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1、(10)申请公布号 CN 103900686 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103900686 A (21)申请号 201410150905.7 (22)申请日 2014.04.15 G01J 1/44(2006.01) (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西 源大道 2006 号 (72)发明人 周泽坤 董渊 张瑜 石跃 明鑫 王卓 张波 (74)专利代理机构 成都宏顺专利代理事务所 ( 普通合伙 ) 51227 代理人 李顺德 王睿 (54) 发明名称 一种用于高速光电探测器的前级放大电路 (57) 摘要 本发明涉及光电子集。
2、成电路技术领域， 涉及 一种用于高速光电探测器的前级放大电路。本发 明的前级放大电路， 其特征在于， 包括前级预防大 电路、 前级镜像电路和二级放大电路， 所述前级预 防大电路和前级镜像电路分别与二级放大电路的 两个输入端连接， 所述前级镜像电路的输入端与 二级放大电路连接， 所述前级预防大电路和前级 镜像电路的结构相同且参数匹配。本发明的有益 效果为， 同时满足高速和高增益的要求， 不受温 度、 工艺、 电源扰动等因素的影响， 并且电路有较 好的鲁棒性。 本发明尤其适用于高速光电探测器。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识。
3、产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103900686 A CN 103900686 A 1/1 页 2 1. 一种用于高速光电探测器的前级放大电路， 包括光电二极管， 其特征在于， 还包括前 级预防大电路、 前级镜像电路和二级放大电路， 所述前级预防大电路和前级镜像电路分别 与二级放大电路的两个输入端连接， 所述前级镜像电路的输入端与二级放大电路连接， 所 述前级预防大电路和前级镜像电路的结构相同且参数匹配 ； 所述前级预防大电路为跨阻放大器， 包括电阻 R1、 R2、 R3 和 NMOS 管 M1、 M2 ； 光电二极管 的负极接 。
4、M1 的源极和 M2 的栅极， 其正极接地 ； M1 的漏极通过 R1 接电源 VDD， 其栅极接 M2 的漏极， 其源极通过 R2 接地 ； M2 的漏极通过 R3 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的源极， 其源极接 地 ； 所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器， 包括电阻 R4、 R5、 R6 和 NMOS 管 M3、 M4 ； M3 的漏 极通过 R4 接电源 VDD， 其栅极接 M4 的漏极， 其源极通过 R5 接地 ； M4 的漏极通过 R6 接电源 VDD， 其源极接地 ； 所述二级放大电路为差动放大器， 包括电阻 R7、 R8 和 NMOS 管 M7、 M8、 M9 ； M7 的漏。
5、极通 过 R7 接电源 VDD， 其栅极接 M3 的漏极 ； M8 的漏极通过 R8 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的漏极 ； M7 和 M8 的源极共同接 M9 的漏极 ； M9 的栅极接 M3 的源极和 M4 的栅极， 其源极接地。 权 利 要 求 书 CN 103900686 A 2 1/4 页 3 一种用于高速光电探测器的前级放大电路 技术领域 0001 本发明涉及光电子集成电路技术领域， 涉及一种用于高速光电探测器的前级放大 电路。 背景技术 0002 光电子集成电路 (OEIC) 是利用光电子技术和微电子技术将光电子器件和电子元 件单片集成在同一衬底上的集成电路,主要由激光二极。
6、管(LD)、 发光二极管(LED)、 光电二 极管 (PD)、 光调制器等光电子有源器件和驱动电路、 开关、 放大器、 再生器和复用 / 解复用 器等电子元件及集成电路构成。 0003 OEIC 光接收机主要由光电探测器与晶体管放大器组成 , 它将光路传来的微弱光 信号经探测器转换成电信号并经放大器放大、 处理后输出。要改善 OEIC 接收机性能必须提 高光电探测器和晶体管放大器的性能。一般来讲 , 对于探测器要求低噪声、 高灵敏度和高 速度 , 对于放大器要求高的电流增益截止频率 (fT) 和最大振荡频率 (fmax) 以及高互阻、 高 跨导。而探测器的频率特性主要由前级放大电路决定， 因此。
