本發(fā)明涉及光通信芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器。

背景技術(shù)：

在光通信系統(tǒng)中，接收端通過(guò)光檢測(cè)器(光電二極管)產(chǎn)生的電流信號(hào)可能很微弱，而光接收機(jī)前置放大器的作用就是進(jìn)行跨阻變換，將光電流信號(hào)放大成一定幅度的電壓信號(hào)，供后級(jí)電路在電壓域進(jìn)行信號(hào)處理。故高速光通信系統(tǒng)中的前置放大器稱為跨阻放大器(transimpedanceamplifier，以下簡(jiǎn)稱tia)。在帶寬滿足系統(tǒng)傳輸速率的前提下，不僅要求跨阻放大器有較低的噪聲，同時(shí)還要提供足夠的增益來(lái)放大信號(hào)、抑制后級(jí)模塊的噪聲。而高帶寬和低噪聲一般互斥，故高速跨阻放大器噪聲性能很難提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器及設(shè)計(jì)方法，具有低噪聲、高增益、高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，以提高現(xiàn)有tia的噪聲性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器，包括三級(jí)高增益放大器a和反饋電阻rf；三級(jí)高增益放大器a的三級(jí)分別為第一級(jí)放大器a1、第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3；第一級(jí)放大器a1的輸出端接第二級(jí)放大器a2的輸入端，第二級(jí)放大器a2的輸出端接第三級(jí)放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接第一級(jí)放大器a1的輸入端和第三級(jí)放大器a3的輸出端。

進(jìn)一步的，三級(jí)高增益放大器a內(nèi)部，先降低第一級(jí)放大器a1的帶寬，提高第一級(jí)放大器a1的增益，通過(guò)將后兩級(jí)第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3設(shè)置為連續(xù)時(shí)間線性均衡器(ctle:continuous-timelinearequalizer)，采用帶寬恢復(fù)技術(shù)將三級(jí)高增益放大器a的總帶寬恢復(fù)到所需值。

進(jìn)一步的，帶寬恢復(fù)技術(shù)為電感峰化(inductivepeaking)或電容退化(capacitivedegeneration)。

進(jìn)一步的，所述反饋電阻rf為可調(diào)電阻。

進(jìn)一步的，反饋電阻rf包括并聯(lián)設(shè)置的晶體管mn4和電阻r3。

進(jìn)一步的，第一級(jí)放大器a1的輸入端連接等效輸入電容cin；等效輸入電容cin一端連接第一級(jí)放大器a1的輸入端，另一端接地；第三級(jí)放大器a3的輸出端連接后級(jí)電路的等效電容cload；后級(jí)電路的等效電容cload一端連接第三級(jí)放大器a3的輸出端，另一端接地。

進(jìn)一步的，第一級(jí)放大器由輸入跨導(dǎo)晶體管mn1和負(fù)載晶體管mp1組成；第二級(jí)放大器由跨導(dǎo)晶體管mn2、負(fù)載電阻r1、串聯(lián)電感l(wèi)1組成；第三級(jí)放大器由跨導(dǎo)晶體管mn3、負(fù)載電阻r2、串聯(lián)電感l(wèi)2組成；反饋電阻rf由電阻r3和晶體管mn4組成；輸入晶體管mn1的柵端接輸入、電阻r3的左端和晶體管mn4的漏端；晶體管mn1源端接地，漏端接晶體管mp1的漏端和晶體管mn2的柵端；晶體管mp1的柵端接偏置電壓v1，源端接vdd；晶體管mn2的源端接地，漏端接電阻r1的下端和晶體管mn3的柵端；晶體管mn3的源端接地，漏端接電阻r2的下端、電阻r3的右端和晶體管mn4的源端；電阻r1的上端接電感l(wèi)1的下端；電阻r2的上端接電感l(wèi)2的下端；電感l(wèi)1的上端接vdd；電感l(wèi)2的上端接vdd；反饋電阻rf由電阻r3和mn4并聯(lián)組成：晶體管mn4的柵端接偏置電壓v2；晶體管mn1的柵端、晶體管mn4的漏端和電阻r3的左端共接，作為跨阻放大器的輸入端；晶體管mn3的漏端、晶體管mn4的源端、電阻r3的右端和電阻r2的下端共接，作為跨阻放大器的輸出端。

一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

第一步、設(shè)計(jì)三級(jí)高增益放大器a：

1)設(shè)計(jì)第一級(jí)放大器a1：設(shè)計(jì)第一級(jí)放大器a1的帶寬為放大器a的總帶寬的1/3～1/2；

2)設(shè)計(jì)第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3：將第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3設(shè)置為連續(xù)時(shí)間線性均衡器，采用帶寬恢復(fù)技術(shù)將三級(jí)高增益放大器a的總帶寬恢復(fù)到所需值；

