在一个较小范围内。
如图4所示，本实施例还提供一种光电检测电路，所述光电检测电路至少包括：
光信号检测模块3、跨阻放大器1及直流恢复模块2。
如图4所示，所述光信号检测模块3接收光信号，并将所述光信号转换为电流信号。
如图4所示，所述跨阻放大器1连接于所述光信号检测模块3的输出端，将电流信号转化为电压信号，并放大输出。
具体地，所述跨阻放大器1包括核心放大器11及反馈电阻12(即Rf)，所述反馈电阻12连接于所述核心放大器11的输入端和输出端之间，用于将所述核心放大器11输出的电压分量反馈至所述核心放大器11的输入端。
如图4所示，所述直流恢复模块2的输入端连接所述跨阻放大器1的输出端，所述直流恢复模块2的输出端连接所述跨阻放大器1的输入端，通过分流所述光信号检测模块3输出的直流电流分量消除所述直流电流分量对所述跨阻放大器1的影响。
具体地，所述跨阻放大器1、所述反馈电阻Rf及所述直流恢复模块2的具体连接关系、原理参见图2-图3及上文，在此不一一赘述。
采用本实施例图2的直流恢复模块2后，跨阻放大器1输出信号Vout的静态工作点非常稳定，如图5所示；同时低频截止频率BWLF2的变化范围可限制在2倍以内，***的频率响应变化仅为6KHz，不影响光电检测器的输出高频交流信号分量的传输，其中各条曲线由下至上依次对应输入电流Iin为0.003、0.002、0.001、0.0005、0.0001(单位A)，如图6所示。
本发明的直流恢复模块及光电检测电路通过直流恢复模块消除直流电流分量对电路整体性能的干扰影响；同时利用跨导运算放大器和电流镜的组合减小电流镜输出漏电流对低频截止频率的影响，进而减小光电检测电路的频率响应变化。
综上所述，本发明提供一种直流恢复模块及光电检测电路，包括：跨导运算放大器，接收跨阻放大器的输出信号，将所述跨阻放大器的输出信号与参考信号的电压差放大输出；电流镜，接收所述跨导运算放大器的输出信号，并以设定比例镜像输出至所述跨阻放大器的输入端，进而消除所述跨阻放大器输入信号中的直流电流分量对所述跨阻放大器的影响。本发明的直流恢复模块及光电检测电路通过直流恢复模块消除直流电流分量对电路整体性能的干扰影响；同时利用跨导运算放大器和电流镜的组合减小电流镜输出漏电流对低频截止频率的影响，进而减小光电检测电路的频率响应变化。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)
1.一种直流恢复模块，其特征在于，所述直流恢复模块至少包括：
跨导运算放大器，接收跨阻放大器的输出信号，将所述跨阻放大器的输出信号与参考信号的电压差放大输出；
电流镜，接收所述跨导运算放大器的输出信号，并以设定比例镜像输出至所述跨阻放大器的输入端，进而消除所述跨阻放大器输入信号中的直流电流分量对所述跨阻放大器的影响。
2.根据权利要求1所述的直流恢复模块，其特征在于：所述跨导运算放大器包括第一级放大单元及第二级放大单元；
所述第一级放大单元采用差分输入单端输出结构，差分输入端分别接收所述跨阻放大器的输出信号及所述参考信号，并将所述跨阻放大器的输出信号与所述参考信号的差值放大输出；
所述第二级放大单元连接所述第一级放大单元的输出端，将所述第一级放大单元的输出信号进一步放大输出。
3.根据权利要求2所述的直流恢复模块，其特征在于：所述第一级放大单元包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管及第二PMOS管；
所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的源极经由所述第三NMOS管接地，所述第三NMOS管的栅极连接偏置电压；所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的栅极作为所述第一级放大单元的差分输入端；所述第一NMOS管的漏极连接所述第一PMOS管的漏极及栅极，所述第一PMOS管的源极连接电源电压；所述第二PMOS管的源极连接所述电源电压，栅极连接所述第一PMOS管的栅极，漏极连接所述第二NMOS管的漏极并作为所述第一级放大单元的输出端。
4.根据权利要求2或3所述的直流恢复模块，其特征在于：所述第一级放大单元还包括低通滤波器，所述低通滤波器连接于所述跨阻放大器的输出端与所述跨导运算放大器的输入端之间。
5.根据权利要求3所述的直流恢复模块，其特征在于：所述第二级放大单元包括第三PMOS管及第四NMOS管；
所述第三PMOS管的源极连接电源电压，栅极连接所述第一级放大单元的输出端，漏极经由所述第四NMOS管接地，所述第四NMOS管的栅极连接偏置电压；所述第三PMOS管的漏极作为所述第二级放大单元的输出端。
6.根据权利要求5所述的直流恢复模块，其特征在于：所述跨导运算放大器还包括频率补偿单元，所述频率补偿单元连接于所述第三PMOS管的栅极和漏极之间；所述频率补偿单元包括串联的第一电阻及第一电容。
7.根据权利要求6所述的直流恢复模块，其特征在于：所述电流镜包括第五NMOS管及第六NMOS管；所述第五NMOS管的漏极和栅极连接所述跨导运算放大器的输出端，源极接地；所述第六NMOS管的栅极连接所述第五NMOS管的栅极，源极接地，漏极连接所述跨阻放大器的输入端。
8.根据权利要求7所述的直流恢复模块，其特征在于：所述第五NMOS管与所述第六NMOS管的尺寸比值为1：N，N为大于1的实数。
9.根据权利要求8所述的直流恢复模块，其特征在于：所述直流恢复模块的低频截止频率满足如下关系式：
其中，BWLF为所述直流恢复模块的低频截止频率，IDn4为所述第四NMOS的漏电流，IDn6为所述第六NMOS管的漏电流。
10.一种光电检测电路，其特征在于，所述光电检测电路至少包括：
光信号检测模块、跨阻放大器及如权利要求1-9任意一项所述的直流恢复模块；
所述光信号检测模块接收光信号，并将所述光信号转换为电流信号；
所述跨阻放大器连接于所述光信号检测模块的输出端，将电流信号转化为电压信号，并放大输出；所述跨阻放大器包括核心放大器及反馈电阻，所述反馈电阻连接于所述核心放大器的输入端和输出端之间，用于将所述核心放大器输出的电压分量反馈至所述核心放大器的输入端；
所述直流恢复模块的输入端连接所述跨阻放大器的输出端，所述直流恢复模块的输出端连接所述跨阻放大器的输入端，通过分流所述光信号检测模块输出的直流电流分量消除所述直流电流分量对所述跨阻放大器的影响。
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| CN202011552033.9A CN114679142A (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 直流恢复模块及光电检测电路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114679142A true CN114679142A (zh) | 2022-06-28 |
Family
ID=82069620
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011552033.9A Pending CN114679142A (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 直流恢复模块及光电检测电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114679142A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115811283A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-03-17 | 厦门优迅高速芯片有限公司 | 一种跨阻放大器的抗wifi信号干扰电路 |
| CN116260402A (zh) * | 2023-02-16 | 2023-06-13 | 北京泽声科技有限公司 | 光电检测电路 |
-
2020
- 2020-12-24 CN CN202011552033.9A patent/CN114679142A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115811283A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-03-17 | 厦门优迅高速芯片有限公司 | 一种跨阻放大器的抗wifi信号干扰电路 |
| CN116260402A (zh) * | 2023-02-16 | 2023-06-13 | 北京泽声科技有限公司 | 光电检测电路 |
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