一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器

1.本发明涉及光信号接收电路技术领域，更具体的，涉及一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器。


背景技术：

2.光接收机是指将光信号转换成电信号的一种电路，光接收机电路的前端为光电二极管，光电二极管将光信号转化为电流信号后，跨阻放大器将该电流信号转化为输出电压。在已有的跨阻放大器中，基于并联负反馈结构的跨阻放大器由于具有较好的性能而被广泛应用。图1所示为经典的基于并联负反馈结构的跨阻放大器，a表示跨阻放大器的核心增益放大器，rf表示跨阻放大器的反馈电阻，c
in
表示跨阻放大器的等效输入电容(主要来自光电二极管的寄生电容)。基于并联负反馈结构的跨阻放大器的带宽与跨阻增益往往受限于光电二极管的寄生电容。对于较大的光电二极管寄生电容，有几种方法用来实现宽带跨阻放大器。首先，可以通过限制跨阻放大器的跨阻增益来实现所需要的带宽。但是，限制跨阻增益会降低跨阻放大器的噪声性能。其次，可以引入各种形式的电感峰化(inductive peaking)技术来抵消较大的光电二极管寄生电容的不利影响。但是，片上电感会占用较大的芯片面积；而如果使用封装引线(bonding wire)做电感，则电感值容易出现较大偏差，不利于实际应用。最后，也可以在跨阻放大器的输入端产生一个负电容，用来抵消光电二极管的部分寄生电容，其中一种可行的实现方式就是在跨阻放大器中引入一个正反馈电容。但是，仅仅通过产生负电容抵消部分输入电容来提高跨阻放大器的带宽会恶化跨阻放大器的稳定性，原因就在于虽然跨阻放大器的主极点提高了，但是次极点并没有相应提高。


技术实现要素：

3.本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器，其能提高跨阻放大器及其核心放大器的带宽，也可以在不改变跨阻放大器带宽的情况下增加跨阻增益，并降低其噪声。
4.为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
5.一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器，包括第一输入电容、第二输入电容、第一全差分放大器、第二全差分放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一反馈电容环路、第二反馈电容环路；
6.所述的第一全差分放大器的正极输出端与第二全差分放大器的负极输入端电连接；
7.所述的第一全差分放大器的负极输出端与第二全差分放大器的正极输入端电连接；
8.所述的第一输入电容的一端与所述的第一全差分放大器的正极输入端电连接，所述的第一输入电容的另一端接交流地；
9.所述的第二输入电容与所述的第一全差分放大器的负极输入端电连接，所述的第
二输入电容的另一端接交流地；
10.所述的第一反馈电阻的一端与所述的第一全差分放大器的正极输入端电连接，所述的第一反馈电阻的另一端与所述的第二全差分放大器的正极输出端电连接；
11.所述的第二反馈电阻的一端与所述的第一全差分放大器的负极输入端电连接，所述的第一反馈电阻的另一端与所述的第二全差分放大器的负极输出端电连接；
12.所述的第一反馈电容环路的一端与所述的第一全差分放大器的一电极输入端电连接；所述的第一反馈电容环路的另一端和所述的第二全差分放大器与第一全差分放大器的一电极输入端的相反电极输出端电连接；
13.所述的第二反馈电容环路的一端与所述的第二全差分放大器的一电极输入端电连接；所述的第二反馈电容环路的另一端和与所述的第二全差分放大器的一电极输入端的相同电极输出端电连接。
14.优选地，所述的第一反馈电容环路包括第一反馈电容、第四反馈电阻；
15.其中所述的第一反馈电容的一端与所述的第一全差分放大器的正极输入端电连接，所述的第一反馈电容的另一端与所述的第二全差分放大器的负极输出端电连接；
16.所述的第四反馈电阻的一端与所述的第一全差分放大器的负极输入端电连接，所述的第四反馈电阻的另一端与所述的第二全差分放大器的正极输出端电连接。
17.进一步地，所述的第二反馈电容环路包括第二反馈电容、第三反馈电容；
