一种高增益宽动态范围CMOS跨阻放大器

摘要

本发明提供一种高增益宽动态范围CMOS跨阻放大器，包括：级联的推挽反相器组成的前馈通路，其输入端输入小电流信号，其输出端输出大电压信号；反馈电阻，连接在所述前馈通路的输入端与输出端之间；自动增益控制通路，连接在所述前馈通路的输入端与输出端之间，并与所述反馈电阻并联；分流管，连接在所述前馈通路的输入端与电阻分压器之间；电阻分压器，连接在所述分流管与所述前馈通路的输出端之间，用于控制分流管的导通与关断。本发明的方案可以对接收到的微弱信号进行高增益、低噪声地放大，尤其对于输入电流信号的动态范围进行了有效拓宽，同时电路具有设计简单和单片集成的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及电路领域，特别是指一种高增益宽动态范围CMOS跨阻放大 器。

背景技术

在光纤通信系统中，前置放大器对整个系统的性能诸如速度、灵敏度、信 噪比等都有重大影响。根据偏置电阻的特点，可选择的前置放大器有三种：低 阻抗放大器，跨阻放大器和高阻抗放大器。低阻抗放大器结构简单，带宽大， 但是增益不够高，并且噪声较大，而高阻抗放大器灵敏度高，噪声小，但是具 有带宽小和动态范围窄的缺点，选择跨阻放大器，能在这些性能要求中取得很 好的折中。

当发射端离接收端很远时，信号经过长距离光纤后衰减，这时要求跨阻放 大器具有较高的增益用来对接收的微弱电流信号进行放大，转换成电压信号以 供后级处理。当发射端离接收端很近时，接收电流较大，电路可能饱和从而不 能正常响应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高增益宽动态范围CMOS跨阻放大 器。对接收到的微弱信号进行高增益、低噪声地放大，尤其对于输入电流信号 的动态范围进行了有效拓宽，同时电路具有设计简单和单片集成的特点。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种高增益宽动态范围CMOS 跨阻放大器，包括：

级联的推挽反相器组成的前馈通路，其输入端输入小电流信号，其输出端 输出大电压信号；

反馈电阻，连接在所述前馈通路的输入端与输出端之间；

自动增益控制通路，连接在所述前馈通路的输入端与输出端之间，并与所 述反馈电阻并联；

分流管，连接在所述前馈通路的输入端与电阻分压器之间；

电阻分压器，连接在所述分流管与所述前馈通路的输出端之间，用于控制 分流管的导通与关断。

其中，所述前馈通路包括：级联的第一级推挽反相器、第二级推挽反相器 以及第三级推挽反相器。

其中，所述第一级推挽反相器包括：第一PMOS晶体管、第二NMOS晶 体管和第三NMOS晶体管；

其中，所述第一PMOS晶体管的源极连接电源电压Vdd，所述第二NMOS 晶体管的源极连接地信号gnd，所述第一PMOS晶体管的栅极和所述第二 NMOS晶体管的栅极均连接所述前馈通路的输入端，输入电压为V_in，所述第 一PMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的漏极均连接所述第三 NMOS晶体管的栅极和漏极，所述第三NMOS晶体管的源极连接地信号gnd。

其中，所述第二级推挽反相器包括：第四PMOS晶体管、第五NMOS晶 体管以及第六NMOS晶体管；

其中，所述第四PMOS晶体管的源极连接所述电源电压Vdd，所述第五 NMOS晶体管的源极连接所述地信号gnd，所述第四PMOS晶体管的栅极和 所述第五NMOS晶体管的栅极均连接所述第三NMOS晶体管的漏极，所述第 四PMOS晶体管的漏极和所述第五NMOS晶体管的漏极均连接所述第六 NMOS晶体管的栅极和漏极，所述第六NMOS晶体管的源极连接所述地信号 gnd。

其中，所述第三级推挽反相器包括：第七PMOS晶体管、第八NMOS晶 体管以及第九NMOS晶体管；

其中，所述第七PMOS晶体管的源极连接所述电源电压Vdd，所述第八 NMOS晶体管的源极连接所述地信号gnd，所述第七PMOS晶体管的栅极和 所述第八NMOS晶体管的栅极均连接所述第六NMOS晶体管的漏极，所述第 七PMOS晶体管的漏极和所述第八NMOS晶体管的漏极均连接所述第九 NMOS晶体管的栅极和漏极，所述第九NMOS晶体管的源极连接所述地信号 gnd，所述前馈通路的输出端连接第九NMOS晶体管的漏极，且所述输出端的 输出电压为V_out。

