一種跨阻放大器的設(shè)計(jì)*

楊朋博，羅　萍，李世文，王　榮

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，成都610054）

一種跨阻放大器的設(shè)計(jì)*

楊朋博，羅萍*，李世文，王榮

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，成都610054）

利用調(diào)節(jié)型共源共柵電路結(jié)構(gòu)（RGC）可以使跨阻放大器得到較高的帶寬，并且通過級(jí)聯(lián)并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋電路可以使增益得到提高。采用0.5 μm的標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真。測試結(jié)果表明，該電路具有69.93 dB的跨阻增益，830 MHz的-3 dB帶寬。在輸入電流為1 μA時(shí)，其輸出電壓的動(dòng)態(tài)擺幅達(dá)到4.5 mV，在5 V電源電壓下功耗僅為63.16 mW。

跨阻放大器；高增益；高帶寬；RGC；CMOS

隨著互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通訊以及數(shù)字播放設(shè)備的快速發(fā)展，要求有更高速的光電信號(hào)處理和通訊系統(tǒng)。在典型的光接收器中，其關(guān)鍵部件是非常靈敏的電流輸入型前置運(yùn)算放大器。此類前置放大器要求：低輸入電流噪聲，高而精確的跨阻增益，良好的閉環(huán)穩(wěn)定性和足夠的帶寬。但是，這些要求通常是互相矛盾的，必須針對(duì)不同的應(yīng)用需要，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［1］。而現(xiàn)在國內(nèi)的一些共源共柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往不能對(duì)兩者同時(shí)做到一個(gè)優(yōu)化［2］，或者是在對(duì)兩者取一個(gè)很好的優(yōu)化時(shí)，功耗卻又相對(duì)較高［3］。文章致力于設(shè)計(jì)一種對(duì)跨阻增益、功耗和-3 dB帶寬三者一體做成一個(gè)很好的優(yōu)化的跨阻放大器。

1　電路結(jié)構(gòu)及原理

1.1RGC結(jié)構(gòu)

為了增大帶寬，需確保輸入管能夠很好地隔離輸入電容的影響，就要求跨阻放大器輸入級(jí)的輸入電阻盡可能小。小信號(hào)等效電路分析表明，調(diào)節(jié)型共源共柵電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)RGC（Regulated Cascode）［4］具有非常低的輸入阻抗。其電路原理圖如圖1所示。

圖1RGC跨組放大電路

此RGC跨組放大電路的轉(zhuǎn)移特性函數(shù)表達(dá)式為：

因此，可得到其閉環(huán)增益：

與-3 dB帶寬：R1、M1和M7構(gòu)成了共柵結(jié)構(gòu)，R2和M2構(gòu)成反饋部分，該結(jié)構(gòu)不僅具有極低的輸入阻抗，同時(shí)具有穩(wěn)定電流的特點(diǎn)。可以計(jì)算得到輸入阻抗為1/gm1（1+gm2R2），與共柵級(jí)跨組放大電路輸入阻抗1/gm比小（1+gm2R2）倍，所以帶寬增加了（1+gm2R2）倍。當(dāng)M1管的漏源電流增大時(shí)，M7管的漏源電壓增大，使M2管的柵源電壓增大，漏源電流增大，R2上壓降增大，使M1管的柵電壓下降，從而使M1管漏源電流降低。從而形成負(fù)反饋并使電流穩(wěn)定。

RGC結(jié)構(gòu)本身具有一個(gè)零點(diǎn)，其峰值頻率為［4］

為避免該峰值點(diǎn)的出現(xiàn)，電阻R2阻值和M1管寬度不宜過大。

RGC結(jié)構(gòu)極低的輸入電阻近似于提供了一個(gè)虛地輸入，因此它對(duì)光電二極管結(jié)電容的隔離效果更好，可以提供很高的帶寬。

1.2并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋放大電路

RGC結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)電流緩沖級(jí)，能夠提供的電壓增益有限［4-5］，而并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)往往能提供一個(gè)很高的增益［6-7］。因此本文設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋放大電路作為第2級(jí)電路進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并且此結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一個(gè)局部負(fù)反饋，在不增加功耗的情況下擴(kuò)展了帶寬與增益。其電路原理圖如圖2所示。

圖2RGC結(jié)構(gòu)及并聯(lián)負(fù)反饋放大電路

圖2中，R4與M6構(gòu)成了并聯(lián)—并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，而M3、M4和M5將第1級(jí)輸出的電壓信號(hào)放大并傳輸給R4與M6構(gòu)成的放大結(jié)構(gòu)。同時(shí)，M3、M4、M5、R4和M6作為一個(gè)整體與R3構(gòu)成并聯(lián)—并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。由電路圖推導(dǎo)可知二級(jí)電路增益為：