18.所述的第二反馈电容的一端与所述的第二全差分放大器的正极输入端电连接，所述的第二反馈电容的另一端与所述的第二全差分放大器的正极输出端电连接；
19.所述的第三反馈电容的一端与所述的第二全差分放大器的负极输入端电连接，所述的第三反馈电容的另一端与所述的第二全差分放大器的负极输出端电连接。
20.优选地，其中第一输入电容的电容值等于第二输入电容的电容值；
21.所述的第一反馈电阻的电阻值等于第二反馈电阻的电阻值。
22.进一步地，所述的第一反馈电容的电容值等于第四反馈电阻的电容值。
23.进一步地，所述的第二反馈电容的电容值等于第三反馈电容的电容值。
24.优选地，所述的第一全差分放大器的正极输入端作为电流信号的正输入端；所述的第一全差分放大器的负极输入端作为电流信号的负输入端。
25.进一步地，所述的第二全差分放大器的正极输出端与所述的第二全差分放大器a2的负极输出端作为输出端输出电压。
26.再进一步地，所述的第一反馈电容、第四反馈电阻分别构成的反馈环路用于提高跨阻放大器主极点的频率，从而提高跨阻放大器带宽；
27.提高后的跨阻放大器带宽计算如下：
[0028][0029]
式中，a1表示第一全差分放大器的增益，a2表示第二全差分放大器的增益，rf＝r
f1
＝r
f2
表示第一反馈电阻和第二反馈电阻的阻值，c
in
表示输入端接入第一反馈电容、第四反馈电阻之前的等效电容；c
in
'表示输入端接入第一反馈电容、第四反馈电阻之后的等效电容，其中c
in
'＝c
in
(1-a1a2)c
f1
；
[0030]
当a1a2》》1，跨阻放大器的带宽在第一反馈电容、第四反馈电阻的作用下将增大。
[0031]
再进一步地，所述的第二反馈电容、第三反馈电容分别构成的反馈环路用于提高跨阻放大器次极点的频率，从而提高跨阻放大器稳定性；
[0032]
跨阻放大器的次极点频率计算如下：
[0033][0034]
其中，r
d1
为节点a或b处的等效电阻；ca表示接入第二反馈电容、第三反馈电容之前的跨阻放大器次极点的等效电容，接入第二反馈电容、第三反馈电容之后的跨阻放大器次极点的等效电容为：
[0035]
ca'＝ca (1-a2)c
f2
ꢀꢀ
(4)
[0036]
因此，当a2》》1，跨阻放大器次极点的等效电容减小，次极点频率增大，从而改善跨阻放大器的稳定性。
[0037]
本发明的有益效果如下：
[0038]
本发明提供的一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器，仅仅通过引入两个反馈电容环路就可以提高跨阻放大器及其核心放大器的带宽，也可以在不改变跨阻放大器带宽的情况下增加跨阻增益，并降低其噪声。本发明既不增加电路的静态功耗，也无需使用电感，有利于降低宽带光接收电路的功耗和节省芯片面积。
附图说明
[0039]
图1是现有技术中经典的基于并联负反馈结构的跨阻放大器。
[0040]
图2是实施例1提供的宽带跨阻放大器的电路图。
[0041]
图3是本发明提供的宽带跨阻放大器的核心放大器增益幅频响应曲线对比。
[0042]
图4是本发明提供的宽带跨阻放大器增益幅频响应曲线对比1。
[0043]
图5是本发明提供的宽带跨阻放大器增益幅频响应曲线对比2。
[0044]
图6是本发明提供的宽带跨阻放大器瞬态响应曲线对比。
[0045]
图7是本发明提供的宽带跨阻放大器等效输入电流噪声对比。
[0046]
图8是实施例2提供的宽带跨阻放大器的电路图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供的基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器可以应用到包括但不限于光纤通信、无线光通信、激光通信、可见光通信、激光雷达等光信号接收电路技术领域。
[0050]
如图2所示，一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器，包括第一输入电容c
in1
、第二输入电容c
in2
、第一全差分放大器a1、第二全差分放大器a2、第一反馈电阻r
f1
、第二反馈电阻r
f2
、第一反馈电容环路、第二反馈电容环路；
[0051]
所述的第一全差分放大器a1的正极输出端与第二全差分放大器a2的负极输入端电连接；
[0052]
