高动态范围突发模式跨阻放大器

摘要

高动态范围突发模式跨阻放大器。涉及四种具有高动态范围的突发模式的跨阻放大器。为了解决现有的跨阻放大器存在低频截至频率和动态范围较小、灵敏度低的问题。本发明所述的四号三极管的集电极与无源光网络局端接收机的电源相连；四号三极管的发射极依次连接四号电阻、一号三极管的集电极；二号三极管的发射极同时与六号电阻和二号电阻相连；二号电阻同时与一号电流源的正极和三号电阻相连；三号三极管的基极和集电极同时与一号三极管的基极相连；三号三极管的发射极与三号电阻相连，二号电阻同时与一号电流源的正极和三号电阻相连。有益效果为不存在低频截至频率，具有足够的相位裕度，响应速度快，灵敏性较高。适用于无源光网络局端接收机。

说明书

技术领域

本发明涉及四种具有高动态范围的突发模式的跨阻放大器。

背景技术

在无源光网络PON的应用中，局端接收机OLT需要分时接收用户端信号，由于各用户端和局端的距离差异，导致局端接收到的信号幅度在不同时间段有较大差异，这就要求局端接收机工作在突发模式；并且为了提高传输效率，突发稳定时间在各种协议中都受到严格限制。突发模式跨阻放大器Burst mode TIA为PON OLT的一个重要组成部分，它的设计需要在噪声、带宽、增益、灵敏度、动态范围和响应时间等参数之间进行权衡，对设计师提出了严峻的挑战。

如图1所示，常用的跨阻放大器由三极管Q₁、三极管Q₂、电阻R₁、电阻R_F、电压源V_DC1和电流源I_DC1组成。电阻R₁的一端与PON>1的另一端同时与三极管Q₁的集电极、三极管Q₂的基极光电和电压输出端VOUT相连；二极管为外接光电二极管，它把光信号转换为电流信号，光电二极管的阴极与光电二极管阴极电压输入端子相连；光电二极管的阳极同时与三极管Q₁的基极和电阻R_F的一端相连；三极管Q₂的集电极与PON>2的发射极同时与电阻R_F的另一端和电流源I_DC1的正极相连；电流源I_DC1的负极与PON>1的发射极与电压源V_DC1的正极相连；电压源V_DC1的负极与PON>2的发射极与电阻R_F的另一端、电流源I_DC1的正极相交的节点为VS₁。该跨阻放大器的电流信号将全部流过反馈到电阻R_F上，并在节点VS₁和电压输出端VOUT产生电压信号；所以电流信号越大，节点VS₁的电压越低，当节点VS₁的电压过低的时候会造成电流源I_DC1饱和，进而导致该跨阻放大器的动态范围较小。

现有的技术为了增大常用跨阻放大器的动态范围，采用直流恢复的方法，如图2所示，通过运放AMP₁、电阻R₀、电容C₀和三极管Q₂提取输入电流的直流分量；在常用的跨阻放大器的基础上，运放AMP₁的正极输入端同时与光电二极管的阳极、电阻R_F的一端、三极管Q₁的基极和三极管Q₃的集电极相连；运放AMP₁的负极输入端连接在节点VS₁与三极管Q₂的发射极之间；运放AMP₁的输出端与电阻R₀的一端相连；电阻R₀的另一端同时与电容C₀的一端和三极管Q₃的基极相连；电容C₀的另一端与PON>3的发射极与PON>0和C₀组成的低通网络存在一定的充放电时间，导致该带直流恢复的跨阻放大器的灵敏度不够。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的跨阻放大器存在低频截至频率和动态范围较小、灵敏度低的问题，提出四种高动态范围突发模式跨阻放大器。

本发明提供的第一种高动态范围突发模式跨阻放大器，它包括一号三极管、二号三极管、一号电阻、六号电阻、光电二极管、光电二极管阴极电压输入端子、电压源和一号电流源；一号电阻的一端与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号电阻的另一端同时与一号三极管的集电极和二号三极管的基极连接，连接点作为电压输出端；光电二极管的阴极与光电二极管阴极电压输入端子相连；光电二极管的阳极同时与一号三极管的基极和六号电阻的一端相连；二号三极管的集电极与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号电流源的负极与无源光网络局端接收机的接地端相连；一号三极管的发射极与电压源的正极相连；电压源的负极与无源光网络局端接收机的接地端相连；

