CN222073117U - 一种具有改善带宽的跨阻放大器和光接收模块 - Google Patents

Abstract

一种具有改善带宽的跨阻放大器，有源电路级和无源电路级，有源电路级包括主放大器和主反馈电路，使得有源电路级实现跨阻放大功能；无源电路级包括无源网络和阻抗电路，无源网络为感性网络，其输入端用于输入电流信号，输出端与有源电路级连接；阻抗电路并联在无源网络的输入端和输出端，其电阻值可调。本申请一方面通过无源网络提高小信号电流时TIA的带宽，另一方面通过阻抗电路中电阻阻值的变化，改变无源网络的Q值，降低大信号电流时TIA的带宽，使得跨阻放大器在小信号电流输入时的带宽和大信号电流输入时的带宽更趋于一致。本申请还提供一种光接收模块，包括光电传感器和上述的跨阻放大器。

Description

一种具有改善带宽的跨阻放大器和光接收模块

技术领域

本申请涉及电子领域，具体涉及一种跨阻放大器。

背景技术

跨阻放大器(Trans-impedance amplifier,以下也简称TIA)是一种电流电压转换器件，用于将输入电流转换成电压，并放大后进行输出。在电路设计中，跨阻放大器有着广泛的用途，例如，用于滤波器或放大电路的设计。在放大电路设计中，跨阻放大器通常和传感器的输出端相连，传感器(例如光电二极管)用于对被检测物体或环境的特性参数进行感应，根据感应的信号输出对应的电流信号，将传感器输出的电流信号放大到需要的电压水平，从而使得传感器输出的信号可以被有效地处理和传输。

在电路实际运行工作中，希望跨阻放大器具有较高的带宽。为了增大TIA的带宽，研发工程师尝试在TIA输入端添加感性的无源网络，发现增加无源网络后跨阻放大器的带宽得到提高，但在大信号电流输入情况下，跨阻放大器的带宽会有更大的拓展，使得跨阻放大器在小电流信号输入时的带宽和大信号电流输入时的带宽相差比较大，跨阻放大器的带宽稳定性不理想。

实用新型内容

本申请提供一种具有改善带宽的跨阻放大器和光接收模块，使跨阻放大器在小信号电流输入时的带宽和大信号电流输入时的带宽更趋于一致。

根据本申请的一方面，一种实施例中提供一种具有改善带宽的跨阻放大器,包括有源电路级和无源电路级，所述主反馈电路用于将主放大器的输出电压分量反馈到主放大器的输入端，所述有源电路级包括主放大器和构成主放大器负反馈的主反馈电路，所述主放大器用于输入电流信号并输出电压信号，所述主放大器和主反馈电路共同作用使得有源电路级实现跨阻放大功能；所述无源电路级包括：

无源网络，所述无源网络为感性网络，其输入端用于输入电流信号，输出端与有源电路级连接；

阻抗电路，所述阻抗电路并联在无源网络的输入端和输出端，所述阻抗电路的阻值可调。

所述阻抗电路包括并联在无源网络的输入端和输出端之间的第一电阻，所述第一电阻的阻值可调。

所述第一电阻的阻值与输入电流信号的大小负相关，且在输入电流信号为小信号电流时为无穷大。

一种实施例中，所述无源网络为三端口网络，所述无源网络的第一端口为输入端，用于输入电流信号，第二端口为输出端，连接主放大器的输入端，第三端口连接主反馈电路的第一端，主反馈电路的第二端连接主放大器的输出端。

一种实施例中，所述无源网络包括连接在无源网络的第一端口和第二端口之间的一个或多个串联的第一电感元件，第三端口直接和第一端口、第二端口或多个第一电感元件的任一连接节点连接，或第三端口通过第二电感元件和第一端口、第二端口或多个第一电感元件的任一连接节点连接。

在改进的实施例中，所述主放大器包括第一放大器、第一反馈电阻和电压放大电路；所述第一反馈电阻跨接在第一放大器的输出端和输入端之间，所述第一反馈电阻的阻值可调；所述第一放大器的输入端连接主放大器的输入端，用于和第一反馈电阻共同作用将由主放大器的输入端输入的电流信号转换成电压信号并输出；所述电压放大电路的输入端连接第一放大器的输出端，电压放大电路的输出端连接主放大器的输出端，所述电压放大电路的电压放大倍数大于1；所述主反馈电路包括第二反馈电阻，所述第二反馈电阻为阻值固定的电阻元件。