其中，所述自动增益控制通路包括：第十NMOS晶体管以及与所述第十 NMOS晶体管串联的一电阻；

其中，所述第十NMOS晶体管的栅极和所述电阻的一端均连接所述前馈 通路的输出端，所述第十NMOS晶体管的漏极连接所述电阻的另一端，所述 第十NMOS晶体管的源极连接所述前馈通路的输入端。

其中，所述分流管为第十一NMOS晶体管，所述电阻分压器包括：第一 分压电阻以及第二分压电阻；

其中，所述第一分压电阻的一端连接所述前馈通路的输出端，所述第一分 压电阻的另一端和所述第二分压电阻的一端均连接所述第十一NMOS晶体管 的栅极，所述第二分压电阻的另一端和所述第十一NMOS晶体管的源极均连 接地信号gnd，所述第十一NMOS晶体管的漏极连接所述前馈通路的输入端。

其中，所述第一分压电阻的阻值大于第二分压电阻的阻值。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

高增益：采用级联推挽反相器，尤其是三级级联推挽反相器，第一PMOS 晶体管、第二NMOS晶体管、第四PMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第七 PMOS晶体管、第八NMOS晶体管均偏置在饱和区作为放大管从而获得高增 益，第三NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第九NMOS晶体管作为有源 负载晶体管，减小了密勒效应，防止过冲；

宽动态范围：第十NMOS晶体管和电阻R₃构成自动增益控制通路，当输 出电压达到第十NMOS晶体管的阈值电压使其导通，从而减小了整个电路的 跨阻增益，拓宽了输入电流的动态范围，第十一NMOS晶体管作为分流管， 由电阻分压器R₁和R₂控制其开关，进一步增大了输入电流的动态范围，提高 了电路的输入电流过驱能力；

结构简单：传统的自动增益控制通路由一个峰值检测器，一个比较器和一 个积分器构成，本发明跨阻放大器中的自动增益控制通路仅由一个NMOS晶 体管和一个电阻串联而成，第十NMOS晶体管的控制电压直接由输出电平提 供，大大降低了设计的复杂性，同时，反馈电阻上的压降作为输入电压，不需 要额外的偏置，减小了功耗和芯片面积。

附图说明

图1a为本发明的推挽反相器的基本结构示意图；

图1b为图1的小信号等效电路示意图；

图2为本发明的高增益宽动态范围CMOS跨阻放大器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图及具体实施例进行详细描述。

如图1a、图1b所示，为本发明的实施例中采用的推挽反相器的基本结构。 图1a中，Vdd是电源电压，gnd是地信号，放大管M₁和M₂同时工作在饱和 区，从而使电路的跨导和增益带宽积最大。反馈电阻R_F为M₁和M₂提供偏置 并且调节输入匹配，M₃是有源负载，使得M₁和M₂能扩大其宽长比从而防止 过冲，V_out是输出电压信号。

图1b中，I_in和C_p分别是光电二极管的等效电流和寄生电容，C_gs1和C_gs2为M₁和M₂的栅-源寄生电容，C_gd1和C_gd2为M₁和M₂的栅-漏寄生电容，g_m1和g_m2分别为M₁和M₂的跨导，V_gs为M₁和M₂的栅-源电压，R_L为负载电阻， 其表达式为：

$R_L=r_{01}//r_{02}//\frac{1}{g_{m3}}//R_{\mathrm{in}}---\left(1\right)$

其中，r₀₁和r₀₂分别为M₁和M₂的输出电阻，1/g_m3为有源负载M₃的电阻， R_in为后级放大器的输入电阻，R_L为r₀₁、r₀₂、1/g_m3和R_in串联后的阻值。

推挽反相器的开环增益A_V可表示为：

$A_V=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=(g_{m1}+g_{m2})R_L---\left(2\right)$