所述的第一全差分放大器a1的负极输出端与第二全差分放大器a2的正极输入端电连接；
[0053]
所述的第一输入电容c
in1
的一端与所述的第一全差分放大器a1的正极输入端电连接，所述的第一输入电容c
in1
的另一端接交流地；
[0054]
所述的第二输入电容c
in2
与所述的第一全差分放大器a1的负极输入端电连接，所述的第二输入电容c
in2
的另一端接交流地；
[0055]
所述的第一反馈电阻r
f1
的一端与所述的第一全差分放大器a1的正极输入端电连接，所述的第一反馈电阻r
f1
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的正极输出端电连接；
[0056]
所述的第二反馈电阻r
f2
的一端与所述的第一全差分放大器a1的负极输入端电连接，所述的第一反馈电阻r
f1
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的负极输出端电连接；
[0057]
所述的第一反馈电容环路的一端与所述的第一全差分放大器a1的一电极输入端电连接；所述的第一反馈电容环路的另一端和所述的第二全差分放大器a2与第一全差分放大器a1的一电极输入端的相反电极输出端电连接；
[0058]
所述的第二反馈电容环路的一端与所述的第二全差分放大器a2的一电极输入端电连接；所述的第二反馈电容环路的另一端和与所述的第二全差分放大器a2的一电极输入端的相同电极输出端电连接。
[0059]
在一个具体的实施例中，所述的第一全差分放大器a1的正极输入端作为电流信号的正输入端；所述的第一全差分放大器a1的负极输入端作为电流信号的负输入端。
[0060]
在一个具体的实施例中，所述的第二全差分放大器a2的正极输出端与所述的第二全差分放大器a2的负极输出端作为输出端输出电压。
[0061]
在一个具体的实施例中，所述的第一反馈电容环路包括第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
；
[0062]
其中所述的第一反馈电容c
f1
的一端与所述的第一全差分放大器a1的正极输入端电连接，所述的第一反馈电容c
f1
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的负极输出端电连接；
[0063]
所述的第四反馈电阻c
f4
的一端与所述的第一全差分放大器a1的负极输入端电连接，所述的第四反馈电阻c
f4
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的正极输出端电连接。
[0064]
在一个具体的实施例中，所述的第二反馈电容环路包括第二反馈电容c
f2
、第三反馈电容c
f3
；
[0065]
所述的第二反馈电容c
f2
的一端与所述的第二全差分放大器a2的正极输入端电连接，所述的第二反馈电容c
f2
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的正极输出端电连接；
[0066]
所述的第三反馈电容c
f3
的一端与所述的第二全差分放大器a2的负极输入端电连接，所述的第三反馈电容c
f3
的另一端与所述的第二全差分放大器a2的负极输出端电连接。
[0067]
在一个具体的实施例中，其中第一输入电容c
in1
的电容值等于第二输入电容c
in2
的电容值；
[0068]
所述的第一反馈电阻r
f1
的电阻值等于第二反馈电阻r
f2
的电阻值。
[0069]
所述的第一反馈电容c
f1
的电容值等于第四反馈电阻c
f4
的电容值。
[0070]
所述的第二反馈电容c
f2
的电容值等于第三反馈电容c
f3
的电容值。
[0071]
在一个具体的实施例中，所述的第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
分别构成的反馈环路用于提高跨阻放大器主极点的频率，从而提高跨阻放大器带宽；具体分析如下。
[0072]
为了提高跨阻放大器的带宽，采用第一反馈电容c
f1
和第四反馈电阻c
f4
分别构成
的反馈环路产生的等效负电容来抵消一部分跨阻放大器输入端的寄生电容。此时输入端的等效电容由原来的c
in
变为：
[0073]cin
'＝c
in
