用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。本发明专利技术可实现同一芯片上高性能的光接收机模拟前端与数字信号处理后端的单片集成，降低成本，增强功能。

【技术实现步骤摘要】
用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器
本专利技术属于光通信、光互连及可见光通信系统，涉及一种采用有源反馈设计的跨阻放大器。
技术介绍
随着社会信息化程度的不断提升，以物联网、云计算及移动互联网等大数据载体为代表的宽带业务蓬勃发展，这使得人类社会对网络带宽和数据流量的需求成倍增长。为满足海量信息的传输，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。然而，受工艺和成本的限制，光纤通信的“最后一公里”仍然没有得到很好的解决。在光纤通信系统中，对于光接收机来说，将光电二极管及放大电路单片集成在同一衬底上可以大幅度减小外接光电二极管所导致的寄生电容及电感。而处在光接收机放大电路前端的跨阻放大器是光接收机电路中的重要模块，其性能的好坏对系统性能有很大的影响，跨阻放大器的噪声和带宽对整体系统的数据传输速度和可接受的信道损耗有着直接影响。对于跨阻放大器的设计来说，最直接的挑战是降低来自于前端光电二极管的等效电容所带来的影响，这个等效电容会降低系统的带宽及噪声表现。为了解决这个问题，涌现出了多种电路结构以提高带宽。目前，常见的跨阻放大器多采用共源(CommonSource，CS)、共栅(CommonGate，CG)及调节型共源共栅(RegulatedCascode，RGC)等多种结构。其中，调节型共源共栅(RGC)结构具有较小的输入阻抗，可有效屏蔽包括：光电二极管结电容、静电保护电路(ESD)寄生电容及输入PAD电容在内的输入寄生电容，将主极点从输入结点转移到其他结点，实现较宽的频带设计，所以调节型共源共栅(RGC)结构广泛应用于宽带跨阻放大器的设计中。随着制备工艺水平的不断提升，器件的特征尺寸以及电源电压不断减小，调节型共源共栅(RGC)结构应用在先进工艺中会暴露出一些问题。例如，在某些40nm工艺节点中，电源电压大约为900mV，MOS管的阈值电压约为430mV，如果考虑到衬偏效应，MOS管的阈值电压会进一步增加。调节型共源共栅(RGC)结构中有源反馈支路对电源电压的过度消耗会造成电压余度变小、输出电压摆幅不足等问题。同时，由于器件的特征尺寸达到了纳米级，其各种二阶效应更加显著，例如速度饱和效应会影响MOS管线性区与饱和区的界限电压Vdsat，使得Vdsat不在简单地等于过驱动电压，而是通过一系列模型修正得到一个相对准确的近似值，因而对电源电压在同一支路上的利用提出了更高的要求。正因如此，对于传统电路结构在先进CMOS工艺中的应用提出新的挑战。同时，在深亚微米级及以下工艺节点中MOS器件的寄生效应更大，这也使得基于CMOS工艺的宽带跨阻放大器设计变得更为困难。为了实现宽带跨阻放大器，研究人员提出了各种不同形式的改进方案，如并联电感峰化、串联电感峰化等技术，但电感的引入会使版图整体面积显著增加，制造成本也会相应提高。总的来说，目前光接收机跨阻放大器设计面临的关键问题是亟需拓展放大器的带宽，以提高光接收机整体的数据传输速率，同时单片集成光接收机的迫切需求需要研究基于CMOS或兼容CMOS工艺的光电二极管和接收电路设计。
技术实现思路
本专利技术在分析调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器优缺点的基础上，提出了一种用于光接收机前端的低电压、高带宽有源反馈型跨阻放大器，利用改变共源极有源反馈的连接方式来克服调节型共源共栅(RGC)结构在先进工艺中电压余度不足等问题，详见下文描述：一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，所述放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。进一步地，所述跨阻放大器利用改变共源极有源反馈的连接方式克服调节型共源共栅结构在先进工艺中电压余度不足的问题。其中，所述跨阻放大器的低频输入阻抗为：其中，gm1和gm2分别为MOS管M1和M2的跨导。其中，所述跨阻放大器的低频跨阻增益为：其中，“||”为并联符号。进一步地，所述跨阻放大器的高频时的传输函数为：其中，ωi为输入结点对应的极点，ω1为输出结点对应的极点。进一步地，所述跨阻放大器的-3dB截止频率为：其中，所述跨阻放大器电路的-3dB带宽有41％的带宽扩展。