一種低噪高速跨阻放大器的制作方法

本發明屬于電子技術領域，具體涉及一種低噪高速跨阻放大電路。

背景技術：

在高速傳感集成電路中，傳感器接收其他非電信號后產生的往往是微弱的電流信號，同時，這些傳感器前端寄生電容較大。尤其在高速光電集成電路中，光電二極管接收到光信號后產生微弱的電流信號。為了便于后級電路處理信息，需要將電流信號轉化為適當幅值的電壓信號，因此要求前級弱電流檢測電路具有較大的增益；而考慮到傳感器前端寄生電容，特別是電容較大的情況下，使得整體電路不能同時獲得高的增益和大的帶寬，尤其在要求整體電路具有較好的噪聲性能情況下，增益和帶寬的折中更加明顯。

調節式共柵共源(RGC)電路結構能較好地隔離前端傳感器的寄生電容，但是噪聲性能差；其他電流檢測電路一般只適合寄生電容較小的情況。

技術實現要素：

本發明針對上述現有跨阻放大器電路無法同時實現高增益、高帶寬和低噪聲的限制，尤其是在光電管寄生電容大的情況下帶寬不夠寬的問題，提出了一種低噪高速跨阻放大器，可以同時實現低噪聲、高帶寬和高增益。

本發明的技術方案是：

一種低噪高速跨阻放大器，包括兩個電流放大器、一個電流鏡電流做差電路和一個后級跨阻放大器；

第一電流放大器輸入端接信號光電管，第二電流放大器輸入端接虛擬光電管或浮空處理；

電流鏡電流做差電路的兩個輸入端分別接兩個電流放大器的輸出端，將兩個電流放大器的輸出電流做差；

后級跨阻放大器的輸入端接電流鏡電流做差電路的輸出端。

具體的，所述第一電流放大器與第二電流放大器采用相同的電流放大電路形式，所述電流放大電路由一個前級跨阻放大器和一個后級電壓電流轉換電路組成，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻RF1、第一電容C1、第二電容CF1和放大器A1；

第一NMOS管MN1的柵極作為所述電流放大電路的輸入端，第二PMOS管MP2的源極作為所述電流放大電路的輸出端；

第一NMOS管MN1的柵極經過第四電阻RF1和第二電容CF1的并聯結構后連接放大器A1的同相輸入端，其漏極經過第一電阻R1后接電源電壓VDD，其源極接地；

第二NMOS管MN2的柵極接第一NMOS管MN1的漏極，其源極通過第二電阻R2后接地，其漏極接電源電壓VDD；

第三NMOS管MN3的柵極接放大器A1的輸出端，其源極接放大器A1的反相輸入端和第四NMOS管MN4的漏極，其漏極接第一PMOS管MP1的源極和柵極以及第二PMOS管MP2的柵極；

第四NMOS管MN4的漏極通過第三電阻R3和第一電容C1的串聯結構后接地，其源極接地，其柵極接電壓偏置VB0；

第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的漏極接電源電壓VDD。

具體的，所述電流鏡電流做差電路包括柵極互連的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，第五NMOS管MN5的柵極和漏極互連并連接第二電流放大器的輸出端IOUT2，第六NMOS管MN6的漏極連接第一電流放大器的輸出端IOUT1并作為電流鏡電流做差電路的輸出端，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源極接地。

具體的，所述后級跨阻放大器包括并聯的反向放大器和第五電阻RF2，反向放大器的輸入端連接電流鏡電流做差電路的輸出端，其輸出端OUT為整個跨阻放大器的輸出端。

本發明的有益效果為：第一電流放大器和第二電流放大器為低輸入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足夠寬的帶寬下為整體電路提供一部分增益，隔離輸入節點的大電容，抑制第一級的噪聲；電流鏡電流做差電路，將前級兩個電流放大器的電流做差，從而實現電路靜態工作點的穩定，及噪聲抵消功能；傳感器的大寄生電容被前序處理電路隔離，后級跨阻放大器只受電流鏡電流做差電路輸出結點的小寄生電容影響，可以采用高增益跨阻放大器，在保證高帶寬的前提下，為電路提供較大的增益和電路驅動能力；本發明提出的架構可以同時實現低噪聲、高帶寬和高增益。

附圖說明

圖1為本發明所提出的一種低噪高速跨阻放大電路的電路框架圖。

圖2為本發明所提出的一種低噪高速跨阻放大電路中電流放大電路結構圖。

圖3為本發明所提出的一種低噪高速跨阻放大電路中后級跨阻放大器的電路結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：

本發明中，考慮到信號輸入節點寄生電容大，會嚴重影響跨阻放大器的增益帶寬積，無法在滿足傳輸速度的前提下，直接利用高增益放大器將弱電流信號放大到輸出合適的電壓信號。因此，如圖1所示，本發明將整體放大電路分為電流放大電路和跨阻放大電路。電流放大電路為低輸入阻抗、低噪聲電流放大電路，在足夠寬的帶寬下實現電路的一部分電流增益，隔離輸入節點的大電容。多級放大器噪聲系數計算公式

其中N_Fx為第x級放大器的噪聲系數，G_x為第x級放大器的增益。由上面的公式可以得出，多級放大器的總噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數，越是后面的放大器對總的噪聲系數影響越小。對第一級來說，噪聲系數應該盡量小，增益盡量大。