7、前级电路的带宽和增益就显得 尤为重要， 对电路性能起到了至关重要的作用。 通常对于前级放大器来说， 跨导放大倍数和 电路带宽是一对相互制约的指标， 当放大倍数比较大时， 高的跨导会使前级放大器的主极 点位置前移， 导致带宽下降。此外， 为了提高光电探测器的精度， 需要电路具有较高的抗干 扰能力与鲁棒性。如图 1 所示， 传统的光电探测器往往需要一个基准源电路， 产生电路需要 的参考电平或者参考电流。但这样使得电路较容易受到干扰的影响产生误动作， 限制了光 电探测器的使用范围。 发明内容 0004 本发明所要解决的， 就是针对上述的前级放大器存在的问题， 提出一种同时满足 速光电探测器高速和高增。
8、益需求的前级放大电路。 0005 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是 ： 一种用于高速光电探测器的前级 放大电路， 包括光电二极管， 其特征在于， 还包括前级预防大电路、 前级镜像电路和二级放 大电路， 所述前级预防大电路和前级镜像电路分别与二级放大电路的两个输入端连接， 所 述前级镜像电路的输入端与二级放大电路连接， 所述前级预防大电路和前级镜像电路的结 构相同且参数匹配 ； 0006 所述前级预防大电路为跨阻放大器， 包括电阻 R1、 R2、 R3 和 NMOS 管 M1、 M2 ； 光电二 极管的负极接 M1 的源极和 M2 的栅极， 其正极接地 ； M1 的漏极通过 R1 接电源。
9、 VDD， 其栅极接 M2 的漏极， 其源极通过 R2 接地 ； M2 的漏极通过 R3 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的源极， 其源极 接地 ； 0007 所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器， 包括电阻 R4、 R5、 R6 和 NMOS 管 M3、 M4 ； M3 的漏极通过 R4 接电源 VDD， 其栅极接 M4 的漏极， 其源极通过 R5 接地 ； M4 的漏极通过 R6 接 电源 VDD， 其源极接地 ； 说 明 书 CN 103900686 A 3 2/4 页 4 0008 所述二级放大电路为差动放大器， 包括电阻 R7、 R8 和 NMOS 管 M7、 M8、 M9 ； M7 。
10、的漏 极通过 R7 接电源 VDD， 其栅极接 M3 的漏极 ； M8 的漏极通过 R8 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的 漏极 ； M7 和 M8 的源极共同接 M9 的漏极 ； M9 的栅极接 M3 的源极和 M4 的栅极， 其源极接地。 0009 本发明的有益效果为， 本发明采用带反馈的共栅放大电路结构， 使前级放大同时 满足高速和高增益的要求 ； 同时， 通过相同的放大电路匹配级形成差分信号输入到后续电 路， 使前级放大电路不受温度、 工艺、 电源扰动等因素的影响， 并且电路有较好的鲁棒性。 附图说明 0010 图 1 是传统的前级放大电路的逻辑结构示意框图 ； 0011 图 2 。
11、是本发明的前级放大电路的逻辑结构示意框图 ； 0012 图 3 是前级预防大电路的结构示意图 ； 0013 图 4 是本发明的前级放大电路的电路结构示意图。 具体实施方式 0014 下面结合附图和实施例， 详细描述本发明的技术方案 ： 0015 针对现有光电探测器的前级放大电路的增益和带宽不能同时达到最优值的问题， 本发明提出了如图 2 所示的光电探测放大器系统架构， 其前级采用了如图 3 所示的带反馈 环路的共栅极跨导放大器。 在该结构中， 决定主极点位置的电阻为R2， 而决定放大器跨阻值 的电阻为 R1， 在前级输入电容一定的情况下， 放大器的带宽和增益不会相互制约， 从而可以 满足比较高。
12、的设计要求。 0016 如图 4 所示， 所述前级预防大电路为跨阻放大器， 包括电阻 R1、 R2、 R3 和 NMOS 管 M1、 M2 ； 光电二极管的负极接 M1 的源极和 M2 的栅极， 其正极极接地 ； M1 的漏极通过 R1 接电 源 VDD， 其栅极接 M2 的漏极， 其源极通过 R2 接地 ； M2 的漏极通过 R3 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的源极， 其源极接地 ； 0017 所述前级镜像电路为镜像跨阻放大器， 包括电阻 R4、 R5、 R6 和 NMOS 管 M3、 M4 ； M3 的漏极通过 R4 接电源 VDD， 其栅极接 M4 的漏极， 其源极通过 R5 接地。
