一种低噪声高增益-带宽乘积跨阻抗放大器的制作方法

专利名称：一种低噪声高增益-带宽乘积跨阻抗放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子学与信息系统中之敏感电子学与传感器领域，具体涉及一种低噪声、高 增益-带宽乘积跨阻抗放大器，该放大器适用于模拟或数字光信号的光接收机，特别适用于接 收到的光信号中，被提取信号对应的光强微弱的模拟或数字光接收机，以及频带宽、灵敏度 高、信噪比高的上述光接收机。
背景技术：
跨阻抗放大器(以下简称TIA)是光接收机中广泛釆用的前置放大器，其作用是将光信号照 射到光电器件上产生的微弱电流信号转换为电压信号，光电器件可以是p-i-n型光电二极管 PIN，或雪崩光电二极管APD等，以下以PIN为代表代表进行描述。光接收机的带宽、灵敏 度、稳定性、动态范围等重要性能取决于TIA的信号带宽Ss/C、信号增益^s/G、噪声电压增 益^w、单位带宽输出噪声电平e0、相位闭合比(Closure Rate, Rate-of-Closure)或相位裕余度 PM(Phase Margin)、动态范围等特性，这些特性因此也成为是高性能TIA主要指标。
TIA有单端输入型与双端输入型(或称为差分输入型)两种。双端输入型的共模抑制能力优 于单端输入型，但其开环增益、低频截止频率、噪声性能、动态范围、带宽等方面的性能均 劣于单端输入型(见美国专利5343160和6433638的描述)，所以单端型是TIA的主要形式。 图l一图4是现有单端输入型TIA的几种形式。
图1是现有TIA的基本形式，可以作为分析TIA性能的基础。图中，虚线连接的&是反 馈电阻及/的寄生电容，/^是PIN的输出电流，Wa、 ^是PIN并联电阻与放大器输入电阻， CV是TIA总输入电容(包括PIN并联电容Cp!n、放大器输入电容C^放大器输入端布线电容 及其它寄生电容Cp等)。在图1的这种基本形式中，跨阻抗放大器TIA的信号带宽5fflC、信 号增益J泥、噪声电压增益和输出噪声电平e0与电路参数的关系如以下(1)—(4)式所示(见 参考文献[l]-[5]的描述)
」—i-__^ ~ —
力
1
2"7^"((1 + 4)C,+CV)
—1 + s(CV + C,)A, _ 1 + sCj;i
(1)
(2)
(3)
(4)式中^oi是TIA的开环增益，CE=C'r+C>， /^是PIN平均输出电流(包括信号电流与非信号电 流)，2^^是/^产生的散粒噪声(shotnoise)的功率谱密度，i 、 是放大器的输入电流噪声与 输入电压噪声，《=1.6x10—19库仑是电子电荷，hl.38xl0—"焦耳/K是玻尔茨曼常数，r是绝 对温度。J0i、 A/G、 Jw与频率的关系见图5。特别值得注意的是，在的零点/z与极点/P 之间，4(/)以20dB/decade的斜率上升，这不仅增加了输入电压噪声对输出电压噪声的贡献， 而且容易出现Jw(/)与^0￡(/)之间的相位闭合比等于40dB/decade的情况，使得TIA系统不稳 定，详细说明见参考文献[l]-[4]、问、[7〗。
由以上各式可知，幅值随及/而增加，M随C^"2而增加，因此增加及/有利于提高TIA 输出信号的信噪比。然而A/增加将引起5wc 下降，并引起高频时噪声电压上升；但这种不利 影响可通过降低Cr、 C/来予以抵消，所以现有改进TIA性能的方案都集中在增加i /与(或) 降低CV、 &的影响这两方面。
增加及/值以改善TIA噪声性能、提高TIA增益-带宽乘积，或在增加及/值的前提下扩展 TIA的动态范围的方案很多，以专利技术为例，国外如美国专利5343160、 5455705、 5521555、 5532471、 5889605、 5982232、 7221229、 7330668，欧洲专利EP720729，国际专利申i青 WO/2006/017846等；国内只见到扩展TIA的动态范围的专利91306421.x,发明名称为"超 动态范围光接收机前置放大器"，但未涉及i /或TIA的噪声性能。