第二步、設(shè)計(jì)反饋電阻rf：滿足整個(gè)跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求；

其中，第一級(jí)放大器a1的輸出端接第二級(jí)放大器a2的輸入端，第二級(jí)放大器a2的輸出端接第三級(jí)放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接第一級(jí)放大器a1的輸入端和第三級(jí)放大器a3的輸出端。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

1)主動(dòng)降低第一級(jí)放大器a1的帶寬，這樣本級(jí)放大器增益提高。帶寬降低使得可以用有源負(fù)載電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無(wú)源負(fù)載電阻，增大負(fù)載電阻；而使用有源負(fù)載進(jìn)一步允許輸入跨導(dǎo)管偏置在較高的電流密度而不受有限的電源電壓影響。同時(shí)，帶寬降低允許更多的寄生電容，即可以使本級(jí)和下一級(jí)晶體管采用更大的尺寸，增大了跨導(dǎo)。更大的偏置電流密度和晶體管尺寸增加了該級(jí)的跨導(dǎo)，而跨導(dǎo)的提高降低了該級(jí)放大器等效到輸入端的噪聲。因?yàn)榉糯笃鞯谝患?jí)a1的噪聲是三級(jí)放大器a噪聲的主導(dǎo)部分，故整個(gè)放大器a等效到輸入端的噪聲降低。同時(shí)，第一級(jí)放大器增益的提高可以抑制后級(jí)放大器等效到輸入端的噪聲。

2)后兩級(jí)放大器a2、a3設(shè)置為連續(xù)時(shí)間線性均衡器，采用帶寬恢復(fù)技術(shù)(如電感峰化、電容退化等)，恢復(fù)放大器a1在高頻部分的增益損失，使得三級(jí)放大器a的總帶寬恢復(fù)到所需值，以保證tia的閉環(huán)穩(wěn)定性和其他性能要求。

3)傳統(tǒng)的用于構(gòu)成tia的環(huán)路內(nèi)部放大器，由于多級(jí)級(jí)聯(lián)帶寬下降迅速，容易造成tia的閉環(huán)不穩(wěn)定，多采用單增益級(jí)。此處三級(jí)放大器的結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的單級(jí)放大器，在帶寬相同的前提下增益更大，使tia可以采用更大的反饋電阻rf，得到較高的跨阻增益。這樣不但降低了反饋電阻rf的噪聲和系統(tǒng)整體的白噪聲，而且有效的抑制了tia后級(jí)電路模塊的噪聲。同時(shí)，較大的輸入級(jí)跨導(dǎo)也顯著降低了放大器a的噪聲。

4)等效反饋電阻rf設(shè)為可調(diào)電阻，如圖2所示，其阻值由晶體管mn4和電阻r3并聯(lián)決定，通過(guò)改變晶體管mn4的柵端電壓，可以改變反饋電阻rf的值。正常工作時(shí)晶體管mn4的柵端電壓為0v；而在輸入電容過(guò)大，tia帶寬下降時(shí)，通過(guò)提高mn4柵極電壓，降低mn4的輸出電阻，從而降低rf，恢復(fù)帶寬，保證性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提出的環(huán)路內(nèi)部放大器先降帶寬再恢復(fù)帶寬的跨阻放大器的原理框圖；

圖2是采用本發(fā)明技術(shù)的具體實(shí)施例的低噪聲高增益跨阻放大器的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明技術(shù)的具體實(shí)施例的三級(jí)高增益放大器a的a1、a2、a3各級(jí)及總的三級(jí)高增益放大器a的增益曲線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器，包括：一個(gè)三級(jí)高增益放大器a，其三級(jí)分別為a1、a2、a3，一個(gè)可變反饋電阻rf。

連接方法為：等效輸入電容cin的一端連接第一級(jí)放大器a1的輸入端，等效輸入電容cin的另一端接地；三級(jí)放大器a的第一級(jí)放大器a1的輸出端接第二級(jí)放大器a2的輸入端，第二級(jí)放大器a2的輸出端接第三級(jí)放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接在第一級(jí)放大器a1的輸入端和第三級(jí)放大器a3的輸出端；后級(jí)電路的等效電容cload一端接在第三級(jí)放大器a3的輸出端，另一端接地。

其設(shè)計(jì)思想為：在三級(jí)放大器a內(nèi)部，先降低第一級(jí)放大器a1的帶寬，提高a1的增益，通過(guò)將后兩級(jí)放大器a2、a3設(shè)置為連續(xù)時(shí)間線性均衡器，采用帶寬恢復(fù)技術(shù)(如電感峰化、電容退化等)將三級(jí)放大器a的總帶寬恢復(fù)到所需值。

如圖2示，本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器，包括三級(jí)放大器、反饋電阻，以及輸入輸出電容；晶體管均使用的mos管：