可知第2級(jí)增益主要與R3和R4的阻值有關(guān)。

2　仿真結(jié)果及分析

本文使用HSPICE仿真軟件，對(duì)RGC跨阻放大器和二級(jí)電路幅頻特性及其他特性進(jìn)行了仿真，仿真采用0.5 μm CMOS工藝，電源電壓VDD為5 V，VSS為-5 V；光電二極管用一個(gè)微小電流源并聯(lián)一個(gè)電容代替。

2.1增益及帶寬

根據(jù)前面的分析，M1、M2、R1、R2是影響RGC結(jié)構(gòu)增益、帶寬的關(guān)鍵器件。當(dāng)M1寬長比（W/L）為80，M2寬長比（W/L）為24、R1為1 kΩ和R2為1.5 kΩ時(shí)，其跨阻增益為 58.05 dBΩ、-3 dB帶寬達(dá)到1.056 GHz，如圖3所示。一般共源放大器增益只有45 dBΩ、-3 dB帶寬僅有200 MHz［8］。

圖3RGC電路頻率特性

在級(jí)聯(lián)了并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)后，帶寬雖然有所降低，但是增益顯著增加：增益為69.94 dBΩ，-3 dB帶寬為845 MHz，如圖4所示。

圖4　總電路頻率特性

2.2瞬態(tài)響應(yīng)及其它特性分析

瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖所示。在輸入電流幅值為200 μA、周期2 ns的脈沖下，輸出電壓的擺幅達(dá)到820 mV，其功耗僅為63.16 mW。如圖5所示。

圖5RGC跨阻放大器的瞬態(tài)響應(yīng)

3　結(jié)論

本文介紹一種RGC跨阻放大電路，它由RGC前置電路與并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋二級(jí)電路構(gòu)成，它的增益為69.94 dBΩ，-3 dB帶寬為845 MHz，在5 V電源電壓下功耗僅為63.16 mW。與普通的共源放大電路相比，它具有更好的增益、帶寬，更低的功耗，可以滿足光纖通訊系統(tǒng)中光信號(hào)高速、低誤比特率的傳輸和處理要求。如表1所示，本文與近年發(fā)表的放大器相比較，對(duì)頻率、增益和功耗做了更好的優(yōu)化。

表1　本文電路與近年發(fā)表的放大器的性能比較

［1］易長根，明鑫，周澤坤，等.一種基于高壓工藝的高精度電流采樣電路［J］.微電子學(xué)，2010，40（2）：195-198.

［2］金杰，王春華，余飛.2.4 GHz可變增益CMOS跨阻放大器設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)，2010，40（4）：556-560.

［3］劉帥鋒，梁遠(yuǎn)軍，李磊.單片集成CMOS光接收前端電路設(shè)計(jì)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（3）：99-107.

［4］Park S M，Yoo H J.1.25-Gbit/s Rregulated Cascade CMOS Transimpedance Amplifier for Gigabit Ethernet Applications［J］. IEEE Journal ofSolid-State Circuits，2004，39（1）：112-121.

［5］Behazad Razavi.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：70-77.

［6］Gray P R，Hurst P J，Lewis S H.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits［M］.Wiley，2001：145-153.

［7］朱正涌，張海洋，朱元紅.半導(dǎo)體集成電路（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：177-186.

［8］楊仕強(qiáng)，方健，張波，等.一種高增益寬帶共柵CMOS電流模跨阻放大器［J］.微電子學(xué)，2005，35（3）：308-310.

楊朋博（1994-），男，漢族，四川遂寧人，電子科技大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)槲㈦娮涌茖W(xué)與技術(shù)，ypbqaz@163.com；

羅萍（1968-），女，漢族，四川廣漢人，電子科技大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)槲㈦娮涌茖W(xué)與技術(shù)，pingl@uestc.edu.cn；

李世文（1994-），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，電子科技大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)槲㈦娮涌茖W(xué)與技術(shù)，shiwen_li@ foxmail.com；

王榮（1993-），男，漢族，安徽銅陵人，電子科技大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)，wangrongifly@ qq.com。

A Cross Transimpedance Amplifier Design*

YANG Pengbo，LUO Ping*，LI Shiwen，WANG Rong
（University of Electronic Science and Technology of Microelectronics，Chengdu 610054，China）

The bandwidth and the parallel and parallel negative feedback and the transimpedance gain of transimpedance amplifier is improved by using the regulated cascode circuit configuration（RGC）.The transimpedance amplifier was designed with using 0.5 μm standard complementary metal-oxide semiconductor（CMOS）process.Test results show that the circuit has a transimpedance gain 69.93 dB，830 MHz-3 dB bandwidth.The input current is 1 μA，its dynamic output voltage swing reaches 4.5 mV at 5 V supply voltage and its consume power only 63.16 mW.

transimpedance amplifier；high-gain；high-bandwidth；RGC；CMOS

TN492

A

1005-9490（2016）05-1073-03

項(xiàng)目來源：電子科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目

2015-10-10修改日期：2015-10-30

EEACC:122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.011