一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，包括：主放大器和辅助放大器，还包括：在辅助放大器的输出端与所述主放大器栅极之间，增加一级高通滤波器结构的偏置电路，用于隔离主放大器和辅助放大器的直流偏置，使两者均工作在最佳偏置状态；使用共源共栅放大器替代辅助放大器中的共源级放大器，提供更高的增益带宽积；在输入端串联电感L1，在共源共栅放大器的共源极和共栅极器件之间串联电感L2，这两个电感与输入端光电检测器电容和MOS管的寄生电容分别构成两个π型匹配网络。本发明专利技术在保证跨阻放大器整体带宽不降低的前提下，提升电路增益，降低噪声，最终实现高增益、低噪声的RGC跨阻放大器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光通信、光互连及可见光通信领域，尤其涉及一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器。
技术介绍
随着人类社会对网络带宽和数据流量需求的成倍增长，用于干线网络传输的超高速、超大容量光纤通信技术已取得突破性进展，但在光网络交换节点的机柜间、电路板间、芯片间、以及芯片内部等短距离通信，目前仍然采用电子信息处理和交换方式，造成电子瓶颈。所以采用光互连替代电互连已成为必然趋势。光接收机作为光通信系统的接收链路，直接影响通信系统整体的性能。跨阻放大器作为光接收机前端电路的关键模块，其性能参数决定着光接收机乃至整个光通信系统的传输速率和灵敏度。随着电路技术的发展和半导体工艺节点的持续缩小，目前已实现多种结构的跨阻放大器。由于输入电阻小、工作频带宽，调节型共源共栅(RGC)成为最为常用的一种跨阻放大器拓扑结构，并衍生出各种不同形式的改进方案。例如，引入并联电感峰化、并联双反馈及前均衡等改进方法，然而这些技术多数只提升了电路带宽，而噪声性能未能显著改善。因此，这类RGC跨阻放大器多用于高速、低灵敏度光接收机。在光通信及光互连领域，由于光电检测器输出的信号电流非常微弱，所以要求跨阻放大器具有较高的增益和极低的等效输入噪声电流，于是高灵敏度光接收机成为当前的研究热点之一。本专利技术基于UMC 0.18μm CMOS工艺设计出了一款低噪声、高增益的跨阻放大器。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，本专利技术在保证跨阻放大器整体带宽不降低的前提下，提升电路增益，降低噪声，最终实现高增益、低噪声的RGC跨阻放大器，详见下文描述：一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，包括：主放大器和辅助放大器，所述最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器还包括：在所述辅助放大器的输出端与所述主放大器栅极之间，增加一级高通滤波器结构的偏置电路，用于隔离主放大器和辅助放大器的直流偏置，使两者均工作在最佳偏置状态；使用共源共栅放大器替代辅助放大器中的共源级放大器，提供更高的增益带宽积；在输入端串联电感L1，在共源共栅放大器的共源极和共栅极器件之间串联电感L2，这两个电感与输入端光电检测器电容和MOS管的寄生电容分别构成两个π型匹配网络。所述一级高通滤波器结构的偏置电路具体为：由电阻Rb1、Rb2和电容C1形成高通滤波器结构的偏置电路。所述两个π型匹配网络具体为：电感L1与输入端电容Cpd、M2管栅-源电容Cgs2构成π型匹配网络；电感L2与M3管源到地的等效电容Cs3、M2管漏到地的等效电容Cd2构成另一个π型匹配网络。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、引入的偏置电路为主放大器提供最佳偏压，并保证辅助放大器输出端的直流电平处于最优点，即偏置电路可使主放大器和辅助放大器的直流偏置都处于最佳状态。既有效地提高电路的增益和带宽，也进一步减小电路噪声。2、共源共栅放大器作为辅助放大器可以提供更高的增益带宽积，增大主放大管的等效跨导，提升放大器整体跨阻增益，减小等效输入噪声电流。3、π型匹配网络将探测器电容对带宽的影响降到最低，使电路带宽得到提升。附图说明图1是最佳偏置RGC跨阻放大器的电路结构图；图2是经典RGC跨阻放大器的电路原理图；图3是最佳偏置RGC跨阻放大器的小信号等效电路图；图4是最佳偏置RGC跨阻放大器的跨阻增益和等效输入噪声电流仿真图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1参见图1，本专利技术实施例提供了一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，即在RGC跨阻放大器中使用共源共栅辅助放大器来提升电路的跨阻增益；采用π型匹配网络，降低寄生电容对带宽的影响；采用最佳偏置电路，使RGC主放大器和辅助放大器均工作在最佳状态，避免二者直流偏置的相互影响，详见下文描述：1、在辅助放大器输出端与主放大器栅极之间，增加一级高通滤波器结构的偏置电路，用于隔离RGC主放大器和辅助放大器的直流偏置，使两者均工作在最佳偏置状态。