减少反馈电容或输入级等效电容对TIA性能影响的方案相对较少，主要有以下几种
1.采用最佳反馈电容
如图2所示，在基本TIA的&两端添加具有特定电容值的反馈电容，使得噪声电压增益 XN在其极点频率力=1/(2:^/:/)时的幅值等于开环增益j0i在该频率时的幅值，即Jw C^)^4w《)，这就既能采用带宽尽可能窄的放大器达到要求的TIA带宽，又能使噪声电压增 益的相位裕余度达到45°,从而TIA工作稳定，不至于引起振荡。能达到这种要求的最佳反 馈电容值为
式中/^,是放大器的开环增益为1时的频率，(V是&的寄生电容。详细说明见参考文献[l]、 [2〗。
2.采用i -C补偿型反馈网络
如图3所示，采用图1、图2的及/-(:/并联型反馈网络时，反馈阻抗Z/在TIA输入端引起 的等效输入阻抗为对应的等效输入电阻为^f^/(l+^x),等效输入电容为 Q^(l+厶i)C/ 。详情参见文献[8]
采用i -C补偿型反馈网络时，在/ /<^/=&(^的条件下(/ / / 0 CC〉>Q，相当于在TIA 的反馈回路跨接/ M-及,+及c^/的纯电阻，在输入端接入C,与Cc串联的纯电容Q^C/Cc/(C/+Cc)MT/。 /^#在输入端产生的等效输入电阻为及加=(及/+^)/(1+^^)^//(1+^1)，与图1或图2 的情况相同，但这时的Qj"只是图1、图2的1/(1+J0i)，因此这种TIA能大大减小C/对TIA 输入回路时间常数的影响，但不能减小Cr的影响。 3.采用自举(bootstrap)输入级
如图4所示，这种TIA的输入级为电压跟随器，PIN并联在电压跟随器的输入、输出端， PIN两端的交流电位相同，CPIN不存在交流充放电过程，消除了 CptN对TIA时间常数"w的 影响，但不能消除其它电容(如C》C,"、 Cp等)对^c的影响。具体参见美国专利4535233, 5521555和欧洲专利EP720729。
以上分析说明，现有TIA不能同吋消除CPIN、 C户G 、 Cp等各种电容对TIA时间常数r恥 的影响，从而不能充分利用放大器的开环特性，不能采用更大电阻值的/ /改善TIA的噪声性 能，因此应进一步寻求能消除各种电容对TIA时间常数影响的方案。
参考专利
美国专利4535233， 5343160， 5455705, 5521555， 5532471， 5889605， 5982232， 6433638， 7221229， 7330668;欧洲专利EP720729;国际专利申请WO/2006/017846; 中国专利91306421.x;中国专利申请200610078460.1， 200580026425.9。
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发明内容
本发明的目的是改善现有TIA的噪声性能，提高增益-带宽乘积，提高灵敏度，提高稳定性。
本发明的技术方案是提供了一种跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，包括 一个高增益 放大器A1， 一个具有光电转换器的输入电路， 一个连接在所述高增益放大器A1的反向输入 端和输出端的负反馈阻抗Zf， 一个低增益放大器A2， 一个连接所述低增益放大器A2的输出 端与所述高增益放大器A1的反向输入端的反馈电容Cff ;所述高增益放大器Al的输出端与 所述低增益放大器A2的输入端连接，所述前置放大器的输出信号从所述高增益放大器Al的 输出端取出，所述输出信号直接进行后续信号处理，或进一步放大后再进行后续信号处理。
其中，所述高增益放大器A1的输出端与一个缓冲器Buffer的输入端连接，所述低增益 放大器A2的输入端与缓冲器Buffer的输出端连接，所述前置放大器的输出信号从缓冲器 Buffer的输出端取出。
