楊赟秀,袁 菲,明 鑫,鄧世杰,路小龍,景 立,咼長冬

(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

楊赟秀1*,袁 菲1,明 鑫2,鄧世杰1,路小龍1,景 立1,咼長冬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,光電探測器作為激光近炸引信中探測與目標(biāo)識別的核心元件,在彈丸飛行過程中實時獲取目標(biāo)位置信息,以達(dá)到最佳毀傷效果,由于光電探測器抗電磁干擾能力強、方向性好、測距精度高等優(yōu)點,已成為引信、制導(dǎo)發(fā)展的一個重要方向。光電探測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轉(zhuǎn)化放大成供后續(xù)系統(tǒng)處理的電壓信號,其性能很大程度上決定了光電探測器的整體性能[1]。目前用于光電探測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、較大動態(tài)范圍和不需要均衡電路等特點,被廣泛用于光電探測和光電通信等領(lǐng)域。為滿足遠(yuǎn)距離微弱信號檢測,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;同時還需要合適大小的帶寬以獲得較快的響應(yīng)速度以滿足實時探測的目的,然而光電二極管的較大寄生電容使放大器主極點位于輸入點阻礙了帶寬的提高;跨阻放大器本身引入的噪聲應(yīng)該足夠低,以免有效信號淹沒在噪聲信號中。然而,增益、帶寬和噪聲的要求是互相矛盾的,設(shè)計中需要折中考慮[2]。

1 電路結(jié)構(gòu)及分析

本文設(shè)計的高增益、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)上可分為兩級放大和輸出電路3部分,第1級電流放大器包括2個RGC結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的電流鏡,第2級放大器包括3個級聯(lián)的反相放大器作為主要增益級,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作為第1級放大器的輸入,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3個級聯(lián)反相放大器作為主要增益級,將RGC結(jié)構(gòu)的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大,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RGC結(jié)構(gòu)通過電流鏡像單元并聯(lián)在后級反相放大器的輸入端,通過電路參數(shù)設(shè)計,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后級反相放大器直流工作點的影響,可提升電路的穩(wěn)定性。RGC結(jié)構(gòu)作為輸入級,還具有非常低的輸入阻抗,級聯(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)計需要。

1.1 RGC結(jié)構(gòu)帶寬設(shè)計分析

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,R1上壓降增大,MN2柵源電壓增大,對應(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)小信號等效模型

為了分析RGC結(jié)構(gòu)的增益帶寬等,其小信號等效模型如圖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,對小信號模型進(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)于一個大小為[(gmn2R2+1)gmn1]-1的電阻與R1并聯(lián)。事實上[(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)還存在一個零點,其峰值頻率為:

(3)

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

1.2 跨阻增益設(shè)計分析

第1級的RGC結(jié)構(gòu)與電流鏡的結(jié)合相當(dāng)于一個電流放大器,在降低輸入阻抗的同時對光生電流有一個放大作用,放大倍數(shù)與MP2管與MP1管的寬長比以及MN6與MN5管的寬長有關(guān)。第2級的3個反相放大器為主要增益級,圖1中MP5、MN7和MN10構(gòu)成的第1個反相放大器,晶體管MP5和MN7構(gòu)成的互補推挽結(jié)構(gòu),二極管連接的MN10管起一個小信號電阻的作用,可平衡電路工作點,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,MP5和MN7管同時工作在飽和區(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,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RGC結(jié)構(gòu)以及電流鏡對輸入信號有一定的放大作用,放大倍數(shù)與電流鏡管的寬長比有關(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)點處為主極點,其極點頻率大小如式(2)所示,取決于輸入節(jié)點處的寄生電容和R1的值;3個級聯(lián)反相放大器的輸入端為次極點,其極點頻率大小如式(7)所示,取決于3個級聯(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的值相對較大,但級聯(lián)的反相放大器增益A足夠大,使得次極點頻率遠(yuǎn)大于主極點頻率,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

作為檢測放大微弱電流信號的跨阻放大器,其噪聲也是關(guān)注的重點,圖1所示的跨阻放大器對應(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管源漏電壓為零對應(yīng)的跨導(dǎo),式(9)的第1項為R1與Rf的熱噪聲,第2項、第3項為電流鏡管MP1、MP2、MP4、MN5、MN6對等效輸入噪聲的貢獻(xiàn),第4項和第5項分別為MN2和MN1管溝道熱噪聲對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,高頻時噪聲主要來自式(9)中的第4項,由等效輸入電容Ctot決定[10]。為了降低高頻時等效輸入噪聲,需要增大MN2和MN1管的跨導(dǎo),這就要求增大MOS管的寬長比或工作電流的大小。MOS管寬長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)計中要折中考慮MN1、MN2管的尺寸[11]。

2 仿真與測試結(jié)果

基于SMIC 0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝對所設(shè)計的跨阻放大器進(jìn)行了仿真驗證,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)計的高增益跨阻放大器的增益可達(dá)110.2 dBΩ,對應(yīng)的-3 dB帶寬大小為46.7 MHz。采用RGC結(jié)構(gòu)作第1級降低了輸入端寄生電容對帶寬的影響,并通過電流鏡與第2級的反相放大器相連,使其獲得大跨阻增益的同時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)測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 芯片實物照片

圖7 跨阻放大器與光電二極管互連瞬態(tài)測試

測試中設(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,對應(yīng)光生電流為2 μA,測試結(jié)果表明:跨阻放大器輸出電壓幅值為583.5 mV,輸出電壓信號上升時間約為7.8 ns,經(jīng)計算可得對應(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,計算得功耗為10 mW。

圖8 跨阻放大器輸出噪聲測試

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

表1 參數(shù)指標(biāo)對比

3 結(jié)論

本文基于SMIC 0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計了一種新型高增益、大帶寬多級級聯(lián)跨阻放大電路,通過版圖設(shè)計、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。對流片后的電路芯片進(jìn)行測試,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,輸出電壓信號上升時間約為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。仿真與測試結(jié)果基本一致,測試PCB電路和探頭引入的寄生參數(shù),對指標(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)距離微弱光信號探測。

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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,主要從事光電探測器集成電路設(shè)計、系統(tǒng)算法研究和電源管理芯片設(shè)計研究，包括跨阻放大器、光電二極管專用陣列讀出電路設(shè)計、LED driver、DC-DC等,yangyang_judy@126.com。