它还包括环路相位裕度补偿电路和动态自动增益控制电路；

所述环路相位裕度补偿电路包括四号三极管和四号电阻；

四号三极管的基极为二号节点，二号节点的电压用于保证环路相位裕度补偿电路工作时处于稳定状态；四号三极管的集电极与无源光网络局端接收机的电源端相连；四号三极管的发射极与四号电阻的一端相连；四号电阻的另一端与一号三极管的集电极相连；

所述动态自动增益控制电路包括三号三极管、二号电阻和三号电阻；

二号三极管的发射极同时与六号电阻的另一端和二号电阻的一端连接，连接节点作为一号节点；二号电阻的另一端同时与一号电流源的正极和三号电阻的一端相连；

三号三极管的基极和集电极同时与一号三极管的基极相连；三号三极管的发射极与三号电阻的另一端相连。

本发明还提供了第二种高动态范围突发模式跨阻放大器，第二种高动态范围突发模式跨阻放大器是在第一种高动态范围突发模式跨阻放大器的基础上，采用一号MOS管代替四号三极管；采用二号MOS管代替三号三极管；

一号MOS管的栅极为二号节点，一号MOS管的源极与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号MOS管的漏极与四号电阻的一端相连；

二号MOS管的栅极和源极同时与一号三极管的基极相连；二号MOS管的漏极与三号电阻的另一端相连。

本发明还提供了第三种高动态范围突发模式跨阻放大器，它包括一号三极管、二号三极管、一号电阻、六号电阻、光电二极管、光电二极管阴极电压输入端子和电压源；一号电阻的一端与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号电阻的另一端同时与一号三极管的集电极和二号三极管的基极连接，连接点作为电压输出端；光电二极管的阴极与光电二极管阴极电压输入端子相连；光电二极管的阳极同时与一号三极管的基极和六号电阻的一端相连；二号三极管的集电极与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号三极管的发射极与电压源的正极相连；电压源的负极与无源光网络局端接收机的接地端相连；

它还包括环路相位裕度补偿电路、动态自动增益控制电路和偏置电路；

所述环路相位裕度补偿电路包括四号三极管和四号电阻；

所述动态自动增益控制电路包括三号三极管、二号电阻和三号电阻；

所述偏置电路包括五号三极管、六号三极管、七号三极管、八号三极管、九号三极管、十号三极管、十一号三极管、十二号三极管、一号电流源和五号电阻；

四号三极管的基极为二号节点，二号节点的电压用于保证环路相位裕度补偿电路工作时处于稳定状态；四号三极管的集电极与无源光网络局端接收机的电源端相连；四号三极管的发射极与四号电阻的一端相连；四号电阻的另一端与一号三极管的集电极相连；

二号三极管的发射极同时与六号电阻的另一端和二号电阻的一端连接，连接节点作为一号节点；

三号三极管的基极和集电极同时与一号三极管的基极相连；三号三极管的发射极与三号电阻的一端相连；三号电阻的另一端与二号电阻的另一端连接；

五号三极管的集电极与三号电阻和二号电阻的公共端相连；五号三极管的发射极与无源光网络局端接收机的接地端相连；

一号电流源的正极与无源光网络局端接收机的电源端相连；一号电流源的负极同时与五号三极管的基极、六号三极管的基极、七号三极管的基极和七号三极管的集电极相连；

六号三极管的发射极和七号三极管的发射极均与无源光网络局端接收机的接地端相连；六号三极管的集电极同时与八号三极管的集电极、八号三极管的基极和九号三极管的基极相连；

八号三极管的发射极和九号三极管的发射极均与无源光网络局端接收机的电源端相连；

九号三极管的集电极同时与二号节点和五号电阻的一端相连；

五号电阻的另一端同时连接十二号三极管的基极和十二号三极管的集电极相连；

十二号三极管的发射极同时与十一号三极管的基极和十一号三极管的集电极相连；

十一号三极管的发射极同时与十号三极管的基极和十号三极管的集电极相连；

十号三极管的发射极与无源光网络局端接收机的接地端相连。

本发明还提供了第四种高动态范围突发模式跨阻放大器，第四种高动态范围突发模式跨阻放大器是在第三种高动态范围突发模式跨阻放大器的基础上，采用二号电流源和十三号三极管代替电压源；