如圖1所示為本發明的電路框架圖，包括兩個電流放大器、一個電流鏡電流做差電路和一個后級跨阻放大器；為了使得第一級噪聲盡可能低，本發明使用了兩個電流放大器，第一電流放大器輸入端接信號光電管，第二電流放大器輸入端接虛擬光電管或浮空處理。電流鏡電流做差電路的兩個輸入端分別接兩個電流放大器的輸出端，將兩個電流放大器的輸出電流做差，電流鏡電流做差電路包括柵極互連的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6，第五NMOS管MN5的柵極和漏極互連并連接第二電流放大器的輸出端IOUT2，第六NMOS管MN6的漏極連接第一電流放大器的輸出端IOUT1并作為電流鏡電流做差電路的輸出端，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源極接地。本發明使用的兩個電流放大器的輸出電流經過電流鏡做差電路做差后，將抵消兩個輸出電流中的大部分噪聲，同時可以抵消光電管暗電流，并產生與光強相關的輸出信號電流信號。后級跨阻放大器的輸入端接電流鏡電流做差電路的輸出端。

電流放大器前級為跨阻放大器，后級為電壓電流轉換電路。加入電壓電流轉換電路，將跨阻放大器輸出電壓轉換成電流，便于電流鏡電流做差。共源結構電路具有噪聲小的特點，因此本發明選擇共源結構做為第一級跨阻放大器。由于本發明所保護的是一種架構和方法，而不局限于特定的跨阻放大器具體電路。如圖2所示為本發明所提出的一種低噪高速跨阻放大電路中電流放大電路的一種實現電路結構圖，為了便于闡述和理解本發明的內容，此處僅以圖2所示前級跨阻放大器為一實例，闡述本發明的益處。當然本發明也可以采用其他具體跨阻放大器結構進行實現。

圖2所示為電流放大電路的一種實現電路結構，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻RF1、第一電容C1、第二電容CF1和放大器A1；第一NMOS管MN1的柵極作為所述電流放大電路的輸入端，第二PMOS管MP2的源極作為所述電流放大電路的輸出端；第一NMOS管MN1的柵極經過第四電阻RF1和第二電容CF1的并聯結構后連接放大器A1的同相輸入端，其漏極經過第一電阻R1后接電源電壓VDD，其源極接地；第二NMOS管MN2的柵極接第一NMOS管MN1的漏極，其源極通過第二電阻R2后接地，其漏極接電源電壓VDD；第三NMOS管MN3的柵極接放大器A1的輸出端，其源極接放大器A1的反相輸入端和第四NMOS管MN4的漏極，其漏極接第一PMOS管MP1的源極和柵極以及第二PMOS管MP2的柵極；第四NMOS管MN4的漏極通過第三電阻R3和第一電容C1的串聯結構后接地，其源極接地，其柵極接電壓偏置VB0；第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的漏極接電源電壓VDD。

圖2所示前級跨阻放大器的跨阻增益為R_F1，帶寬為：

C_p為輸入端寄生電容，g_mn1為第一NMOS管M1的跨阻。

等效到輸入端的噪聲為

其中k為波爾茲曼常數；T為開爾文溫度；C_ox為單位面積柵氧化層電容；W為晶體管溝道寬度；L為晶體管溝道長度；f為頻率。

由帶寬公式和輸入噪聲公式得出，通過增加g_mn1和R₁可以同時增加帶寬和減低噪聲，再結合跨阻增益R_F1，可以使得前級跨阻放大器能夠滿足帶寬需求，同時擁有足夠低的噪聲系數。

電壓電流轉換電路中，第四NMOS管MN4為電路提供直流偏置，第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2為電流鏡，將轉換后的電流輸出到后級，并提供一定電流增益。電壓電流轉換電路跨導為g_m＝V_IN1/R₃。

綜合電流放大器中前級跨阻放大器和電壓電流轉換電路來看，電流增益為g_m＝mR_F1/R₃，m為第二PMOS管MP2的寬長比與第一PMOS管MP1的寬長比之比。

如圖3所示為后級跨阻放大電路的一種實現電路結構圖，包括并聯的反向放大器和第五電阻RF2，反向放大器的輸入端連接電流鏡電流做差電路的輸出端，其輸出端OUT為整個跨阻放大器的輸出端。后級跨阻放大器為傳統跨阻放大器，但是由于傳感器寄生電容被隔離，因此后級跨阻放大器輸入節點寄生電容只是前級電路輸出管的寄生電容，因此帶寬為

其中C_db.MP2為第二PMOS管MP2漏極和襯底之間的電容，C_db.MN6為第六NMOS管MN6漏極和襯底之間的電容，C_in2為后級跨阻放大器輸入電容；A為后級跨阻放大器開環電壓增益。因為C_db.MP2、C_db.MN6和C_in2很小，因此后級跨阻放大器可以在滿足帶寬的情況下，將R_F2設置得很大。

通過上述分析可知，本發明所提電流檢測電路總的跨阻增益為

而電流檢測電路輸入節點的大寄生電容被前級低增益跨阻放大器隔離，后級跨阻放大器輸入電容將變得很小，因此整體電路的帶寬和增益比傳統跨阻放大器而言，都可以設置的更高，滿足高增益、寬帶的需求。

本發明中第一電流放大器和第二電流放大器為低輸入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足夠寬的帶寬下為整體電路提供一部分增益，隔離輸入節點的大電容，抑制第一級的噪聲；電流鏡電流做差電路，將前級兩個電流放大器的電流做差，從而實現電路靜態工作點的穩定，及噪聲抵消功能；傳感器的大寄生電容被前序處理電路隔離，后級跨阻放大器只受電流鏡電流做差電路輸出結點的小寄生電容影響，可以采用高增益跨阻放大器，在保證高帶寬的前提下，為電路提供較大的增益和電路驅動能力。

本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。