2、使用共源共栅放大器替代传统RGC辅助放大器中的共源级放大器，提供更高的增益带宽积。3、在电路输入端串联电感L1，在共源共栅放大器的共源极和共栅极器件之间串联电感L2。这两个电感与输入端光电检测器电容和MOS管的寄生电容分别构成两个π型匹配网络。综上所述，本专利技术实施例对电路中的元器件参数进行调节和优化，在保证跨阻放大器整体带宽不降低的前提下，提升电路增益，降低噪声，最终实现高增益、低噪声的RGC跨阻放大器。实施例2下面结合图2、图3对实施例1中的方案进行详细的描述，详见下文：图2所示为经典RGC跨阻放大器的电路原理图，该经典RGC跨阻放大器由主放大器和辅助放大器两部分构成。其主要作用是接收光电检测器输出的微弱电流信号，并将其转换、放大为电压信号。当光电检测器的输出电流从经典RGC跨阻放大器的输入端流入，经主放大器和辅助放大器放大，并转换为电压信号，从输出端输出。从理论上讲，只要调整所述电路中的元器件参数，让主放大器和辅助放大器分别达到最佳幅频特性，就能使经典RGC跨阻放大器的性能最优化。然而，当单独仿真主放大器和辅助时，共栅级(CG)主放大器的栅极偏压为1.2V左右的幅频特性最佳，此时输入点的直流电位约为0.6V，而共源级(CS)辅助放大器实现最佳幅频特性的输出直流电平约为0.8V。这说明主放大器与辅助放大器不可能同时达到最佳性能，电路设计时必须折衷考虑。为克服这个限制因素，本专利技术实施例通过引入一级高通滤波器结构的最佳偏置电路来解决。图1是最佳偏置RGC跨阻放大器的电路结构图。图中最左端的电流源Ipd与电容Cpd的并联结构为光电检测器的等效电路模型，右侧电路部分为RGC跨阻放大器。所述跨阻放大器主要包括：主放大器、辅助放大器和最佳偏置电路三部分。其中，晶体管M1和电阻R1、R3构成主放大器，晶体管M2、M3和电阻R2构成共源共栅结构的辅助放大器，电阻Rb1、Rb2和电容C1形成高通滤波器结构的偏置电路，并连接在主放大器的栅极和辅助放大器输出端之间，为主放大器和辅助放大器提供最佳偏置。为了隔离输入端检测器电容对电路带宽的影响，本专利技术实施例还引入两个电感。其中，电感L1与输入端电容Cpd和M2管栅-源电容Cgs2构成π型匹配网络，电感L2与M3管源到地的等效电容Cs3和M2管漏到地的等效电容Cd2构成另一个π型匹配网络。电感L1的一端接光电检测器的输出端，另一端与电阻R3、晶体管M1的源极和M2的栅极相连，而电阻R3的另一端接地；晶体管M1的漏极接电阻R1，栅极与电阻Rb1和Rb2、电容C1的一端相连；晶体管M2的源极接地，漏极接电感L2的一端；电感L2的另一端接晶体管M3的源极；晶体管M3的栅极接偏压Vbias，漏极与电阻R2和电容C1的一端相连，而电阻R2的另一端与电阻Rb1和R1的一端相连，并接至电源VDD。在本专利技术实施例所述电路中，因晶体管M1的最佳栅偏压为1.2V，而电源电压为1.8V，所以设定电阻Rb1和Rb2的比值为1/2，以确保主放大器工作在最佳偏置状态。由于晶体管M1的最佳栅偏压有一定的容差，轻微波动的影响较小，所以偏置电路不必严格地对输出电平进行约束，使用电阻分压器即可。另外，在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，包括：主放大器和辅助放大器，其特征在于，所述最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器还包括：在所述辅助放大器的输出端与所述主放大器栅极之间，增加一级高通滤波器结构的偏置电路，用于隔离主放大器和辅助放大器的直流偏置，使两者均工作在最佳偏置状态；使用共源共栅放大器替代辅助放大器中的共源级放大器，提供更高的增益带宽积；在输入端串联电感L1，在共源共栅放大器的共源极和共栅极器件之间串联电感L2，这两个电感与输入端光电检测器电容和MOS管的寄生电容分别构成两个π型匹配网络。

【技术特征摘要】
1.一种高增益、低噪声最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器，包括：主放大器和辅助放大器，其特征在于，所述最佳偏置调节型共源共栅跨阻放大器还包括：在所述辅助放大器的输出端与所述主放大器栅极之间，增加一级高通滤波器结构的偏置电路，用于隔离主放大器和辅助放大器的直流偏置，使两者均工作在最佳偏置状态；使用共源共栅放大器替代辅助放大器中的共源级放大器，提供更高的增益带宽积；在输入端串联电感L1，在共源共栅放大器的共源极和共栅极器件之间串联电感L2，这两个电感与输入端光电检测器电容和MOS管的寄生电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢生，吴思聪，毛陆虹，陶希子，高谦，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12