所述第一反馈电阻的阻值与输入电流信号的大小成负相关，且在输入电流信号为小信号电流时为无穷大。

一种实施例中，所述电压放大电路包括串联在的电压放大电路的输入端和输出端之间的第二放大器和第三放大器。

一种实施例中，所述第一放大器为负增益，第二放大器和第三放大器均为负增益或均为正增益。

根据第二方面，一种实施例中提供一种光接收模块，包括光电传感器和上述的跨阻放大器，所述光电传感器用于感应光信号并将光信号转换成对应的电流信号输出，所述光电传感器的输出端连接跨阻放大器的输入端。

依据上述实施例，一方面通过无源网络提高小信号电流时TIA的带宽，另一方面通过阻抗电路中电阻阻值的变化，改变无源网络的Q值，达到改变TIA带宽的目的，以便降低大信号电流时TIA的带宽，使得跨阻放大器在小信号电流输入时的带宽和大信号电流输入时的带宽更趋于一致。

附图说明

图1为实施例一中跨阻放大器的结构示意图；

图2为无源网络的具体实现方式的电路结构图；

图3a和图3b为可变电阻的实现方式电路图；

图4a为图1的跨阻放大器的等效电路图；

图4b为跨阻增益和带宽随电阻R1阻值变化的关系图；

图5为实施例二中跨阻放大器的结构示意图；

图6为一种实施例中跨阻放大器的具体电路结构图；

图7为跨阻放大器的寄生电容的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式，各实施例所涉及的操作步骤也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的组成和/或顺序。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例一：

请参考图1，跨阻放大器1包括有源电路级和无源电路级，无源电路级的输入端用于与电流提供装置的输出端连接，输入由电流提供装置输出的电流，输出端与有源电路级连接，将电流信号输入到有源电路级。

电流提供装置可以是传感器、信号倍增管、盖革米勒管等，传感器可以是各种传感器，用于对被检测物体或环境的特性参数进行感应，根据感应的信息输出对应的电流信号，例如传感器可以是压力传感器、光电探测器、光电传感器、温度传感器、生理监测传感器等。图1中以传感器是光电二极管PD为例进行说明。光电二极管PD的阴极连接偏置电压，阳极连接到无源电路级的输入端，用于将感应的光电流输入到无源电路级。

无源电路级包括无源网络11和并联在无源网络的输入端和输出端之间的阻抗电路10。无源网络11为感性网络，在具体实施例中，无源网络11为三端口网络，其第一端口N1为输入端，用于输入电流信号，第二端口N2为输出端，第三端口N3为反馈端。无源网络11的实现方式可以有多种，如图2所示。在图2(a)中，无源网络包括连接在第一端口N1和第二端口N2之间的多个串联的第一电感元件，例如包括串联在第一端口N1和第二端口N2之间的电感L1和电感L2，无源网络还包括电感L3，电感L3一端连接第三端口N3，另一端和电感L1、电感L2串联的节点连接。在另外的实施例中，电感L3的另一端也可以和第一端口或第二端口连接。而电感L1和电感L2也可以合并为一个电感，或分成更多个电感。在变形的实施例中，第三端口N3还可以直接和第一端口或第二端口连接，或直接和电感L1、电感L2串联的节点连接。在图2(b)和图2(c)中，无源网络包括连接在第一端口N1和第二端口N2之间的一个串联的第一电感元件，例如包括串联在第一端口N1和第二端口N2之间的电感L1，第三端口直接和第一端口或第二端口连接。在变形的实施例中，第三端口N3也可以通过一个电感和第一端口或第二端口连接。在图2(d)所示的实施例中，无源网络包括串联在第一端口N1和第二端口N2之间的电感L1和电感L2，电感L1的同名端连接第一端口N1，电感L2的异名端连接第二端口N2，无源网络还包括电容C1和电容C1′，电容C1连接在地和电感L1和电感L2的连接节点，电容C1′连接在第一端口N1和第二端口N2之间，第三端口N3直接或通过一电感与第二端口连接。

阻抗电路10包括并联在无源网络的第一端口N1和第二端口N2之间的第一电阻R1，第一电阻R1的阻值可调,且与输入电流信号的大小负相关，在输入电流信号为小信号电流时第一电阻R1的阻值为无穷大，当输入电流信号增大时，第一电阻R1的阻值根据设定的与输入电流的函数关系而增大。例如，第一电阻R1的阻值可由控制器(图中未示出)根据输入电流的大小产生控制信号，从而控制电阻R1的阻值大小。可调阻值的电阻R1可采用如图3a或图3b所示的实现方式，图3a中，电阻R1采用开关控制电阻阵列的方式，控制器通过控制开关的闭合和打开，改变并联电阻的个数，从而改变整个阵列的阻值。在图3b中，电阻R1采用MOS管的方式实现，控制器通过控制MOS管的栅极电压来改变电阻的阻值。