其中，所述低增益放大器A2配备有增益可调装置。
其中，所述负反馈阻抗Zf由电阻Rf与电容Cf并联组成。
其中，所述负反馈阻抗Zf由电阻Rf、 RC与电容Cf、 CC组成，其中电阻Rf的一端与所 述高增益放大器A1的反向输入端以及电容Cf的一端连接；电阻Rf的另一端与电容Cf的另 一端以及电阻RC的一端、电容CC的一端连接，电阻RC的另一端与所述低增益放大器A2 的输出端连接，电容CC的另一端接地电位。
其中，所述缓冲器Buffer与增益可调的低增益放大器A2合为一体，该一体化的缓冲器 Buffer与增益可调的低增益放大器A2由一个场效应晶体管JFET与至少两个电阻RN、 RP组 成，其中场效应晶体管JFET的栅极与所述TIA中高增益放大器A1的输出端连接，源极与电 阻RP连接，电阻RP的另一端与信号地连接，漏极与电阻RN连接，电阻RN的另一端与信 号电源连接；所述跨阻抗放大器TIA中反馈阻抗Zf的两端分别与所述高增益放大器Al的输 入端、场效应晶体管JFET的源极连接，跨阻抗放大器TIA中反馈电容Cff的两端分别与所述 高增益放大器A1的输入端、场效应晶体管JFET的漏极连接，跨阻抗放大器TIA的输出信号 从场效应晶体管JFET的源极取出。
其中，所述反馈阻抗Zf的两端分别与所述高增益放大器Al的输入、输出端连接。
其中，所述缓冲器Buffer与增益可调的低增益放大器A2合为一体，该一体化缓冲器Buffer
7与增益可调的低增益放大器A2由一个双极晶体管BJT与至少两个电阻RN、 RP组成，其中 双极晶体管BJT的基极与所述跨阻抗放大器TIA中高增益放大器Al的输出端连接，发射极 与电阻RP连接，电阻RP的另一端与信号地连接，集电极与电阻RN连接，电阻RN的另一 端与信号电源连接；所述跨阻抗放大器TIA中反馈阻抗Zf的两端分别与所述高增益放大器 Al的输入端、双极晶体管BJT的发射极连接，跨阻抗放大器TIA中反馈电容Cff的两端分别 与所述高增益放大器A1的输入端、双极晶体管BJT的集电极连接，跨阻抗放大器TIA的输 出信号从双极晶体管BJT的发射极取出。
其中，所述反馈阻抗Zf的两端分别与所述高增益放人器Al的输入、输出端连接。
本发明的有益效果是
(1 )依据本发明的跨阻抗放大器利用正反馈电容&在TIA输入端产生的负密勒(Miller) 电容，抵消TIA输入端原有的CpjN、 C, 、 Cp，以及负反馈C/在TIA输入端产生的等效输入 电容(HJozO&，以增加TIA的信号带宽。
(2) 依据本发明的跨阻抗放大器可采用比现有方案电阻值的更大i /以提高TIA的信号 增益与信噪比，但不影响TIA的带宽。
(3) 依据本发明的跨阻抗放大器利用正反馈电容C^在TIA输入端产生的负密勒电容， 改变噪声电压增益^w(必)零、极点位置，消除^v(")在高频端的上升部分，使得噪声电压增益 始终为0dB，减少放大器输入噪声电压对TIA输出噪声电压的贡献，并能保证TIA的稳定性。
(4) 依据本发明的跨阻抗放大器可在W/两端并联较大电容值的电容C户用以基本消除 电容值不稳定的/ /寄生电容与布线电容的影响，但不影响TIA的带宽。
(5) 依据本发明的跨阻抗放大器能方便地通过调整低增益辅助放大器A2的增益来调整 正反馈电容在TIA输入端产生的负电容值，以与包括及/的寄生电容、线路布线电容等数值难 以预先确定的影响因素在内的TIA输入端等效电容相匹配。这就可采用性能稳定的固定电容 器作为正反馈电容，而不必采用性能不稳定的可变电容器。


下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是现有技术的基本结构型跨阻抗放大器TIA的结构示意图2是现有技术的最佳反馈电容型跨阻抗放大器TIA的结构示意图，其目的在于使TIA 工作稳定，不至于因噪声电压而引起振荡；