假设R_F远远大于R_L，推挽反相器的跨阻增益A_R可表示为：

$A_R=\frac{V_{\mathrm{out}}}{I_{\mathrm{in}}}\approx R_F---\left(3\right)$

-3dB截止频率可表示为：

$f_{-3\mathrm{dB}}=\frac{1+A_V}{{2\mathrm{\pi R}}_F{C}_T}---\left(4\right)$

其中C_T为推挽放大器的输入电容，包括M₁和M₂的寄生电容以及光电二 极管寄生电容C_P。

如图2所示，是对图1所示的推挽反相器实现原理电路的具体实现。保持 图1的基本结构不变，使用三级级联推挽反相器结构，实现高增益；同时增加 自动增益控制通路、分流管和电阻分压器，实现宽动态范围；电路设计简单， 并且应最大限度地降低电路对工艺的依赖性。输入电流信号I_in，电流流过反馈 电阻后形成的输入电压V_in，输出电压信号V_out，分流管的栅-源电压V_gate；

具体的，如图2所示，一种高增益宽动态范围CMOS跨阻放大器，包括：

级联的推挽反相器组成的前馈通路11，其输入端V_in输入小电流信号，其 输出端V_out输出大电压信号，具体用于将输入的小电流信号转化成大电压信 号；

反馈电阻R_F，连接在所述前馈通路的输入端与输出端之间；

自动增益控制通路12，连接在所述前馈通路11的输入端与输出端之间， 并与所述反馈电阻R_F并联；用于输入电流信号较大时减小电路的跨阻增益， 从而避免电路饱和；

分流管M₁₁，连接在所述前馈通路11的输入端与电阻分压器之间；

电阻分压器，连接在所述分流管M₁₁与所述前馈通路11的输出端之间， 用于控制分流管的导通与关断。从而进一步拓宽了跨阻放大器的动态范围和过 驱动能力。

其中，所述前馈通路包括：级联的第一级推挽反相器、第二级推挽反相器 以及第三级推挽反相器。

其中，所述第一级推挽反相器包括：第一PMOS晶体管M₁、第二NMOS 晶体管M₂和第三NMOS晶体管M₃；

其中，所述第一PMOS晶体管M₁的源极连接电源电压Vdd，所述第二 NMOS晶体管M₂的源极连接地信号gnd，所述第一PMOS晶体管M₁的栅极 和所述第二NMOS晶体管M₂的栅极均连接所述前馈通路11的输入端，输入 电压为V_in，所述第一PMOS晶体管M₁的漏极和所述第二NMOS晶体管M₂的漏极均连接所述第三NMOS晶体管M₃的栅极和漏极，所述第三NMOS晶 体管M₃的源极连接地信号gnd。

其中，所述第二级推挽反相器包括：第四PMOS晶体管M₄、第五NMOS 晶体管M₅以及第六NMOS晶体管M₆；

其中，所述第四PMOS晶体管M₄的源极连接所述电源电压Vdd，所述第 五NMOS晶体管M₅的源极连接所述地信号gnd，所述第四PMOS晶体管M₄的栅极和所述第五NMOS晶体管M₅的栅极均连接所述第三NMOS晶体管M₃的漏极，所述第四PMOS晶体管M₄的漏极和所述第五NMOS晶体管M₅的漏 极均连接所述第六NMOS晶体管M₆的栅极和漏极，所述第六NMOS晶体管 M₆的源极连接所述地信号gnd。

其中，所述第三级推挽反相器包括：第七PMOS晶体管M₇、第八NMOS 晶体管M₈以及第九NMOS晶体管M₉；

其中，所述第七PMOS晶体管M₇的源极连接所述电源电压Vdd，所述第 八NMOS晶体管M₈的源极连接所述地信号gnd，所述第七PMOS晶体管M₇的栅极和所述第八NMOS晶体管M₈的栅极均连接所述第六NMOS晶体管M₆的漏极，所述第七PMOS晶体管M₇的漏极和所述第八NMOS晶体管M₈的漏 极均连接所述第九NMOS晶体管M₉的栅极和漏极，所述第九NMOS晶体管 M₉的源极连接所述地信号gnd，所述前馈通路11的输出端连接第九NMOS晶 体管M₉的漏极，且所述输出端的输出电压为V_out。

