一種高增益、大帶寬跨阻放大器的設(shè)計(jì)

楊赟秀,袁 菲,明 鑫,鄧世杰,路小龍,景 立,咼長(zhǎng)冬

(1.西南技術(shù)物理研究所激光光電基礎(chǔ)技術(shù)部,成都 610041;2.電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,成都 610054)

一種高增益、大帶寬跨阻放大器的設(shè)計(jì)

楊赟秀1*,袁 菲1,明 鑫2,鄧世杰1,路小龍1,景 立1,咼長(zhǎng)冬1

(1.西南技術(shù)物理研究所激光光電基礎(chǔ)技術(shù)部,成都 610041;2.電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,成都 610054)

跨阻放大器;高增益;大帶寬;RGC;反相放大器

近年來,光電探測(cè)器作為激光近炸引信中探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別的核心元件,在彈丸飛行過程中實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)位置信息,以達(dá)到最佳毀傷效果,由于光電探測(cè)器抗電磁干擾能力強(qiáng)、方向性好、測(cè)距精度高等優(yōu)點(diǎn),已成為引信、制導(dǎo)發(fā)展的一個(gè)重要方向。光電探測(cè)器的核心組成部分是光電二極管和相應(yīng)的跨阻放大器電路,放大器的作用是將光電二極管生成的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化放大成供后續(xù)系統(tǒng)處理的電壓信號(hào),其性能很大程度上決定了光電探測(cè)器的整體性能[1]。目前用于光電探測(cè)的放大器有跨阻放大器、低阻放大器和高阻放大器,跨阻放大器具有高靈敏度、較大動(dòng)態(tài)范圍和不需要均衡電路等特點(diǎn),被廣泛用于光電探測(cè)和光電通信等領(lǐng)域。為滿足遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)檢測(cè),跨阻放大器的增益應(yīng)當(dāng)足夠高以獲得較大有效電壓信號(hào);同時(shí)還需要合適大小的帶寬以獲得較快的響應(yīng)速度以滿足實(shí)時(shí)探測(cè)的目的,然而光電二極管的較大寄生電容使放大器主極點(diǎn)位于輸入點(diǎn)阻礙了帶寬的提高;跨阻放大器本身引入的噪聲應(yīng)該足夠低,以免有效信號(hào)淹沒在噪聲信號(hào)中。然而,增益、帶寬和噪聲的要求是互相矛盾的,設(shè)計(jì)中需要折中考慮[2]。

1 電路結(jié)構(gòu)及分析

本文設(shè)計(jì)的高增益、大帶寬跨阻放大器原理示意圖如圖1所示。從電路結(jié)構(gòu)上可分為兩級(jí)放大和輸出電路3部分,第1級(jí)電流放大器包括2個(gè)RGC結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的電流鏡,第2級(jí)放大器包括3個(gè)級(jí)聯(lián)的反相放大器作為主要增益級(jí),最后以射隨器輸出。

圖1 跨阻放大器電路原理示意圖

光電二極管的輸出信號(hào)作為第1級(jí)放大器的輸入,RGC結(jié)構(gòu)通過電流鏡將光電二極管的光生電流進(jìn)行復(fù)制與放大;第2級(jí)3個(gè)級(jí)聯(lián)反相放大器作為主要增益級(jí),將RGC結(jié)構(gòu)的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大,以滿足后續(xù)系統(tǒng)處理要求。與傳統(tǒng)的單RGC結(jié)構(gòu)相比,上下兩個(gè)RGC結(jié)構(gòu)通過電流鏡像單元并聯(lián)在后級(jí)反相放大器的輸入端,通過電路參數(shù)設(shè)計(jì),使靜態(tài)情況下流過MP4管和MN6管的電流大小相等,那么兩個(gè)RGC結(jié)構(gòu)電路的靜態(tài)電流可互相抵消,消除了光電二極管漏電流對(duì)后級(jí)反相放大器直流工作點(diǎn)的影響,可提升電路的穩(wěn)定性。RGC結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí),還具有非常低的輸入阻抗,級(jí)聯(lián)的反相放大器增益大,這樣的電路結(jié)構(gòu)可滿足高增益、大帶寬的設(shè)計(jì)需要。