有源电路级包括主放大器12和主反馈电路13，主放大器12的输入端12a和无源网络的第二端口N2连接，用于输入电流信号，其输出端12b用于输出电压信号。主反馈电路13的一端连接主放大器12的输出端12b，另一端连接无源网络的第三端口N3，通过无源网络将主放大器的输出电压分量反馈到主放大器的输入端。主放大器11和主反馈电路12共同作用使得有源电路级实现跨阻放大功能。具体实施例中，主反馈电路13包括反馈电阻Rf,反馈电阻Rf一端连接主放大器12的输出端12b，另一端连接无源网络的第三端口N3。

本实施例的TIA电路中，无源网络至少包括感性元件，假设各种连接的感性元件等效为电感L，如图4a所示，TIA的有源网络可以等效为Cin与Rin并联后级联一个放大器A。Cin为TIA有源网络的等效输入电容，Rin为TIA有源网络的等效输入电阻。电感L和电容Cin构成了一个LC网络，该网络形成LC谐振在谐振处具有较高的增益，通过设置合适的LC谐振点，可以有效提高TIA的带宽。

电感L的Q值越大，LC网络在谐振点的增益越高，TIA的带宽就越大。可以将电感L与电阻R1并联的结构视为一个电感L’，当电阻R1的阻值越小，电感L’的Q值越小，LC网络在谐振点的增益越低，TIA的带宽也就越低。如图4b所示，R1的阻值越小，TIA的带宽越低。

图1所示实施例的TIA带宽随R1阻值变化的示意图如图4b所示，其中Tz为TIA的跨阻增益，BW1,BW2,BW3分别对应R1较小、中等、很大时TIA的带宽，由图中可见，BW1<BW2<BW3，可见通过调节电阻R1的阻值，可达到改变TIA带宽的目的。

当无源网络不是由上述简单电感的时候，而是一个复杂的感性网络的时候，通过在N1和N2之间并联可调电阻R1的方法，仍然可以起到调节无源网络Q值的作用，起到图4b中所示的带宽调节作用。

本实施例中，通过无源网络可调高小信号电流输入情况下的带宽，而当引入可调电阻R1(R1阻值随TIA输入信号增大而减小)时，通过调节电阻R1的大小，可以实现调节TIA带宽的功能。小电流信号输入TIA时，TIA的带宽扩展作用强，大电流信号输入TIA时，TIA的带宽扩展作用弱，从而实现了小电流信号输入TIA与大电流信号输入TIA时的TIA带宽基本一致，提高了在输入电流变化的情况下TIA带宽的稳定性。

实施例二：

在对跨阻放大器TIA研究中发现，TIA输入端的等效电容会恶化TIA的灵敏度和带宽，因此希望TIA输入端的等效电容越小越好。当需要跨阻放大器TIA具有可变增益时，传统的方式是将反馈电阻Rf设计为可变电阻，在采用集成电路工艺制作TIA芯片的情况下，由于在实现电阻的可变功能时采用了晶体管技术，会引入额外的寄生电容，该电容会增大TIA输入端的等效电容C_in。

TIA输入端的总电容C_in越大，就有越多的高频输入信号被C_in分流走，意味着TIA的带宽下降。同时，更多的输入信号被C_in分流走，代表经过TIA放大后的输出信号信噪比(信号和噪声的比值)下降，意味着TIA的灵敏度更差。因此本实施例通过减小TIA输入端的等效电容来改善TIA的灵敏度和带宽。

请参考图5，在改进的实施例中，跨阻放大器5包括有源电路级51和无源电路级52，无源电路级52的实现方式可同上述实施例一。有源电路级51包括主放大器511和反馈电阻Rf，主放大器511的输入端连接无源电路级52的输出端，用于输入电流信号，其输出端输出放大后的电压信号。反馈电阻Rf一端连接主放大器511的输出端，另一端连接无源电路级52的反馈端。本实施例中，反馈电阻Rf为固定电阻，其阻值不可调。

主放大器511包括第一放大器A1、第一反馈电路和电压放大电路。第一放大器A1的输入端连接主放大器的输入端，输出端连接电压放大电路的输入端。第一反馈电路连接在第一放大器A1的输出端和输入端之间，第一反馈电路至少包括一电阻元件，例如，如图5所示的实施例中，第一反馈电路包括跨接在第一放大器A1的输出端和输入端之间的电阻R2，在另外的实施例中，第一反馈电路还可以进一步包括和电阻R2并联的显性电容(图中未示出)。本实施例中，电阻R2为可调阻值的电阻，其阻值可由控制器(图中未示出)根据输入电流的大小产生控制信号，从而控制电阻R2的阻值大小。可调阻值的电阻R2可采用如图3a或图3b所示的实现方式。