图3是现有技术的及-C补偿反馈网络型跨阻抗放大器TIA的结构示意图，其目的在于减 少反馈电容对TIA带宽与噪声性能的影响；
图4是现有技术的自举输入级型跨阻抗放大器TIA的结构示意图，其目的在于减少PIN 电容对TIA带宽与噪声性能的影响，图中缓冲器(Buffer)的电压增益为1;图5是跨阻抗放大器TIA开环增益、信号增益、噪声电压增益与频率之间的关系曲线图; 图6是依据本发明的实施例1的跨阻抗放大器TIA的结构示意图(a)及其等效电路示意图
(6);
图7是依据本发明的实施例1的跨阻抗放大器TIA的输入电压噪声^转换为等效输入电 流噪声/￡ 过程示意图8是依据木发明的实施例1的跨阻抗放大器TIA实施方案与现有技术的TIA性能比较
表；
图9是依据本发明的实施例2的跨阻抗放大器TIA的结构示意图10是依据本发明的实施例3的跨阻抗放大器TIA的结构示意图11是依据本发明的实施例4的跨阻抗放大器TIA的结构示意图(及AK〈&)。
具体实施方式
实施例l
图6是依据本发明的实施方案1的跨阻抗放大器TIA的结构示意图(a:i及其等效电路 示意图(b)实施方案。图中PIN是将光信号转换为电流信号的光电转换器，^是主放大器， A是辅助放大器，它们的开环增益亦分别记作A、 ^2，且满足条件
y4i i，爿2<1,， ^rv42=4^ >1;
Buffer是电压增益为1的缓冲器，并非本实施例不可缺少部分；i ',"是PIN并联电阻 与放大器输入电阻凡"相并联的等效电阻，Cr是TIA总输入电容(包括PIN并联电容CPIN、 放大器输入电容C,"、放大器输入端布线电容及其它寄生电容Cp等)；Z^是连接A输出端 N至A输入端M的负反馈电阻，C/是A的寄生电容，C^是连接A输出端M'至^输入 端M的正反馈电容(M'、 M两点处的信号相位同相)。由图6(6)可知，及/、 C/在^输入端 M产生等效输入电阻为i^^i^/(l+^)，等效输入电容为C加K1+^)C/。不存在正反馈电 容时，A输入端总等效输入电阻/^与总等效输入电容Q:为
及2/ =i1,1l+^) (及',"^//(l+O)
Qy《11(l+^)C/《+(l+A)C, TIA输入端的时间常数与信号带宽为2;rf^[C,+Cr/(l + 4)]
由于这种TIA有很大的等效输入电容Cz，这时为提高TIA的噪声比而采用很高电 阻值的及/，就难以得到很宽的信号带宽。
采用本发明提供的正反馈电容Qr时，C^将在TIA输入端M处产生负值密勒电容
~—1
从而TIA输入端M处
~—1
调整4^调整A),使得C/加s-Qy，就可使得TIA的等效输入电容约为零。这时即使采 用很高电阻值的及/，也能得到很宽的信号带宽。
Qr还能消除噪声电压增益^w(w)在高频端的上升部分，使得JwO)始终为0dB，减 少放大器输入噪声电压对TIA输出噪声电压的贡献，并能保证TIA不发生振荡。
推导Jw(")的过程见图7(")、 (W、 (c)、(力，图中ZW;giCr， Z广&ll&。由(a)得
<formula>formula see original document page 10</formula>由(6)及其密勒等效电路(c)得:
<formula>formula see original document page 10</formula>
如果(c)等效于(a)，即两电路屮的输出电压噪声K。相等，则<formula>formula see original document page 10</formula>
于是/￡ 引起的r"。为 <formula>formula see original document page 10</formula>
在i ; l/(/ Cr)、 (l+^C/)》Cr的条件下，Z"=l/(/ C。， ^S/G = —^/(l+j^i^C/),上 式变为 c/+cr)
由此得到这时的噪声电压增益^w为
这就是文献中普遍采用的Jw表达式，即公式(3).