1.1 RGC結(jié)構(gòu)帶寬設(shè)計(jì)分析

RGC結(jié)構(gòu)又稱調(diào)節(jié)式共源共柵結(jié)構(gòu),通常情況下光電二極管的寄生電容相對(duì)較大,與光電二極管直接相連的RGC結(jié)構(gòu)輸入端等效的電容遠(yuǎn)大于反相放大器的輸入端等效電容,跨阻放大器的帶寬主要取決于第1級(jí)RGC結(jié)構(gòu)的帶寬[3]。圖1中R1、MN1和二極管連接的MP1構(gòu)成共柵結(jié)構(gòu),MN2和R2構(gòu)成共源結(jié)構(gòu)作為反饋部分,與共柵放大器構(gòu)成電流-并聯(lián)負(fù)反饋。當(dāng)MN1管電流增大時(shí),R1上壓降增大,MN2柵源電壓增大,對(duì)應(yīng)電流增大,R2上壓降增大,MN1管的柵壓減小,阻止MN1管電流的增大。

圖2 RGC結(jié)構(gòu)小信號(hào)等效模型

為了分析RGC結(jié)構(gòu)的增益帶寬等,其小信號(hào)等效模型如圖2所示。

圖2中,Req表示二極管連接的MP1管與后續(xù)電路并聯(lián)形成的等效電阻,Cd表示光電二極管寄生電容,則輸入端總的寄生電容大小為Ctot=Cd+Cgs2+Csb1,對(duì)小信號(hào)模型進(jìn)行分析可得。

(1)

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可知,與共柵放大器相比,RGC結(jié)構(gòu)不僅將帶寬增加了(1+gmn2R2)倍,同時(shí)還將MN1管源端等效輸入阻抗降低為原來的(1+gmn2R2)-1倍,相當(dāng)于一個(gè)大小為[(gmn2R2+1)gmn1]-1的電阻與R1并聯(lián)。事實(shí)上[(gmn2R2+1)gmn1]-1的值遠(yuǎn)大于R1的值,所以在保證MN2管導(dǎo)通的情況下,盡可能的降低R1的值來提高帶寬。RGC結(jié)構(gòu)還存在一個(gè)零點(diǎn),其峰值頻率為:

(3)

設(shè)計(jì)中MN1管的寬度和R2的阻值不應(yīng)過大,以避免此零點(diǎn)的出現(xiàn)。RGC結(jié)構(gòu)的輸入阻抗非常低,可以近似提供一個(gè)虛地輸入,它對(duì)光電二極管的寄生電容有很好的隔離作用,可降低寄生電容對(duì)放大器帶寬的影響[4-5]。

1.2 跨阻增益設(shè)計(jì)分析

第1級(jí)的RGC結(jié)構(gòu)與電流鏡的結(jié)合相當(dāng)于一個(gè)電流放大器,在降低輸入阻抗的同時(shí)對(duì)光生電流有一個(gè)放大作用,放大倍數(shù)與MP2管與MP1管的寬長(zhǎng)比以及MN6與MN5管的寬長(zhǎng)有關(guān)。第2級(jí)的3個(gè)反相放大器為主要增益級(jí),圖1中MP5、MN7和MN10構(gòu)成的第1個(gè)反相放大器,晶體管MP5和MN7構(gòu)成的互補(bǔ)推挽結(jié)構(gòu),二極管連接的MN10管起一個(gè)小信號(hào)電阻的作用,可平衡電路工作點(diǎn),MN12還起到降低其密勒效應(yīng)的作用。

反相器跨阻放大器正常工作時(shí),MP5和MN7管同時(shí)工作在飽和區(qū),在同樣的偏置條件下,其跨導(dǎo)可提升近一倍,對(duì)應(yīng)開環(huán)增益A1大小為:

A1=(gmp5+gmn7)[(1/gm10)‖ro5‖ro7]≈(gmp5+gmn7)/gmn10

(4)

則三級(jí)反相放大器的總的開環(huán)增益大小A約為:

(5)