在一种具体的实施例中，电阻R1和电阻R2可通过同一个控制器同步控制，如图6所示。

第一放大器A1本身是一个电压放大器，具有设定的电压放大倍数，电压放大倍数指放大器的输出电压和放大器的输入电压之比，本实施例中，第一放大器A1采用反相放大器，即电阻R2在第一放大器A1的输出端和反相输入端之间形成负反馈，使第一放大器A1是负增益，电压放大倍数为-A1。控制器控制电阻R2的阻值随第一放大器A1输入电流的增大而变小，这种变化可以根据预先设定的某种函数关系而变化，例如使电阻R2的阻值与输入电流成反比，或者电阻R2的阻值可设定为若干固定值，控制器根据输入电流的大小确定电阻R2对应的固定值。在小电流信号(例如20uA以下的光电流)输入条件下，电阻R2趋向于无穷大，第一级放大器为电压放大器。在输入电流信号增大后，电阻R2可以根据前述的某种函数关系变为有限值，使得第一放大器A1和电阻R2共同构成的这个结构具有跨阻放大功能。

请继续参考图5，电压放大电路包括一个或多个串联的电压放大器，如图5所示的实施例中，电压放大电路包括两个串联的第二放大器A2和第三放大器A3，两个放大器也都具有设定的电压放大倍数。由于整个跨阻放大器5要实现跨阻放大功能，因此需要将主放大器511设计为具有负增益。在第一放大器A1具有负增益的情况下，电压放大电路整体上应为正增益。本领域技术人员根据组成电压放大电路的放大器的个数和电压放大电路整体上为正增益的两个约束条件可设计每个放大器的增益。在优选的实施例中，电压放大电路包括偶数个串联的电压放大器。例如图5所示的第二放大器A2和第三放大器A3，第二放大器A2和第三放大器A3可以同时是负增益，也可以同时是正增益，本实施例中，第二放大器A2的电压放大倍数为-A2，第三放大器A3电压放大倍数为-A3，而第一放大器A1也是负增益，由此使得跨阻放大器5具有负增益。

在具体实施例中，第一放大器A1、第二放大器A2和第三放大器A3的具体电路结构可如图6中所示，采用反相器放大器的方式实现。例如，第一放大器、第二放大器和第三放大器均包括一PMOS管和一NMOS管，PMOS管和NMOS管的栅极相连，PMOS管和NMOS管的漏极相连并连接到下一放大器的栅极相连节点，PMOS管的源极连接高电位VDD，NMOS管的源极连接地电位。可变电阻R2的两端分别连接第一放大器的栅极和漏极。

根据跨阻放大器的跨阻增益等于TIA的输出电压除以TIA的输入电流，如图5所示的跨阻放大器5的跨阻增益Tz为：

由公式(1)可以看出，当改变电阻R2和电阻Rf的阻值时，跨阻放大器5的跨阻增益Tz都会随之而变。换言之，电阻R2和电阻Rf只要有一个被设计为可变电阻，即可实现可变增益的跨阻放大器。

在采用集成电路工艺制作TIA芯片的情况下，由于在实现电阻的可变功能时采用了晶体管技术，会引入额外的寄生电容。本实施例中将电阻R2设计为可变电阻，将反馈电阻Rf设计为不可变电阻，可减小TIA电路输入端的总等效电容，有利于改善TIA的灵敏度和带宽。以下进行分析。

当反馈电阻Rf和电阻R2都是可变电阻时，反馈电阻Rf的两端会产生一个并联的等效寄生电容Cf，电阻R2的两端会产生一个并联的等效寄生电容C2，如图7所示。

在进行米勒效应等效后，可以得到TIA电路输入端的总电容C_in如下：

Cin＝Cpd+Cpar+Cf(1+A)+C2(1+A1)………(2)

其中A为主放大器511的电压放大倍数的绝对值，A1为第一放大器A1的电压放大倍数的绝对值，Cpd为光电二极管两端的寄生电容，Cpar代表主放大器511输入端寄生电容，Cf为实现可变跨阻Rf所引入的寄生电容，C2为实现可变跨阻R2所引入的寄生电容。

若R2为可调电阻，Rf为不可调电阻，则Cf≈0。此时TIA输入端等效电容计为：

Cin_1＝Cpd+Cpar+C2(1+A1)……………(4)