有益效果1、本专利技术所述电路的共栅极输入MOS管和有源反馈MOS管消耗更少的电压余度，可实现在低电源电压下仍有较大的输出电压摆幅；2、由于具有与调节型共源共栅(RGC)电路相近的输入阻抗，所以本专利技术设计电路可有效隔离输入寄生电容对带宽的影响；3、由于增加的容性退化产生了新的零点，该零点可以抵消前端放大器电路的极点，所以本专利技术所设计的电路可有效扩展带宽；4、本专利技术设计的跨阻放大器与标准CMOS工艺兼容，可实现同一芯片上高性能的光接收机模拟前端与数字信号处理后端的单片集成，从而降低成本，增强功能。附图说明图1为现有技术中的调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器的电路原理图；图2为本专利技术设计的有源反馈型跨阻放大器的电路原理图；图3为本专利技术设计的有源反馈型跨阻放大器的小信号等效电路图；图4为本专利技术设计的增加容性退化的有源反馈型跨阻放大器的电路原理图；图5为本专利技术设计的有源反馈型跨阻放大器的幅频特性。具体实施方式实施例1一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，参见图2，该放大器包括：1、使用固定偏置替换调节型共源共栅(RGC)结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗。即，减少了一个MOS管阈值电压对电源电压的消耗。2、使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅(RGC)结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响。即，在图2中结点2为信号输入端，从该结点向电路内部进行观察，可以看出利用带有共源极有源反馈的共栅极输入端。3、增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时进一步提高电压的增益。综上所述，本专利技术实施例利用容性退化来展宽带宽和提高增益。通过对电路元器件参数的调节和优化，在保证跨阻放大器整体增益基本不变的前提下，大幅提升了电路带宽，实现了一种低电压、高带宽的有源反馈型跨阻放大器。实施例2下面结合附图1-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：图1所示为调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器的电路原理图。所述电路由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与电阻R2和MOS管M2构成的共源级辅助放大器两部分构成。其中，整个跨阻放大器的主要作用是接收光电探测器输出的微弱电流信号，并将其转换、放大为电压信号。在对本专利技术实施例中所设计的电路进行讨论之前，先对调节型共源共栅(RGC)结构的一些特点进行阐述。首先分析直流工作点，要保证整体电路稳定工作，必须先保证所有MOS管工作在饱和区。从图1所示的电路原理图可知，MOS管M1、M2的开启条件为V2>VTH2、V1-V2>VTH1，即VTH1+VTH2&lt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。

【技术特征摘要】
1.一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述放大器由电阻R1、电阻Rs和MOS管M1构成的共栅极主放大器、与由MOS管M2构成的共源极有源反馈电路两部分构成；所述跨阻放大器通过在MOS管M1的栅极加一个偏置电压，以此替换调节型共源共栅结构中共栅极输入管的栅偏置，降低电压余度消耗；所述跨阻放大器使用带有共源极有源反馈的共栅极输入端来实现与调节型共源共栅结构相近的输入阻抗，进而隔离输入寄生电容对带宽的影响；所述跨阻放大器增加容性退化电路以产生抵消极点的零点，拓展带宽，同时提高电压的增益。2.根据权利要求1所述的一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述跨阻放大器利用改变共源极有源反馈的连接方式克服调节型共源共栅结构在先进工艺中电压余度不足的问题。3.根据权利要求1所述的一种用于低电压工作的宽带有源反馈型跨阻放大器，其特征在于，所述跨阻放大器的低频输入阻抗为：其中，gm1和...

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