(1-a1a2)c
f1
ꢀꢀꢀ
(1)
[0074]
式中，c
in
表示输入端接入第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
之前的等效电容；c
in
'表示输入端接入第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
之后的等效电容；
[0075]
跨阻放大器原来的带宽为：
[0076][0077]
接入第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
之后的跨阻放大器带宽变为：
[0078][0079]
式中，a1表示第一全差分放大器的增益，a2表示第二全差分放大器的增益，rf＝r
f1
＝r
f2
表示第一反馈电阻和第二反馈电阻的阻值；
[0080]
当a1a2》》1，跨阻放大器的带宽在第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
的作用下将增大。然而，由于跨阻放大器的次极点位置没有发生变化，跨阻放大器的稳定性会变差。第四反馈电容和第一反馈电容是对称的关系，cf1＝cf4,用其中一个电容值表示即可。
[0081]
在一个具体的实施例中，为了提高跨阻放大器次极点的频率，采用第二反馈电容c
f2
、第三反馈电容c
f3
分别构成的反馈环路产生的等效负电容来抵消跨阻放大器次极点的一部分寄生电容，通过提高跨阻放大器次极点的频率，从而提高跨阻放大器稳定性。用ca表示接入第一反馈电容c
f1
、第四反馈电阻c
f4
之前的跨阻放大器次极点的等效电容(即节点a或b处的寄生电容)，此时跨阻放大器次极点的等效电容由原来的ca变为：
[0082]
ca'＝ca (1-a2)c
f2
[0083]
式中，ca'表示接入第二反馈电容c
f2
、第三反馈电容c
f3
之后的跨阻放大器次极点的等效电容；
[0084]
跨阻放大器原来的次极点频率为：
[0085][0086]
加入第二反馈电容c
f2
、第三反馈电容c
f3
之后，跨阻放大器的次极点频率变为：
[0087][0088]
其中，r
d1
为节点a或b处的等效电阻；
[0089]
因此，当a2》》1，跨阻放大器次极点的等效电容减小，次极点频率增大，从而改善跨阻放大器的稳定性。第二反馈电容c
f2
和第三反馈电容c
f3
是对称的关系，cf2＝cf3,用其中一个电容值表示即可。
[0090]
如图3所示，表示未采用本实施例的技术(即未引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)和采用本实施例技术(即引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)时跨阻放大器核心放大器增益的幅频响应曲线对比。未采用本实施例技术时，跨阻核心放大器增益是25dbω，带宽是2.7ghz；采用
本实施例技术时，跨阻增益是25dbω，带宽是4.7ghz。说明本实施例所述的宽带跨阻放大器能够在保持跨阻放大器的核心放大器增益不变的情况下提高其带宽。
[0091]
如图4所示，表示未采用本实施例的技术(即未引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)和采用本实施例的技术(即引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)时跨阻放大器增益的幅频响应曲线对比。未采用本实施例的技术时，跨阻增益是79.2dbω，带宽是0.6ghz；采用本实施例的技术时，跨阻增益是79.2dbω，带宽是1.2ghz。说明本实施例的技术能够在保持跨阻放大器增益不变的情况下提高带宽。
[0092]
如图5所示，表示未采用本发明技术(即未引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)和采用本发明技术(即引入反馈电容c
f1
、c
f2
、c
f3
和c
f4
)时跨阻放大器增益的幅频响应曲线对比。未采用本发明技术时，跨阻增益是73.2dbω，带宽是1.2ghz。采用本发明技术时，跨阻增益是79.2dbω，带宽是1.2ghz。说明本发明技术能够在保持跨阻放大器带宽不变的情况下提高增益。