Rf作為反饋電阻,為級(jí)聯(lián)的反相放大器提供直流偏置并且調(diào)節(jié)輸入匹配,為對(duì)應(yīng)閉環(huán)增益和帶寬分別如式(6)和式(7)所示[6]。其中A為反向放大器的開環(huán)增益,當(dāng)反饋電阻的值遠(yuǎn)大于開環(huán)等效輸出阻抗時(shí),其閉環(huán)跨阻增益約等于反饋電阻Rf的值:

閉環(huán)跨阻

(6)

(7)

第1級(jí)RGC結(jié)構(gòu)以及電流鏡對(duì)輸入信號(hào)有一定的放大作用,放大倍數(shù)與電流鏡管的寬長(zhǎng)比有關(guān),則跨阻放大器的整體增益大小為:

跨阻放大器

(8)

通過改變反饋電阻Rf的值可以改變跨阻增益的大小。增大Rf的值,跨阻增益變大,但較大的Rf又會(huì)降低反相放大器的帶寬;降低Rf的值,帶寬增加,但增益減小,還引入更多的熱噪聲電流;設(shè)計(jì)中需根據(jù)指標(biāo)折中考慮反饋電阻Rf的值的大小[7]。

根據(jù)前面的分析RGC結(jié)構(gòu)的輸入節(jié)點(diǎn)處為主極點(diǎn),其極點(diǎn)頻率大小如式(2)所示,取決于輸入節(jié)點(diǎn)處的寄生電容和R1的值;3個(gè)級(jí)聯(lián)反相放大器的輸入端為次極點(diǎn),其極點(diǎn)頻率大小如式(7)所示,取決于3個(gè)級(jí)聯(lián)的反相放大器的開環(huán)增益和反饋電阻Rf以及反相放大器輸入節(jié)點(diǎn)處的等效電容Cin的值。式(7)中等效輸入電容Cin較小,Rf的值相對(duì)較大,但級(jí)聯(lián)的反相放大器增益A足夠大,使得次極點(diǎn)頻率遠(yuǎn)大于主極點(diǎn)頻率,即增益在相移達(dá)到180°前下降到0 dB,電路具有較好的穩(wěn)定性。

1.3 噪聲分析

作為檢測(cè)放大微弱電流信號(hào)的跨阻放大器,其噪聲也是關(guān)注的重點(diǎn),圖1所示的跨阻放大器對(duì)應(yīng)的噪聲電流如式(9)所示[8-9],分析過程中忽略了MOS管柵極漏電流產(chǎn)生的噪聲。

(9)

式中:α和β分別為MP2管與MP1和MN6管與MN5管寬長(zhǎng)比之比的平方,gd0,2和gd0,1分別表示MN2和MN1管源漏電壓為零對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo),式(9)的第1項(xiàng)為R1與Rf的熱噪聲,第2項(xiàng)、第3項(xiàng)為電流鏡管MP1、MP2、MP4、MN5、MN6對(duì)等效輸入噪聲的貢獻(xiàn),第4項(xiàng)和第5項(xiàng)分別為MN2和MN1管溝道熱噪聲對(duì)等效輸入噪聲的貢獻(xiàn)。由式(9)可知,低頻等效輸入噪聲主要電阻R1、Rf以及電流鏡管的噪聲決定,高頻時(shí)噪聲主要來自式(9)中的第4項(xiàng),由等效輸入電容Ctot決定[10]。為了降低高頻時(shí)等效輸入噪聲,需要增大MN2和MN1管的跨導(dǎo),這就要求增大MOS管的寬長(zhǎng)比或工作電流的大小。MOS管寬長(zhǎng)比的增加使等效輸入電容Ctot增大,影響帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性;MOS管的工作電流的增大使R1上壓降增大,消耗更多的電位裕度,設(shè)計(jì)中要折中考慮MN1、MN2管的尺寸[11]。

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

基于SMIC 0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝對(duì)所設(shè)計(jì)的跨阻放大器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,其幅頻特性仿真曲線如圖3所示。