13、 ； M4 的漏极通过 R6 接 电源 VDD， 其源极接地 ； 0018 所述二级放大电路为差动放大器， 包括电阻 R7、 R8 和 NMOS 管 M7、 M8、 M9 ； M7 的漏 极通过 R7 接电源 VDD， 其栅极接 M3 的漏极 ； M8 的漏极通过 R8 接电源 VDD， 其栅极接 M1 的 漏极 ； M7 和 M8 的源极共同接 M9 的漏极 ； M9 的栅极接 M3 的源极和 M4 的栅极， 其源极接地。 0019 本发明的工作原理为 ： 0020 1. 增益分析 0021 如图 3 所示的前级预放大电路中， 在 A 点对反馈断环， 由于对于 M2 来说该反馈为 电压采样 。
14、- 电流求和。其开环跨阻增益 AR,OL为 ： 0022 0023 其环路增益为 ： 0024 LG gM2R3 说 明 书 CN 103900686 A 4 3/4 页 5 0025 所以， 前级放大闭环增益为 ： 0026 其中， iin为输入电流， gM2为 M2 管的跨导， R1， R2， R3 分别为图 3 中所对应的电阻 值。 0027 2. 带宽分析 0028 光电探测器前级放大电路的输入级通常为光电接收管， 而集成光电接收管有比较 大的寄生电容， 其等效电路如图 3 所示， CPD为光电二极管的寄生电容。设置该点为放大器 主极点位置， 即放大器的带宽由 CPD和 A 点的等效输。
15、入阻抗 Rin决定。所以有 ： 0029 0030 所以， 放大器主极点在输入端 A 点， 为 0031 0032 其中， gM1和 gM2分别为 M1， M2 管对应的跨导。 0033 另外， 在节点 B 和输出端 OUT 处有两个极点， 分别为 ： 0034 0035 0036 其中， CB为 B 点的等效电容， COUT为 OUT 结点所对应的等效电容。 0037 因为 CB和 COUT的值都很小， 所以 P2P1， P3P1， 极点 P2 与 P3 都在环路单 位增益带宽以外， 其对于环路的影响可忽略， 从而保证环路的稳定工作。 0038 由以上分析可得， 当主极点在光电流输入端时， 。
16、放大器的带宽与增益无直接制约 关系， 因此在一定范围内， 可以将跨阻增益和带宽同时做得很高。 0039 因为光电流信号很微弱， 经过前级放大电路放大后信号的幅度仍然不大， 还需要 进一步放大， 容易受到电源扰动、 电路静态工作点等因素的干扰， 导致整体电路产生误动 作。为了消除这些不利因素的影响， 第二级采用差动放大器是最好的选择 （如图 4 中的二级 放大结构） 。按照差动放大的思想， 差动放大器的另一端应该输入前级的静态直流工作点， 但是电路由于受到温度及工艺偏差的影响， 静态直流工作点需要动态跟随调整， 很难使用 常规的固定参考点确定电路工作点。为了解决这个问题， 本发明设计了前级镜像的。
17、电路结 构， 即增加一个与前级预放大电路结构和参数都一样的电路， 使其工作在与前级放大器相 同的静态条件下 （即不加光电流输入信号时） ， 将其输出加在差动放大级的另一端， 作为电 路的动态参考点， 如图 4 所示。这样无论在任何温度和工艺条件下， 前级镜像级和预放大级 的静态工作点都能保持一致， 从而最大限度地减小了电源扰动、 电路静态工作点等因素的 干扰， 使电路实现理想的差模放大， 避免电路产生误动作。 说 明 书 CN 103900686 A 5 4/4 页 6 0040 3. 静态工作点分析 0041 本发明中前级放大器采用的跨阻放大电路结构具有自偏置特点， 以跨阻放大器的 静态工作。
18、点为例， 由图 2 分析可得， 0042 VA IM1R2 0043 VB VDD-IM2R3 0044 VOUT VDD-IM1R1 0045 其中， IM1和 IM2分别为 MOS 管 M1 和 M2 的漏端电流， 其值为 ： 0046 0047 0048 将 VA， VB代入联立可得， 0049 0050 0051 其中， W1/L1与 W2/L2分别为 M1 和 M2 管的宽长比， un为 NMOS 的沟道迁移率， COX为 NMOS 的栅介质电容， VTN为 NMOS 的阈值电压， VDD 为电源电压， IM1和 IM2分别为 M1 和 M2 管 的静态电流。 0052 由以上方程组。
19、可得， 通过确定的电阻值和阈值电压可求出 M1 和 M2 管的静态工作 电流 IM1和 IM2， 通过合适地设置电阻值及管子参数， 使得晶体管工作在饱和区， 并满足增益 和带宽的要求。同时应该保证 OUT 端的直流电压在合理的范围内， 确保后级差动放大器的 输入管工作在饱和区。 0053 如图 4 所示， 为了保证跨阻放大器和镜像跨阻放大器的高度匹配性， 将跨阻放大 器和镜像跨阻放大器设置成相同的静态工作点， 从而保证在无光电流输入时， 差动放大器 的静态输入相等， 即 VGM8=VGM7。同时为了使后级差动放大器完全匹配， 且避免对额外电流源 的要求。本发明巧妙地使用了镜像跨阻放大器 MN4 晶体管的栅极为差动放大器提供偏置电 流。 说 明 书 CN 103900686 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103900686 A 7 。