一种高增益高带宽的可变增益放大器及放大器芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种高增益高带宽的可变增益放大器及放大器芯片，可变增益放大器包括两级设置的跨导放大器和跨阻放大器；其中，第一级跨导放大器，其输入端接受输入信号，将输入的电压信号进行放大并转化为电流信号；第二级跨阻放大器，其输入端与第一级跨导放大器的输出端相连，用于进一步将信号放大并将电流信号转化为电压信号。可变增益放大器芯片采用所述的可变增益放大器。本发明专利技术在改变可变增益放大器第二级TIA的增益的时候，只改变输入端跨接的可变电阻的阻值，不会影响TIA的稳定性，并且在大信号的情况下使输入电阻会降低，从而可以提高线性度。本发明专利技术应用于100G/200G/400G以太网中PAM‑4模式传输和相干光检测的高速光接收芯片。

【技术实现步骤摘要】
一种高增益高带宽的可变增益放大器及放大器芯片
本专利技术属于光通信芯片设计
，具体涉及一种高增益高带宽的可变增益放大器及放大器芯片。
技术介绍
近几年，随着云计算、高性能计算、高清视频点播等的不断普及和发展，高带宽网络应用已无处不在，核心及数据中心网络带宽以指数速率高速增长。光通信从早期的10Gb/s和40Gb/s以太网到如今100Gb/s技术的成熟商用，再到业界加速推进400Gb/s甚至1Tb/s超高速传输技术的研发和产业化进程，未来对更大容量、更高传输速率的需要越来越高。光接收机一般包括跨阻放大器(TIA)、可变增益放大器(VGA)、数据时钟恢复电路(CDR)等。光纤发出的光信号被光电探测器所接收后，产生一个与接收光强度成正比的光电流。跨阻放大器将光电流放大并转化为电压信号，再经过VGA进一步放大，使其可以被CDR进行处理。可变增益放大器的主要性能指标包括带宽、增益和线性度。为了信号传输质量，电路必须有充足的带宽。又因为TIA输出较小，而CDR等需要的输入信号较大，因此需要一个高增益的VGA进行放大，一般要求VGA的增益不小于20dB。目前，在50Gb/s及以上，PAM-4调制已取代NRZ调制，因此要求放大电路工作一直在线性区；相对的，NRZ调制则对电路线性度要求不高。对PAM-4信号来说，为了保证4个电平都能够被很好地区分，要求4个电平等间隔分布，因此电路对线性度有很高的要求。常见的VGA结构包括：基于吉尔伯特单元的VGA，此种VGA因为输出结点连接的是4个输出管，寄生电容也很大，另外因为改变增益的时候，其中有一半输入管因为电流的减少会导致线性度降低，不利于信号的传输；改变源极反馈电阻的共源放大器，此种VGA因为在源级加入了很大的电容，会产生一个带内零点，从而在频率响应中产生多度峰化，影响信号传输质量。因此在上述VGA电路都对性能有所取舍，所以高速光通信系统对高增益、高带宽、高线性度的VGA需要求迫切。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种高增益高带宽的可变增益放大器及放大器芯片，解决了系统对带宽和增益的较高要求，从而实现了优异的性能。本专利技术采用以下技术方案来实现的：一种高增益高带宽的可变增益放大器，包括两级设置的跨导放大器和跨阻放大器；其中，第一级跨导放大器，其输入端接受输入信号，将输入的电压信号进行放大并转化为电流信号；第二级跨阻放大器，其输入端与第一级跨导放大器的输出端相连，用于进一步将信号放大并将电流信号转化为电压信号。本专利技术进一步的改进在于，跨导放大器采用两对差分对的输入管，均采用源级负反馈的结构；第一对差分对，输入管由两个P型MOS管M5、M6组成，负载是由两个N型MOS管M1、M2组成，负反馈电阻都采用可变电阻Rs；第二对差分对，输入管由两个P型MOS管M7、M8组成，负载是由两个N型MOS管M3、M4组成，负反馈电阻都采用可变电阻Rs1；所述第一对差分对的连接方式如下：M5的栅端连接输入端VINN和M7的栅端，M5的源端连接电流源I1和电阻Rs，M5的漏端连接输出端VOUTP和M1的漏级；M6的栅端连接输入端VINPP和M8的栅端，M6的源端连接电流源I2和电阻Rs，M6的漏端连接输出端VOUTN和M2的漏端；M1的栅端连接电阻Rp1、M7的漏端和M3的漏端，M1的源端连接地，M1的漏端连接输出端VOUTP和M5的漏端；M2的栅端连接电阻Rp2、M8的漏端和M4的漏端，M2的源端连接地，M2的漏端连接输出端VOUTN和M6的漏端；电阻Rs一端连接电流源I1和M5的源端，电阻Rs另一端连接电流源I2和M6的源端；所述第二对差分对的连接方式如下：M7的栅端连接输入端VINN和M5的栅端，M7的源端连接电流源I3和电阻Rs1，M7的漏端连接M1的栅端、电阻Rp1和M3的漏端；M8的栅端连接输入端VINP和M6的栅端，M8的源端连接电流源I4和电阻Rs1，M8的漏端连接M2的栅端、电阻Rp2和M4的漏端；M3的栅端连接电阻Rp1，M3的源端接地，M3的漏端连接电阻Rp1、M1的栅端和M7的漏端；M4的栅端连接电阻Rp2，M4的源端接地，M4的漏端连接电阻Rp2、M2的栅端和M8的漏端；电阻Rp1一端连接M1的栅端、M7的漏端和M3的漏端，电阻Rp1另一端连接M3的栅端；电阻Rp2一端连接M2的栅端、M8的漏端和M4的漏端，电阻Rp2另一端连接M4的栅端；电阻Rs1一端连接电流源I3和M7的源端，电阻Rs1另一端连接电流源I4和M8的源端。