第一級(jí)放大器由輸入跨導(dǎo)晶體管mn1和負(fù)載晶體管mp1組成；第二級(jí)放大器由跨導(dǎo)晶體管mn2、負(fù)載電阻r1、串聯(lián)電感l(wèi)1組成；第三級(jí)放大器由跨導(dǎo)晶體管mn3、負(fù)載電阻r2、串聯(lián)電感l(wèi)2組成；反饋電阻rf由電阻r3和晶體管mn4組成；輸入電容cin是等效輸入電容；負(fù)載電容cload用來(lái)等效后級(jí)模塊的電容。

具體的連接方式為：輸入晶體管mn1的柵端接輸入、電阻r3的左端和晶體管mn4的漏端；晶體管mn1源端接地，漏端接晶體管mp1的漏端和晶體管mn2的柵端；晶體管mp1的柵端接偏置電壓v1，源端接vdd；晶體管mn2的源端接地，漏端接電阻r1的下端和晶體管mn3的柵端；晶體管mn3的源端接地，漏端接電阻r2的下端、電阻r3的右端和晶體管mn4的源端；電阻r1的上端接電感l(wèi)1的下端；電阻r2的上端接電感l(wèi)2的下端；電感l(wèi)1的上端接vdd；電感l(wèi)2的上端接vdd；反饋電阻rf由電阻r3和mn4并聯(lián)組成：晶體管mn4的柵端接偏置電壓v2；電容cin是等效輸入電容，一端接晶體管mn1的柵端、晶體管mn4的漏端和電阻r3的左端，另一端接地；電容cload是等效負(fù)載電容，一端接晶體管mn3的漏端、晶體管mn4的源端、電阻r3的右端和電阻r2的下端，另一端接地。

在此實(shí)施例中，采用的是180nmcmos工藝，電源電壓1.8v，信號(hào)傳輸速率為10gb/s，等效輸入電容cin為200ff、等效負(fù)載電容cload為50ff時(shí)。如圖3示，晶體管mn1和mp1組成的第一級(jí)放大器的-3db帶寬為4.3ghz，經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大器和第三級(jí)放大器采用電感峰化技術(shù)恢復(fù)帶寬后，整個(gè)三級(jí)放大器的開環(huán)帶寬為11ghz，增益為26db，實(shí)現(xiàn)了總增益帶寬積220ghz，超過(guò)180nmcmos工藝轉(zhuǎn)角頻率(ft＝50ghz)4倍多。反饋電阻rf的阻值為2.26kω，其中電阻r3的阻值為2.26kω，晶體管mn4的柵端電壓為0v。

整個(gè)tia的閉環(huán)-3db帶寬為7.2ghz，滿足系統(tǒng)傳輸速率10gb/s的要求。跨阻增益較大為66.6dbω，不僅將微弱的輸入電流信號(hào)放大為更大的輸出電壓信號(hào)，同時(shí)更好的抑制了電路后級(jí)模塊的噪聲。整個(gè)tia的整體等效輸入噪聲為0.86μarms，噪聲性能優(yōu)異。

本發(fā)明通過(guò)在tia的放大器內(nèi)部采用先降帶寬，再恢復(fù)帶寬的結(jié)構(gòu)，可以在保證系統(tǒng)傳輸速率所需帶寬的情況下，提高tia的跨阻增益，降低tia的等效輸入噪聲。高增益不僅可以得到較大的輸出信號(hào)，同時(shí)也有助于抑制后級(jí)電路模塊等效到輸入端的噪聲，更進(jìn)一步的提高系統(tǒng)整體噪聲性能，增加光接收機(jī)靈敏度。

本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機(jī)的跨阻放大器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

第一步、設(shè)計(jì)三級(jí)高增益放大器a：

1)設(shè)計(jì)第一級(jí)放大器a1：設(shè)計(jì)第一級(jí)放大器a1的帶寬為放大器a的總帶寬的1/3～1/2；

2)設(shè)計(jì)第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3：將第二級(jí)放大器a2和第三級(jí)放大器a3設(shè)置為連續(xù)時(shí)間線性均衡器，采用帶寬恢復(fù)技術(shù)將三級(jí)高增益放大器a的總帶寬恢復(fù)到所需值；

第二步、設(shè)計(jì)反饋電阻rf：滿足整個(gè)跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求。

進(jìn)一步的，反饋電阻rf在滿足整個(gè)跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求下取最大值。

綜上所述，本發(fā)明能夠在保證tia傳輸速率的前提下，顯著提高tia環(huán)路內(nèi)放大器的增益，從而得到了較大的跨阻增益，并降低了反饋電阻rf的噪聲和系統(tǒng)的白噪聲；同時(shí)，該放大器的結(jié)構(gòu)降低了放大器本身的噪聲。故tia輸入總噪聲可明顯降低。