当2', 中的电容(^与2//(1+^41)中的电容(l+^)C/都被Qr产生的负密勒电容抵消时， 电路(c)将变为电路(cO， /￡ 将变为
于是/￡ 引起的r"。变为
i i
——

上式中，由于Cr与(l+^)C/均被抵消，所以^。 = &，艮P
换句话说，这时的噪声电压增益为0dB，相当于图5中的Jw(/)曲线为水平直线，Jw(/) 与爿oi (/)之间的相位闭合比(rate-of-closure)为-20dB/decade -0dB/decade = -20dB/decade， 所以TIA稳定(见参考文献[7])。
实施方案例1的TIA性能与现有技术TIA性能的比较见图8。以图8中及/(相对值)=1.8 时的性能为例，实施方案例1的TIA的增益-带宽乘积，分别是常用的基本跨阻抗型TIA与 R-C补偿反馈网络型TIA的增益-带宽乘积的9.02倍与7.19倍。这意味着与后两种TIA相比， 在带宽相同的情况下，实施方案例1的TIA可采用电阻值更高的的反馈电阻^，从而可降低 /^对应的等效输入噪声电流，提高TIA的信噪比；在i /的电阻值相同的情况下，实施方案例 1的TIA可具有更宽的带宽，从而可接收更宽频带范围的光信号。
实施例2
本发明的实施方案2参见图9，图中PIN、 ^、 ^2、 Buffer、 Cr、及 、 i /、 C^的定 义与实施方案i相同，cy是大于A寄生电容的固定电容，可使TIA的等效输入电容Cs 不会因i /寄生电容不稳定而影响TIA的使用性能。根据实施方案1的分析，调整」2可 使得TIA的等效输入电容约为零，从而采用很高电阻值的A时也能得到很宽的信号带宽， 并且能使噪声电压增益为OdB，使TIA稳定。
11实施例3
本发明的实施方案3见图IO所示，图中PIN、 ^、 J2、 Buffer、 Cr、 i ', 、 C^的定 义与实施方案l相同，及/、 C户及c、 Cc共同组成^的反馈网络Z/，且满足条件i / i c， Cc C/， i /C>=i cCc。与实施方案1和2不同的是，这时反馈网络Z/在TIA输入端产生
的等效输入电容为c力fC/Cc /(C/+cc) c>，而不是实施方案i和2中的(i+^)cy，这就可
用较小电容值的Cf补偿TIA的等效输入电容；等效输入电阻为J /^(JV+i c)/(l+^)W/ /(1+^)，与实施方案l、 2相同。调整A同样可使得TIA的等效输入电容约为零，从而 采用很高电阻值的i /时也能得到很宽的信号带宽，并且能使噪声电压增益为0dB，使TIA 稳定。
实施例4
本发明实施方案4是将实施方案1、 2、 3中的缓冲器Buffer与辅助放大器A合为一 体的方案，参见图ll(")、 (6)、 (c)、(司所示。图中JFET是结型场效应晶体管，BJT是双 极晶体管，偏置电路与馈电电路省略。取7^ 及7>，以使JFET级、BJT级的输入阻抗很 高，输出电压与A输出端电压基本相同，从而JFET级、BJT级的电路功能与缓冲器相 同。由图，爿2 7^/及/><<1，但^1>>1，由此可保证.^2=乂// >1。 ( #接在M、 M'之间， 而这两点的信号相位同相，所以<://可在丁1八的输入端^1处引入实施方案1、 2、 3中要 求的负值密勒电容(^# =-Cy(4r/ -1)。调整i w即可调整J2，进而调整」//、 C#, ，达到使 TIA的等效输入电容被补偿的目的。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不 脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性 的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
1权利要求
1. 一种跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，包括一个高增益放大器A1，一个具有光电转换器的输入电路，一个连接在所述高增益放大器A1的反向输入端和输出端的负反馈阻抗Zf，一个低增益放大器A2，一个连接所述低增益放大器A2的输出端与所述高增益放大器A1的反向输入端的反馈电容Cff；所述高增益放大器A1的输出端与所述低增益放大器A2的输入端连接，所述前置放大器的输出信号从所述高增益放大器A1的输出端取出，所述输出信号直接进行后续信号处理，或进一步放大后再进行后续信号处理。