本专利技术进一步的改进在于，跨阻放大器采用前馈通路和反馈通路构成，前馈通路采用的是反相器的结构，采用可变电阻来改变性能，采用电感进行性能补偿；反馈电路采用电阻反馈的方式；所述的前馈通路由两个P型MOS管M9、M10，三个N型MOS管M11、M12、M13，电流源Itail和两个电感L5、L6组成；所述的反馈电路由电阻RF1和电阻RF2组成；所述的前馈电路连接方式如下：M9的栅端连接电阻RF1、M11的栅端、输入端VINN和M13的漏端，M9的源端连接电流源Itail和M10的源端，M9的漏端连接电阻RF1、电感L5和M11的漏端；M10的栅端连接电阻RF2、M12的栅端、输入端VINP和M13的栅端，M10的源端连接电流源Itail和M9的源端，M10的漏端连接电阻RF2、电感L6和M12的漏端；M11的栅端连接输入端VINN、M13的漏端、电阻RF1和M9的栅端，M11的源端连接地，M11的漏端连接电阻RF1、电感L5和M9的漏端；M12的栅端连接输入端VINP、M13的源端、电阻RF2和M10的栅端，M12的源端连接地，M12的漏端连接电阻RF2、电感L6和M10的漏端；M13的栅端连接输入端VGA_Ctrl，M13的源端连接输入端VINP、M10的栅端、M12的栅端和电阻RF2，M13的漏端连接输入端VINN、M9的栅端、M11的栅端和电阻RF1；电感L5一端连接电阻RF1、M9的漏端和M11的漏端，电感L5另一端连接输出端VOUTP；电感L6一端连接电阻RF2、M10的漏端和M12的漏端，电感L6另一端连接输出端VOUTN；所述的反馈电路连接方式如下：电阻RF1一端连接输入端VINN、M9的栅端、M11的栅端和M13的漏端，电阻RF1另一端连接电感L5、M9的漏端和M11的漏端；电阻RF2一端连接输入端VINP、M10的栅端、M12的栅端和M13的源端，电阻RF2另一端连接电感L6、M10的漏端和M12的漏端。一种高增益高带宽的可变增益放大器芯片，采用上述的一种高增益高带宽的可变增益放大器。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的一种高增益高带宽的可变增益放大器，采用两级结构，两级电路结构增益可变，可以得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高增益高带宽的可变增益放大器，其特征在于，包括两级设置的跨导放大器和跨阻放大器；其中，/n第一级跨导放大器，其输入端接受输入信号，将输入的电压信号进行放大并转化为电流信号；/n第二级跨阻放大器，其输入端与第一级跨导放大器的输出端相连，用于进一步将信号放大并将电流信号转化为电压信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种高增益高带宽的可变增益放大器，其特征在于，包括两级设置的跨导放大器和跨阻放大器；其中，
第一级跨导放大器，其输入端接受输入信号，将输入的电压信号进行放大并转化为电流信号；
第二级跨阻放大器，其输入端与第一级跨导放大器的输出端相连，用于进一步将信号放大并将电流信号转化为电压信号。


2.根据权利要求1所述的一种高增益高带宽的可变增益放大器，其特征在于，跨导放大器采用两对差分对的输入管，均采用源级负反馈的结构；
第一对差分对，输入管由两个P型MOS管M5、M6组成，负载是由两个N型MOS管M1、M2组成，负反馈电阻都采用可变电阻Rs；
第二对差分对，输入管由两个P型MOS管M7、M8组成，负载是由两个N型MOS管M3、M4组成，负反馈电阻都采用可变电阻Rs1；
所述第一对差分对的连接方式如下：
M5的栅端连接输入端VINN和M7的栅端，M5的源端连接电流源I1和电阻Rs，M5的漏端连接输出端VOUTP和M1的漏级；
M6的栅端连接输入端VINPP和M8的栅端，M6的源端连接电流源I2和电阻Rs，M6的漏端连接输出端VOUTN和M2的漏端；
M1的栅端连接电阻Rp1、M7的漏端和M3的漏端，M1的源端连接地，M1的漏端连接输出端VOUTP和M5的漏端；
M2的栅端连接电阻Rp2、M8的漏端和M4的漏端，M2的源端连接地，M2的漏端连接输出端VOUTN和M6的漏端；
电阻Rs一端连接电流源I1和M5的源端，电阻Rs另一端连接电流源I2和M6的源端；
所述第二对差分对的连接方式如下：
M7的栅端连接输入端VINN和M5的栅端，M7的源端连接电流源I3和电阻Rs1，M7的漏端连接M1的栅端、电阻Rp1和M3的漏端；
M8的栅端连接输入端VINP和M6的栅端，M8的源端连接电流源I4和电阻Rs1，M8的漏端连接M2的栅端、电阻Rp2和M4的漏端；
M3的栅端连接电阻Rp1，M3的源端接地，M3的漏端连接电阻Rp1、M1的栅端和M7的漏端；
M4的栅端连接电阻Rp2，M4的源端接地，M4的漏端连接电阻Rp2、M2的栅端和M8的漏端；
电阻Rp1一端连接M1的栅端、M7的漏端和M3的漏端，电阻Rp1另一端连接M3的栅端；
电阻Rp2一端连接M2的栅端、M8的漏端和M4的漏端，电阻Rp2另一端连接M4的栅端；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丹，杨栋，史勇俊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61