若Rf为可调电阻，R2为不可调电阻，则C2≈0。此时TIA输入端等效电容计为：

Cin_2＝Cpd+Cpar+Cf(1+A)……………(5)

通常情况下，为了实现可调功能而加入的寄生电容C2和Cf接近，而主放大器511的电压放大倍数为第一放大器A1、第二放大器A2和第三放大器A3的电压放大倍数的乘积，即：A＝A1*A2*A3，在电压放大电路整体放大倍数大于1的情况下，即A2*A3>1的情况下，A大于A1，所以Cin_1<Cin_2。对于实现较高的灵敏度和带宽而言，跨阻放大器输入端的等效电容越小越好。因此在本实施例中，将电阻R2设计为可变电阻，将电阻Rf设计为不可变电阻(即阻值固定的电阻)。整个跨阻放大器的跨阻增益通过调节R2的阻值来改变，而不需要调节电阻Rf的阻值。

由以上分析可知，本实施例通过改变调节跨阻增益的可变电阻的位置，可减小跨阻放大器输入端的等效电容，从而改善了跨阻放大器的灵敏度和带宽。

以上实施例中，跨阻放大器可以设计为芯片形式，跨阻放大器还可以光电传感器一起集成为一光接收模块，光电传感器用于感应光信号并将光信号转换成对应的电流信号输出，光电传感器的输出端连接跨阻放大器的输入端。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种具有改善带宽的跨阻放大器,包括有源电路级，所述有源电路级包括主放大器和主反馈电路，所述主放大器用于输入电流信号并输出电压信号，所述主反馈电路用于将主放大器的输出电压分量反馈到主放大器的输入端，所述主放大器和主反馈电路共同作用使得有源电路级实现跨阻放大功能，其特征在于所述跨阻放大器还包括无源电路级，所述无源电路级包括：

无源网络，所述无源网络为感性网络，其输入端用于输入电流信号，输出端与有源电路级连接；

阻抗电路，所述阻抗电路并联在无源网络的输入端和输出端，所述阻抗电路的阻值可调。

2.如权利要求1所述的跨阻放大器，其特征在于，所述阻抗电路包括并联在无源网络的输入端和输出端之间的第一电阻，所述第一电阻的阻值可调。

3.如权利要求2所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一电阻的阻值与输入电流信号的大小负相关，且在输入电流信号为小信号电流时为无穷大。

4.如权利要求1-3中任一项所述的跨阻放大器，其特征在于，所述无源网络为三端口网络，所述无源网络的第一端口为输入端，用于输入电流信号，第二端口为输出端，连接主放大器的输入端，第三端口连接主反馈电路的第一端，主反馈电路的第二端连接主放大器的输出端。

5.如权利要求4所述的跨阻放大器，其特征在于，所述无源网络包括连接在无源网络的第一端口和第二端口之间的一个或多个串联的第一电感元件，第三端口直接和第一端口、第二端口或多个第一电感元件的任一连接节点连接，或第三端口通过第二电感元件和第一端口、第二端口或多个第一电感元件的任一连接节点连接。

6.如权利要求4所述的跨阻放大器，其特征在于，所述主放大器包括第一放大器、第一反馈电阻和电压放大电路；所述第一反馈电阻跨接在第一放大器的输出端和输入端之间，所述第一反馈电阻的阻值可调；所述第一放大器的输入端连接主放大器的输入端，用于和第一反馈电阻共同作用将由主放大器的输入端输入的电流信号转换成电压信号并输出；所述电压放大电路的输入端连接第一放大器的输出端，电压放大电路的输出端连接主放大器的输出端，所述电压放大电路的电压放大倍数大于1；所述主反馈电路包括第二反馈电阻，所述第二反馈电阻为阻值固定的电阻元件。

7.如权利要求6所述的跨阻放大器，其特征在于，所述电压放大电路包括串联在的电压放大电路的输入端和输出端之间的第二放大器和第三放大器。

8.如权利要求7所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一放大器为负增益，第二放大器和第三放大器均为负增益或均为正增益。

9.如权利要求6所述的跨阻放大器，其特征在于，所述第一反馈电阻的阻值与输入电流信号的大小成负相关，且在输入电流信号为小信号电流时为无穷大。

10.一种光接收模块，其特征在于，包括光电传感器和如权利要求1-9中任一项所述的跨阻放大器，所述光电传感器用于感应光信号并将光信号转换成对应的电流信号输出，所述光电传感器的输出端连接跨阻放大器的输入端。