2. 如权利要求1所述的跨阻抗型光接收机前置放人器TIA，其特征在于所述高增益放大 器^的输出端与一个缓冲器Buffer的输入端连接，所述低增益放大器J2的输入端与缓冲器 Buffer的输出端连接，所述前置放大器的输出信号从缓冲器Buffer的输出端取出。
3. 如权利要求1或2所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述低增益 放大器J2配备有增益可调装置。
4. 如权利要求1或2所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述负反馈 阻抗々由电阻及/与电容C,并联组成。
5. 如权利要求1或2所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述负反馈 阻抗Z/由电阻^、 i c与电容C,、 Cc组成，其中电阻及/的一端与所述高增益放大器A的反向输入端以及电容C/的一端连接；电阻及/的另一端与电容C/的另一端以及电阻i c的一端、电容Cc的一端连接，电阻7 c的另一端与所述低增益放大器A的输出端连接，电容Cc的另一 端接地电位。
6. 如权利要求1-5任一项所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述缓 冲器Buffer与增益可调的低增益放大器J2合为一体，该一体化的缓冲器Buffer与增益可调的 低增益放大器A由一个场效应晶体管JFET与至少两个电阻i^、 i^组成，其中场效应晶体管 JFET的栅极与所述TIA中高增益放大器A的输出端连接，源极与电阻i P连接，电阻的 另一端与信号地连接，漏极与电阻及w连接，电阻及w的另一端与信号电源连接；所述跨阻抗 放大器TIA中反馈阻抗Z,的两端分别与所述高增益放大器A的输入端、场效应晶体管JFET 的源极连接，跨阻抗放大器TIA中反馈电容Cf的两端分别与所述高增益放大器A的输入端、 场效应晶体管JFET的漏极连接，跨阻抗放大器TIA的输出信号从场效应晶体管JFET的源极 取出。
7. 如权利要求6所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述反馈阻抗 々的两端分别与所述高增益放大器A的输入、输出端连接。
8. 如权利要求1-5中任一项所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述 缓冲器Buffer与增益可调的低增益放大器A合为一体，该一体化缓冲器Buffer与增益可调的 低增益放大器A由一个双极晶体管BJT与至少两个电阻^、及p组成，其中双极晶体管BJT 的基极与所述跨阻抗放大器TIA中高增益放大器A的输出端连接，发射极与电阻/ p连接， 电阻/^的另一端与信号地连接，集电极与电阻及w连接，电阻i iv的另一端与信号电源连接； 所述跨阻抗放大器TIA中反馈阻抗々的两端分别与所述高增益放大器A的输入端、双极晶 体管BJT的发射极连接，跨阻抗放大器TIA中反馈电容Cf的两端分别与所述高增益放大器 A的输入端、双极晶体管BJT的集电极连接，跨阻抗放大器TIA的输出信号从双极晶体管 BJT的发射极取出。
9. 如权利要求8所述的跨阻抗型光接收机前置放大器TIA，其特征在于所述反馈阻抗 々的两端分别与所述高增益放大器A的输入、输出端连接。
全文摘要
本发明提供了一种接收模拟或数字光信号的光接收机前置放大器，该前置放大器包括一个高增益放大器A₁，一个以光电转换器为主要组成部分的输入电路，一个连接在A₁的反向输入端和输出端的负反馈阻抗Z_f，一个增益可调的低增益放大器A₂，一个连接A₂的输出端与A₁的反向输入端的反馈电容C_ff；A₁的输出端可直接与A₂的输入端连接，也可通过缓冲器Buffer与A₂的输入端连接。所述前置放大器的输出信号从A₁的输出端或缓冲器的输出端取出，该信号可直接进行后续信号处理，也可进一步放大后再进行后续信号处理。
文档编号H03F1/26GK101505140SQ20091007904
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者陈祥训 申请人:中国电力科学研究院;中电普瑞科技有限公司