其中，所述自动增益控制通路12包括：第十NMOS晶体管M₁₀以及与所 述第十NMOS晶体管M₁₀串联的一电阻R₃；

其中，所述第十NMOS晶体管M₁₀的栅极和所述电阻R₃的一端均连接所 述前馈通路11的输出端，所述第十NMOS晶体管M₁₀的漏极连接所述电阻 R₃的另一端，所述第十NMOS晶体管M₁₀的源极连接所述前馈通路11的输入 端。

其中，所述分流管M₁₁为第十一NMOS晶体管，所述分流管M₁₁采用N 型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS），消除了P型金属氧化物半导体 场效应晶体管大寄生电容效应的影响；所述电阻分压器包括：第一分压电阻 R₁以及第二分压电阻R₂；

其中，所述第一分压电阻R₁的一端连接所述前馈通路11的输出端，所述 第一分压电阻R₁的另一端和所述第二分压电阻的一端均连接所述第十一 NMOS晶体管M₁₁的栅极，所述第二分压电阻R₂的另一端和所述第十一NMOS 晶体管M₁₁的源极均连接地信号gnd，所述第十一NMOS晶体管M₁₁的漏极连 接所述前馈通路11的输入端。

其中，所述第一分压电阻R₁的阻值大于第二分压电阻R₂的阻值。

本发明的上述实施例，采用电阻分压器控制分流管，不仅降低了电路设计 的复杂性和功耗，而且进一步增大了输入电流的动态范围。分流管的控制电压 通常有两种方式来实现：一种是采用偏置电路或者是控制逻辑，这种方法使成 本、功耗、芯片面积也会增加；另一种是将跨阻放大器的输出电压直接作为控 制电压，一旦输出电压达到分流管的阈值电压，分流管开始导通，然而，此时 的输入电流可能很小，经过分流后进入放大器的电流不能保证被放大为需要的 电压。采用电阻分压器来控制分流管则避免了这个问题。只要电阻R₁的阻值 设置得远大于R₂，允许输出电压很大时，经过分压后得到的栅-源电压才达到 分流管的阈值电压，输出电压V_out和栅-源电压V_gate的关系为：

$\frac{V_{\mathrm{gate}}}{V_{\mathrm{out}}}=\frac{R_2}{R_1}---\left(5\right)$

电路的输入电流范围共分为三个部分，当输入电流较小时，第十NMOS晶体 管M₁₀和第十一NMOS晶体管M₁₁均不导通，电路的跨阻增益近似为R_F；随 着输入电流慢慢增大，第十NMOS晶体管M₁₀开始导通，此时第十一NMOS 晶体管M₁₁仍然关断，电路的跨阻增益下降，近似为R_F和R₃并联后的电阻值； 当输入电流增大到一定程度时，第十NMOS晶体管M₁₀和第十一NMOS晶体 管M₁₁均导通，电路的跨阻增益进一步下降，从而极大地拓宽了输入电流的动 态范围。

本发明的方案具有高增益、大动态范围和结构简单的特点，经过0.18μm CMOS工艺验证，跨阻增益达到了88.3dBΩ，3dB带宽为1.8GHz，可检测的 输入电流为100nA到10mA，动态范围达到100dB。

其中，高增益：采用级联推挽反相器，尤其是三级级联推挽反相器，第一 PMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第四PMOS晶体管、第五NMOS晶体管、 第七PMOS晶体管、第八NMOS晶体管均偏置在饱和区作为放大管从而获得 高增益，第三NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第九NMOS晶体管作为 有源负载晶体管，减小了密勒效应，防止过冲；

宽动态范围：第十NMOS晶体管和电阻R₃构成自动增益控制通路，当输 出电压达到第十NMOS晶体管的阈值电压使其导通，从而减小了整个电路的 跨阻增益，拓宽了输入电流的动态范围，第十一NMOS晶体管作为分流管， 由电阻分压器R₁和R₂控制其开关，进一步增大了输入电流的动态范围，提高 了电路的输入电流过驱能力；

结构简单：传统的自动增益控制通路由一个峰值检测器，一个比较器和一 个积分器构成，本发明跨阻放大器中的自动增益控制通路仅由一个NMOS晶 体管和一个电阻串联而成，第十NMOS晶体管的控制电压直接由输出电平提 供，大大降低了设计的复杂性，同时，反馈电阻上的压降作为输入电压，不需 要额外的偏置，减小了功耗和芯片面积。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。