二号电流源的正极与无源光网络局端接收机的电源端相连；

二号电流源的负极同时与十三号三极管基极和十三号三极管的集电极相连；

十三号三极管的集电极与一号三极管的发射极相连；

十三号三极管的发射极与无源光网络局端接收机的接地端相连；

所述十三号三极管为NPN型三极管。

本发明的有益效果是本发明提供的四种高动态范围突发模式跨阻放大器中动态自动增益控制电路都保证了该跨阻放大器的小信号增益，不存在低频截至频率；增大了该跨阻放大器的过载电流，实现了该跨阻放大器的高动态范围，环路相位裕度补偿电路实现了对动态自动增益控制电路进行环路补偿，保持了该跨阻放大器足够的相位裕度；并且该跨阻放大器不需要直流恢复电路，所以具有非常快的响应速度，灵敏性较高；第三种高动态范围突发模式跨阻放大器的偏置电路能够保证在不同工艺下，对环路相位裕度补偿电路进行偏置。

本发明适用于无源光网络局端接收机。

附图说明

图1为背景技术中常用的跨阻放大器的电路连接示意图；

图2为背景技术中采用直流恢复电路的跨常用跨阻放大器的电路连接示意图；

图3为背景技术中采用直流恢复电路的跨阻放大器的幅频特性示意图；

图4为具体实施方式一所述的高动态范围突发模式跨阻放大器连接示意图；

图5为具体实施方式三所述的高动态范围突发模式跨阻放大器连接示意图；

图6为具体实施方式五所述的高动态范围突发模式跨阻放大器连接示意图；

图7为具体实施方式七所述的高动态范围突发模式跨阻放大器连接示意图；

图8为具体实施方式一所述的高动态范围突发模式跨阻放大器幅频特性示意图；

图9为具体实施方式一所述的高动态范围突发模式跨阻放大器的输出电压和跨阻随输入电流变化的曲线；

图10为具体实施方式五所述的高动态范围突发模式跨阻放大器在25℃时的环路相位裕度随输入电流变化的曲线图；

图11为具体实施方式五所述的高动态范围突发模式跨阻放大器在110℃时的环路相位裕度随输入电流变化的曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图4、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述的高动态范围突发模式跨阻放大器，在本实施方式中，它包括一号三极管Q₁、二号三极管Q₂、一号电阻R₁、六号电阻R₆、光电二极管3、光电二极管阴极电压输入端子4、电压源V_DC1和一号电流源I_DC1；一号电阻R₁的一端与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号电阻R₁的另一端同时与一号三极管Q₁的集电极和二号三极管Q₂的基极连接，连接点作为电压输出端VOUT；光电二极管3的阴极与光电二极管阴极电压输入端子4相连；光电二极管3的阳极同时与一号三极管Q₁的基极和六号电阻R₆的一端相连；二号三极管Q₂的集电极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号电流源I_DC1的负极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；一号三极管Q₁的发射极与电压源V_DC1的正极相连；电压源V_DC1的负极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；

它还包括环路相位裕度补偿电路1和动态自动增益控制电路2；

所述环路相位裕度补偿电路1包括四号三极管Q₄和四号电阻R₄；环路相位裕度补偿电路1用于实现对动态自动增益控制电路2进行环路补偿；

四号三极管Q₄的基极为二号节点VB₁，二号节点VB₁的电压用于保证环路相位裕度补偿电路1工作时处于稳定状态；四号三极管Q₄的集电极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；四号三极管Q₄的发射极与四号电阻R₄的一端相连；四号电阻R₄的另一端与一号三极管Q₁的集电极相连；

所述动态自动增益控制电路2包括三号三极管Q₃、二号电阻R₂和三号电阻R₃；动态自动增益控制电路2用于实现该跨阻放大器的高动态范围；

二号三极管Q₂的发射极同时与六号电阻R₆的另一端和二号电阻R₂的一端连接，连接点作为一号节点VS₁；二号电阻R₂的另一端同时与一号电流源I_DC1的正极和三号电阻R₃的一端相连；二号电阻R₂用于调整动态自动增益控制电路2的开启电流；