[0093]
如图6所示，表示采用和未采用本发明技术时跨阻放大器瞬态响应的对比。从对比结果可以看出，所提出的双环路电容正反馈技术可以在不改变跨阻放大器带宽的情况下增加跨阻增益，降低其噪声，并改瞬态响应过冲。
[0094]
如图7所示，表示未采用和采用本发明技术时跨阻放大器的等效输入噪声电流对比。未采用本发明技术时，在10mhz时的等效输入噪声电流功率谱密度为3.07pa/√hz；采用本发明技术时，在10mhz时的等效输入噪声电流功率谱密度为2.05pa/√hz。说明本发明技术能够在保持跨阻放大器带宽不变的情况下降低噪声。
[0095]
实施例2
[0096]
结合图2和图8所示，一种基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器，包括第一输入电容c
in1
、第二输入电容c
in2
、第一全差分放大器a1、第二全差分放大器a2、第一反馈电阻r
f1
、第二反馈电阻r
f2
、第一反馈电容环路、第二反馈电容环路；
[0097]
结合图2和图8所示，在一个具体的实施例中，所述的第一全差分放大器a1包括第一全差分跨导模块g
m1
、第一负载电容c
a1
、第二负载电容c
a2
、第一负载电阻r
d1
、第二负载电阻r
d2
；
[0098]
所述的第二全差分放大器a2包括第二全差分跨导模块g
m2
、第三负载电容c
out1
、第四负载电容c
out2
、第三负载电阻r
d3
、第四负载电阻r
d4
。
[0099]
如图8所示，在一个具体的实施例中，所述的第二反馈电容环路包括第二反馈电容c
f2
、第三反馈电容c
f3
；
[0100]
所述的第二反馈电容c
f2
的一端与所述的第二全差分跨导模块g
m2
的正极输入端电连接，所述的第二反馈电容c
f2
的另一端与所述的第二全差分跨导模块g
m2
的正极输出端电连接；
[0101]
所述的第三反馈电容c
f3
的一端与所述的第二全差分跨导模块g
m2
的负极输入端电连接，所述的第三反馈电容c
f3
的另一端与所述的第二全差分跨导模块g
m2
的负极输出端电连接。
[0102]
所述的第一负载电容c
a1
的一端连接所述第一全差分跨导模块g
m1
的负极输出端,所述的第一负载电容c
a1
的另一端连接交流地。
[0103]
所述的第二负载电容c
a2
的一端连接所述第一全差分跨导模块g
m1
的正极输出端,
所述的第一负载电容c
a2
的另一端连接交流地。
[0104]
所述的第三负载电容c
out1
的一端连接所述的第二全差分跨导模块g
m2
的正极输出端,所述的第三负载电容c
out1
的另一端连接交流地。
[0105]
所述的第四负载电容c
out2
的一端连接所述第二全差分跨导模块g
m2
的负极输出端,所述的第三负载电容c
out2
的另一端连接交流地。
[0106]
所述的第一负载电阻r
d1
的一端连接所述第一全差分跨导模块g
m1
的负极输出端,所述的第一负载电阻r
d1
的另一端连接交流地。
[0107]
所述的第二负载电阻r
d2
的一端连接所述第一全差分跨导模块g
m1
的正极输出端,所述第一负载电阻r
d2
的另一端连接交流地。
[0108]
所述的第三负载电阻r
d3
的一端连接所述第二全差分跨导模块g
m2
的负极输出端,所述第三负载电阻r
d3
的另一端连接交流地。
[0109]
所述的第四负载电阻r
d4
的一端连接所述第二全差分跨导模块g
m2
的正极输出端,所述的第三负载电阻r
d4
的另一端连接交流地。
[0110]
其中，第一输入电容c
in1
的电容值等于第二输入电容c
in2
的电容值；
[0111]
所述的第一反馈电阻r
f1
的电阻值等于第二反馈电阻r
f2
的电阻值。
[0112]
所述的第一反馈电容c
f1
的电容值等于第四反馈电阻c
f4
的电容值。
[0113]
所述的第二反馈电容c
f2
的电容值等于第三反馈电容c
f3
的电容值。
[0114]
实施例3
[0115]
本实施例基于实施例1或实施例2的基础上，还提供了一种光信号接收电路，所述的光信号接收电路包括如实施例1或实施例2所述的基于双环路电容正反馈的宽带跨阻放大器。
[0116]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。