一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路制造技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，包括光电二极管、跨阻放大器、单端转差分放大器、输出缓冲电路、峰值检测电路和直流消失调电路。本技术方案针对光接收机前置放大电路的输入级跨阻放大器，对其设计了新型三级推挽反相器结构，具有高增益和低噪声的特点，提高前置放大器的灵敏度；在反馈环路之中设计了虚零点，提高跨阻放大器的工作速率，增加稳定性；提出一种新的具有自适应功能的自动增益控制技术，使得跨阻放大器在不同光输入功率下保持带宽不变，环路稳定，具有宽动态范围特性。

A Preamplifier Circuit for Optical Receiver with High Sensitivity and Wide Dynamic Range

The invention discloses a high sensitivity and wide dynamic range optical receiver preamplifier circuit, which comprises a photodiode, a transimpedance amplifier, a single-ended differential amplifier, an output buffer circuit, a peak detection circuit and a DC EPM circuit. In this technical scheme, a new three-stage push-pull inverter structure is designed for the input transconductance amplifier of the optical receiver preamplifier circuit, which has the characteristics of high gain and low noise, and improves the sensitivity of the preamplifier. In the feedback loop, a virtual zero point is designed to improve the working speed and stability of the transconductance amplifier. A new adaptive function is proposed. Automatic gain control technology makes the transimpedance amplifier keep bandwidth unchanged under different optical input power, stable loop and wide dynamic range.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路
本专利技术属于光纤通信中的光电集成电路领域，涉及跨阻前置放大器电路，具体涉及一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路。
技术介绍
随着光纤通信的快速发展，有力地推动了光通信产品的广泛应用，同时对其性能也提出了苛刻的要求。光接收机芯片作为光通信系统的重要组成部分，其性能(包括灵敏度、动态范围等)关系到光信号的传输质量。其中，跨阻放大器(TransimpedenceAmp，TIA)位于接收机的最前端，是光接收机中最重要的芯片，它的噪声及动态范围性能直接决定了光接收机的灵敏度和动态范围。由此可见，跨阻放大器的性能在很大程度上决定了光接收机乃至整个光纤通信系统的性能。因此，研究设计高速、高增益、低噪声、宽动态范围的前置跨阻放大器，对于提高光接收机的性能，构建高速、大容量、长距离光纤通信系统具有重要的价值，对我国的光通信产业及集成电路产业都具有十分重要的推动作用。光通信系统通常用光电二极管将光脉冲信号转换为电流脉冲信号。跨阻放大器(TIA)将这个电流脉冲信号转换为相应的电压脉冲信号供后续的电路放大和处理。由于在实际使用中接收的光电流的动态范围非常大，跨阻放大器也相应要求有很大的输入动态范围。因此，跨阻放大器要有相应的自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)和直流失调调整机制，但是主流的直流失调调整电路常常会对电路的噪声性能带来不利影响或者结构过于复杂。因此，本领域的技术人员致力于开发一种带自动增益控制和直流失调控制的低噪声跨阻放大器。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，能有效的解决上述问题。本专利技术通过以下技术方案实现：一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，包括光电二极管、跨阻放大器、单端转差分放大器、输出缓冲电路、峰值检测电路和直流消失调电路；所述光电二极管将不同功率的光信号转换为相应大小的电流，其一端与电源连接，另一端分别与跨阻放大器和直流消失调电路的一端连接；所述跨阻放大器的前端与光电二极管连接，将光电二极管传输过来的电流信号转换为电压信号，并与单端转差分放大器连接，通过单端转差分放大器将其转换为差分信号；所述单端转差分放大器的后端与最后一级的输出缓冲电路连接；输出缓冲电路的输出电阻为50Ω；峰值检测电路的前端与跨阻放大器连接，后端分别与输出端口VOP和VON连接，检测前置放大器输出端口VOP和VON的电压大小，产生自动增益控制电压VAGC；直流消失调电路与跨阻放大器并联，保持前置放大器输入级的直流工作点稳定，输入输出电压相等。进一步的，所述的跨阻放大器包括三级推挽反相器和反馈电路；所述的三级推挽反相器与反馈电路并联，其输入端与光电二极管连接，输出端与输出端口OUT连接。进一步的，所述反馈电路由电阻RF与电容CF并联组成。进一步的，所述的三级推挽反相器包括：晶体管MN1和MP1串联形成的第一级反相器、晶体管MN2和MP2串联形成的第二级反相器，晶体管MN4和MP4串联形成的第三级反相器，所述的第一级反相器、第二级反相器和第三级反相器串联连接。进一步的，所述的第一级反相器、第二级反相器和第三级反相器的前端分别连接了晶体管MN5、晶体管MN6和晶体管MN7，形成自动增益控制电路。进一步的，所述的第二级反相器和第三级反相器的输出节点分别串联了增加的节点。