三号三极管Q₃的基极和集电极同时与一号三极管Q₁的基极相连；三号三极管Q₃的发射极与三号电阻R₃的另一端相连。

本实施方式所述的一种高动态范围突发模式跨阻放大器，设置二号电阻R₂两端电压小于三号三极管Q₃的开启电压V_TH，则在输入电流为零时，由于六号电阻R₆两端电压为零，三号三极管Q₃的导通电压V_BE等于二号电阻R₂两端电压，三号三极管Q₃和三号电阻R₃没有电流流过，当输入电流从零开始增大时，六号电阻R₆两端电压增大，当六号电阻R₆两端电压与二号电阻R₂两端电压之和超过三号三极管Q₃的开启电压V_TH时，由三号三极管Q₃和三号电阻R₃组成的动态跨阻单元开始工作，等效跨阻减小。

由于环路相位裕度补偿电路1使用了与动态自动增益控制电路2相同类型的器件，并且工作后环路相位裕度补偿电路1和动态自动增益控制电路2有相似的阻抗特性，所以能够保证该跨阻放大器在宽动态范围都能有较好的相位裕度。

根据对该跨阻放大器进行幅频特性仿真，如图8所示，能够确定该跨阻放大器不存在低频截至频率；

根据对该跨阻放大器进行输出电压和跨阻随输入电流变化仿真，如图9所示，能够确定初始跨阻被设置在850Ω，输入电流增大至300μA时，环路相位裕度补偿电路1和动态自动增益控制电路2开始工作，流过三号三极管Q₃和四号三极管Q₄的电流开始增加，跨阻阻值开始下降，当输入电流增大至1mA时，流过三号三极管Q₃和四号三极管Q₄的电流等效的阻抗与三号电阻R₃和四号电阻R₄的阻值相比被忽略，此时跨阻不在下降，此时跨阻的阻值为二号电阻R₂和三号电阻R₃的和。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的高动态范围突发模式跨阻放大器进一步解释说明，在本实施方式中，所述一号三极管Q₁、二号三极管Q₂、三号三极管Q₃和四号三极管Q₄均为NPN型三极管。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式是在具体实施方式一所述的高动态范围突发模式跨阻放大器基础上进行替换，在本实施方式中，采用一号MOS管M₁代替四号三极管Q₄；采用二号MOS管M₂代替三号三极管Q₃；

一号MOS管M₁的栅极为二号节点VB₁，一号MOS管M₁的源极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号MOS管M₁的漏极与四号电阻R₄的一端相连；

二号MOS管M₂的栅极和源极同时与一号三极管Q₁的基极相连；二号MOS管M₂的漏极与三号电阻R₃的另一端相连。

只要保证环路相位裕度补偿电路1和动态自动增益控制电路2有相似的阻抗特性，该跨阻放大器便能够正常工作。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的高动态范围突发模式跨阻放大器进一步限定，在本实施方式中，所述一号MOS管M₁和二号MOS管M₂均为N型MOS管。

具体实施方式五：结合图6、图10和图11说明本实施方式，本实施方式所述的高动态范围突发模式跨阻放大器，它包括一号三极管Q₁、二号三极管Q₂、一号电阻R₁、六号电阻R₆、光电二极管3、光电二极管阴极电压输入端子4和电压源V_DC1；一号电阻R₁的一端与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号电阻R₁的另一端同时与一号三极管Q₁的集电极和二号三极管Q₂的基极连接，连接点作为电压输出端VOUT；光电二极管3的阴极与光电二极管阴极电压输入端子4相连；光电二极管3的阳极同时与一号三极管Q₁的基极和六号电阻R₆的一端相连；二号三极管Q₂的集电极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号三极管Q₁的发射极与电压源V_DC1的正极相连；电压源V_DC1的负极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；

它还包括环路相位裕度补偿电路1、动态自动增益控制电路2和偏置电路5；

所述环路相位裕度补偿电路1包括四号三极管Q₄和四号电阻R₄；

所述动态自动增益控制电路2包括三号三极管Q₃、二号电阻R₂和三号电阻R₃；

所述偏置电路5包括五号三极管Q₅、六号三极管Q₆、七号三极管Q₇、八号三极管Q₈、九号三极管Q₉、十号三极管Q₁₀、十一号三极管Q₁₁、十二号三极管Q₁₂、一号电流源I_DC1和五号电阻R₅；