圖3 跨阻放大器的幅頻特性曲線

圖4 跨阻放大器瞬態(tài)性曲線

仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的高增益跨阻放大器的增益可達(dá)110.2 dBΩ,對(duì)應(yīng)的-3 dB帶寬大小為46.7 MHz。采用RGC結(jié)構(gòu)作第1級(jí)降低了輸入端寄生電容對(duì)帶寬的影響,并通過電流鏡與第2級(jí)的反相放大器相連,使其獲得大跨阻增益的同時(shí)保證了合適的帶寬值。

瞬態(tài)特性曲線如圖4所示,輸入脈沖電流大小為2 μA脈寬100 ns的仿真條件下,其輸出端的上升時(shí)間為7.4 ns,輸出幅值大小為648.9 mV。

圖5 跨阻放大器等效輸入噪聲電流

圖6所示為跨阻放大器的芯片照片,芯片面積大小為1 560 μm×810 μm,其中左右兩個(gè)PAD為電源,上邊中間PAD為輸入端,下邊中間PAD為輸出端,其余PAD均為地。輸入端PAD與光電二極管相連,在脈沖光源條件下的瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 芯片實(shí)物照片

圖7 跨阻放大器與光電二極管互連瞬態(tài)測(cè)試

測(cè)試中設(shè)置脈沖光功率為0.2 μW,與輸入端相連的光電二極管響應(yīng)度約為10 A/W,對(duì)應(yīng)光生電流為2 μA,測(cè)試結(jié)果表明:跨阻放大器輸出電壓幅值為583.5 mV,輸出電壓信號(hào)上升時(shí)間約為7.8 ns,經(jīng)計(jì)算可得對(duì)應(yīng)增益大小約為109.3 dBΩ,帶寬約為44.8 MHz,與仿真結(jié)果比較吻合。

無光脈沖條件下,跨阻放大器的輸出噪聲測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8可得跨阻放大器的輸出噪聲電壓為6.03 mV,與仿真結(jié)果5.37 mV比較吻合。靜態(tài)電流大小為2 mA,計(jì)算得功耗為10 mW。

圖8 跨阻放大器輸出噪聲測(cè)試

表1給出其他文獻(xiàn)與本文跨阻放大器參數(shù)對(duì)比,本文的設(shè)計(jì)的跨阻放大器通過RGC結(jié)構(gòu)與多級(jí)反相放大器的級(jí)聯(lián),在保證帶寬的前提下獲得較高的增益,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,可用于微弱光信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域。

表1 參數(shù)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于SMIC 0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種新型高增益、大帶寬多級(jí)級(jí)聯(lián)跨阻放大電路,通過版圖設(shè)計(jì)、后仿真,經(jīng)調(diào)整優(yōu)化,達(dá)到技術(shù)指標(biāo)后,交付版圖數(shù)據(jù)進(jìn)行流片。對(duì)流片后的電路芯片進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明該跨阻放大器的增益約為109.3 dBΩ,帶寬約為44.8 MHz,輸出電壓信號(hào)上升時(shí)間約為7.8 ns,輸出噪聲電壓為6.03 mV。靜態(tài)工作電流大小為2 mA,功耗為10 mW。仿真與測(cè)試結(jié)果基本一致,測(cè)試PCB電路和探頭引入的寄生參數(shù),對(duì)指標(biāo)略有衰減影響,該跨阻放大器跨阻增益、帶寬和噪聲滿足應(yīng)用要求,適用于遠(yuǎn)距離微弱光信號(hào)探測(cè)。

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DesignofHighGainandHighBandwidthTrans-ImpedanceAmplifier

YANGYunxiu1*,YUANFei1,MINGXin2,DENGShijie1,LUXiaolong1,JINGLi1,GUOChangdong1

(1.Southwest Institute of Technical Physic,Chengdu 610041,China;2.State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

trans-impedance Amplifier;high gain;high bandwidth;RGC;current reuse inverter

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.024

2016-11-14修改日期2017-01-19

TN492

A

1005-9490(2017)06-1451-05

楊赟秀(1977-),女,漢族,河南人,2016年獲電子科技大學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)就職于西南技術(shù)物理研究所,職稱高工,主要從事光電探測(cè)器集成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)算法研究和電源管理芯片設(shè)計(jì)研究，包括跨阻放大器、光電二極管專用陣列讀出電路設(shè)計(jì)、LED driver、DC-DC等,yangyang_judy@126.com。