进一步的，所述增加的节点为与第二级反相器的输出节点串联连接的晶体管MN3、晶体管MP3的节点，以及与第三级反相器的输出节点串联的晶体管MP5的节点。进一步的，所述的第一级推挽反相器的沟道宽度最大，第二级推挽反相器与第三级推挽反相器的沟道宽度相等，且小于第一级推挽反相器的沟道宽度。进一步的，所述跨阻放大器电路中，其主通道上的晶体管沟道长度均采用最小栅长。进一步的，所述的单端转差分放大器包括与跨阻放大器的输出端连接的输入端口、直流电压输入的基准电压输入端和耦合电路，耦合电路的输出端与输出缓冲电路连接。（三）有益效果本专利技术提出的一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：（1）本技术方案针对光接收机的前置放大电路的输入级跨阻放大器，对其设计了新型三级推挽反相器结构，具有高增益和低噪声的特点，提高前置放大器的灵敏度；在反馈环路之中设计了虚零点，提高跨阻放大器的工作速率，增加稳定性；提出一种新的具有自适应功能的自动增益控制技术，使得跨阻放大器在不同光输入功率下保持带宽不变，环路稳定，具有宽动态范围特性。（2）在第二级反相器和第三级反相器输出节点增加了串联连接的晶体管MN3、MP3和MP5，降低了节点阻抗，减小了密勒效应。（3）在第一级反相器、第二级反相器和第三级反相器的前端连接的晶体管MN5、晶体管MN6和晶体管MN7组成，形成自适应功能的自动增益控制电路，提高了电路的输入动态范围。当输入电流较大时，为了避免跨阻放大器进入饱和状态，自动增益控制被激活，VAGC变大，晶体管MN5、晶体管MN6和晶体管MN7进入线性区，等效为随VAGC增大而变小的可变电阻，实现了大信号时的自动增益控制，保证在“激活”区域，跨阻放大器仍然保持线性工作。（4）将跨阻放大器电路中的晶体管沟道长度采用最小栅长，可以最小化主通道上寄生电容，提高跨阻放大器的速率。（5）第一级推挽反相器的尺寸最大，第二级与第三级反相器尺寸较小，且大小相等的设计，使得负反馈环路通过跨阻RF提供直流偏置电压，因为没有电流输入，RF两端的电压差几乎为零，所以跨阻放大器的输入输出直流电压相等。（6）反馈电路由补偿电容CF与反馈电阻RF并联构成，不存在于系统传输函数之中，仅存在于反馈网络中。其不使用电感，在保持跨阻放大器稳定性的前提下，能够最大程度的提高跨阻放大器的工作速率。而且补偿电容在不改变电路结构与增益的条件下，增大了反馈环路的阻尼系数，提高了环路的稳定性。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意框图。图2是本专利技术中的跨阻放大器电路示意图。图3是本专利技术实施例中的带宽与稳定性分析示意图。图4是本专利技术实施例中的跨阻放大器的频率响应示意图。图5是本专利技术实施例中的跨阻放大器在不同自动增益控制电压下的频率响应示意图。附图中的标记：反馈控制电压VAGC/V：1—0.9；2—1.2；3—1.5。图6是本专利技术中的单端转差分放大器和输出级缓冲电路示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本专利技术设计构思的前提下，本领域普通人员对本专利技术的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本专利技术的保护范围。实施例：如图1所示，一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，主要包括光电二极管（PD）、跨阻放大器（TIA）、单端转差分放大器(Single-endedtodifferentialamplifier,S-DAmp)、输出缓冲电路(Driver)、峰值检测电路(Peak-valuedetection,PVD)和直流消失调电路(DCoffsetcancellation,DOC)。所述光电二极管PD将不同功率的光信号转换为相应大小的电流，其一端与电源连接，另一端分别与跨阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，其特征在于：包括光电二极管、跨阻放大器、单端转差分放大器、输出缓冲电路、峰值检测电路和直流消失调电路；所述光电二极管将不同功率的光信号转换为相应大小的电流，其一端与电源连接，另一端分别与跨阻放大器和直流消失调电路的一端连接；所述跨阻放大器的前端与光电二极管连接，将光电二极管传输过来的电流信号转换为电压信号，并与单端转差分放大器连接，通过单端转差分放大器将其转换为差分信号；所述单端转差分放大器的后端与最后一级的输出缓冲电路连接；输出缓冲电路的输出电阻为50Ω；峰值检测电路的前端与跨阻放大器连接，后端分别与输出端口VOP和VON连接，检测前置放大器输出端口VOP和VON的电压大小，产生自动增益控制电压VAGC；直流消失调电路与跨阻放大器并联，保持前置放大器输入级的直流工作点稳定，输入输出电压相等。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，其特征在于：包括光电二极管、跨阻放大器、单端转差分放大器、输出缓冲电路、峰值检测电路和直流消失调电路；所述光电二极管将不同功率的光信号转换为相应大小的电流，其一端与电源连接，另一端分别与跨阻放大器和直流消失调电路的一端连接；所述跨阻放大器的前端与光电二极管连接，将光电二极管传输过来的电流信号转换为电压信号，并与单端转差分放大器连接，通过单端转差分放大器将其转换为差分信号；所述单端转差分放大器的后端与最后一级的输出缓冲电路连接；输出缓冲电路的输出电阻为50Ω；峰值检测电路的前端与跨阻放大器连接，后端分别与输出端口VOP和VON连接，检测前置放大器输出端口VOP和VON的电压大小，产生自动增益控制电压VAGC；直流消失调电路与跨阻放大器并联，保持前置放大器输入级的直流工作点稳定，输入输出电压相等。2.根据权利1所述的一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，其特征在于：所述的跨阻放大器包括三级推挽反相器和反馈电路；所述的三级推挽反相器与反馈电路并联，其输入端与光电二极管连接，输出端与输出端口OUT连接。3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度宽动态范围光接收机前置放大电路，其特征在于：所述反馈电路由电阻RF与电容CF并联组成。4.根据权利2所述的一种高灵敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱铁柱，杜环利，季仁东，王马华，张宇林，唐永锋，居永峰，杨潇，魏丹丹，于银山，杨伟强，王珣，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32