四号三极管Q₄的基极为二号节点VB₁，二号节点VB₁的电压用于保证环路相位裕度补偿电路1工作时处于稳定状态；四号三极管Q₄的集电极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；四号三极管Q₄的发射极与四号电阻R₄的一端相连；四号电阻R₄的另一端与一号三极管Q₁的集电极相连；

二号三极管Q₂的发射极同时与六号电阻R₆的另一端和二号电阻R₂的一端连接，连接节点作为一号节点VS₁；

三号三极管Q₃的基极和集电极同时与一号三极管Q₁的基极相连；三号三极管Q₃的发射极与三号电阻R₃的一端相连；三号电阻R₃的另一端与二号电阻R₂的另一端连接；

五号三极管Q₅的集电极与三号电阻R₃和二号电阻R₂的公共端相连；五号三极管Q₅的发射极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；

一号电流源I_DC1的正极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；一号电流源I_DC1的负极同时与五号三极管Q₅的基极、六号三极管Q₆的基极、七号三极管Q₇的基极和七号三极管Q₇的集电极相连；

六号三极管Q₆的发射极和七号三极管Q₇的发射极均与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；六号三极管Q₆的集电极同时与八号三极管Q₈的集电极、八号三极管Q₈的基极和九号三极管Q₉的基极相连；

八号三极管Q₈的发射极和九号三极管Q₉的发射极均与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；

九号三极管Q₉的集电极同时与二号节点VB₁和五号电阻R₅的一端相连；

五号电阻R₅的另一端同时连接十二号三极管Q₁₂的基极和十二号三极管Q₁₂的集电极相连；

十二号三极管Q₁₂的发射极同时与十一号三极管Q₁₁的基极和十一号三极管Q₁₁的集电极相连；

十一号三极管Q₁₁的发射极同时与十号三极管Q₁₀的基极和十号三极管Q₁₀的集电极相连；

十号三极管Q₁₀的发射极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连。

在偏置电路5中，由五号三极管Q₅、六号三极管Q₆、七号三极管Q₇、八号三极管Q₈和九号三极管Q₉组成的电流镜同时为二号三极管Q₂、二号电阻R₂和五号电阻R₅提供偏置电流，通过调整各电流镜的比值以及二号电阻R₂和五号电阻R₅的阻值，使得二号电阻R₂和五号电阻R₅两端的电压相等，并令此电压值为V_SET，当输入电流为零时，三号三极管Q₃和四号三极管Q₄的导通电压V_BE等于V_SET，由于在输入电流增加时，一号三极管Q₁的发射极电压发生变化，所以三号三极管Q₃和四号三极管Q₄在同一输入电流时打开；由于偏置电路5仅依靠一号电流源I_DC1进行偏置，所以能够实现二号节点VB₁的电压根据不同的温度进行动态调整；

根据对该跨阻放大器在25℃时的环路相位裕度随输入电流变化仿真，如图10所示，能够确定出输入电流在6μA-2mA的工作范围内，相位裕度保持在50度以上。

根据对该跨阻放大器在110℃时的环路相位裕度随输入电流变化仿真，如图11所示，能够确定出输入电流在6μA-2mA的工作范围内，相位裕度保持在50度以上。

因此，本实施方式所述的一种高动态范围突发模式跨阻放大器能够不受温度变化的影响，保证在不同工艺下该跨阻放大器都能够正常工作。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的高动态范围突发模式跨阻放大器进一步限定，在本实施方式中，所述五号三极管Q₅、六号三极管Q₆、七号三极管Q₇、十号三极管Q₁₀、十一号三极管Q₁₁和十二号三极管Q₁₂均为NPN型三极管；

所述八号三极管Q₈和九号三极管Q₉均为PNP型三极管。

具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式是在具体实施方式五所述的高动态范围突发模式跨阻放大器的基础上进行替换，在本实施方式中，采用二号电流源I_DC2和十三号三极管Q₁₃代替电压源V_DC1；

二号电流源I_DC2的正极与无源光网络局端接收机的电源端VDD相连；二号电流源I_DC2用于减小输入阻抗；

二号电流源I_DC2的负极同时与十三号三极管Q₁₃基极和十三号三极管Q₁₃的集电极相连；

十三号三极管Q₁₃的集电极与一号三极管Q₁的发射极相连；

十三号三极管Q₁₃的发射极与无源光网络局端接收机的接地端GND相连；

所述十三号三极管Q₁₃为NPN型三极管。