CN103840775A - 一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，包括输入电路、放大电路、输出电路和直流负反馈电路。直流负反馈电路包括第一放大器、第二放大器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻。第一放大器、第二放大器、第一电容和第二电容构成闭环。当放大电路的直流偏差经过直流负反馈电路的第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容构成的低通滤波器采样后，再经过第一放大器放大后反馈到输入电路，以用于消除电路的直流失调。本发明的限幅放大器，采用片上小电容实现直流失调消除电路，使得即使处理长串的“1”信号或者长串的“0”信号时，都不会因为直流失调消除电路引起的低频截止频率过高而产生误码。

Description

一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信领域的限幅放大器，尤其涉及一种具有高增益带宽和片上实现直流失调消除功能的限幅放大器。

背景技术

随着计算机网络的迅猛发展、多媒体通信的广泛应用和信息高速公路的大规模建设，人们对高速通信系统的需求越来越高。无源光网络因为高带宽、低成本、抗干扰等优点成为最具有吸引力的一种解决方案。限幅放大器作为光接收机里的重要组成部分，主要功能是将前级跨阻放大器提供的较小的电压信号进一步放大供后级的时钟恢复电路使用。

图1所示为传统的限幅放大器，主要包括输入级、多个增益级、输出级和直流负反馈网络。输入级主要实现阻抗匹配减小传输线损耗，同时实现了电平位移，给内部电路提供合适的直流电平。多个增益级用来提供足够的增益，即使在输入信号幅度很小的时候最后一级也能工作在限幅状态；同时，增益级具有足够的带宽，使整个放大器能够满足特定的传输速率。输出级实现阻抗匹配并提供足够大的驱动能力。直流负反馈网络用于消除直流失调，稳定整个电路的直流电平。直流负反馈网络在稳定电路直流电平的同时，在电路的交流特性上引入一个低频截止频率，过高的低频截止频率会导致在放大连续的“1”或者连续的“0”的时候输出端会产生漂移，最终导致误码。为了克服这个问题，通常会增大直流负反馈网络中的低通滤波器的电阻和电容的值，而电容面积太大在片上难以实现，所以传统的做法是使用片外电容。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是为光接收机提供一种新型的限幅放大器，采用片上小电容实现直流失调消除电路，使得即使处理长串的“1”信号或者长串的“0”信号时，都不会因为直流失调消除电路引起的低频截止频率过高而产生误码。

为实现上述目的，本发明提供了一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，包括输入电路、放大电路、输出电路和直流负反馈电路；

所述输入电路用于输入信号缓冲和电平位移；

所述放大电路用于提供增益；所述放大电路的输入端与所述输入电路的输出端相连，所述放大电路的输出端分别与所述输出电路的输入端和所述直流负反馈电路的输入端连接；

所述输出电路用于输出信号；

所述直流负反馈电路用于消除直流失调，稳定所述放大电路的直流电平；所述直流负反馈电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述直流负反馈电路的输出端与所述输入电路相连；

其特征在于，所述直流负反馈电路包括第一放大器（A1）、第二放大器（A2）、第一电容（C21）、第二电容（C22）、第一电阻（R21）和第二电阻（R22），其中，所述第一电容（C21）与所述第二电容（C22）是相同的，所述第一电阻（R21）和所述第二电阻（R22）是相同的；

所述放大电路的输出端通过所述第一电阻（R21）和所述第二电阻（R22）与所述第一放大器（A1）的输入端连接；所述第一放大器（A1）的输出端分别与所述输入电路和所述第二放大器（A2）的输入端连接；所述第二放大器（A2）的输出端通过所述第一电容（C21）和所述第二电容（C22）与所述第一放大器（A1）的输入端相连。

进一步地，所述放大电路包括若干放大级，若干所述放大级依次级联。

进一步地，所述放大电路包括5个放大级，所述5个放大级结构相同。

进一步地，所述输入电路包括外部电流源、电流镜阵列、输入差分放大器、发射极跟随器和直流负反馈放大器。

进一步地，所述电流镜阵列包括若干三极管和若干电阻；

所述三极管（Q37）、所述三极管（Q38）、所述三极管（Q39）、所述三极管（Q310）和所述三极管（Q311）共基极；所述三极管（Q37）的发射极通过所述电阻（R35）直接接地，所述三极管（Q37）的集电极与所述外部电流源（I）相连；所述三极管（Q38）的发射极通过所述电阻（R36）直接接地，集电极与所述输入差分放大器连接；所述三极管（Q39）的发射极通过所述电阻（R37）直接接地，集电极与所述直流负反馈放大器连接；所述三极管（Q310）的发射极通过所述电阻（R38）直接接地；所述三极管（Q311）的发射极通过所述电阻（R39）直接接地，所述三极管（Q310）的集电极和所述三极管（Q311）的集电极与所述放大电路的输出端连接。

进一步地，所述输入差分放大器包括三极管（Q31）、三极管（Q32）、负载电阻（R31）、负载电阻（R32）、反馈电阻（R33）和反馈电阻（R34）；

所述三极管（Q31）的基极和所述三极管（Q32）的基极与所述输入信号相连；所述三极管（Q31）的集电极通过所述负载电阻（R31）与电源相连，所述三极管（Q32）的集电极通过所述负载电阻（R32）与所述电源相连；所述三极管（Q31）的发射极通过所述反馈电阻（R33）与所述三极管（Q38）的集电极相连；所述三极管（Q32）的发射极通过所述反馈电阻（R34）与所述三极管（Q38）的集电极相连。

进一步地，所述直流负反馈放大器包括三极管（Q33）、三极管（Q34）、所述负载电阻（R31）和所述负载电阻（R32）；

所述三极管（Q33）的基极和所述三极管（Q34）的基极与所述直流反馈电路的输出端连接；所述三极管（Q33）的集电极通过所述负载电阻（R31）与所述电源相连；所述三极管（Q34）的集电极通过所述负载电阻（R32）与所述电源相连；所述三极管（Q33）和所述三极管（Q34）的发射极与所述三极管（Q39）的集电极相连。

进一步地，所述发射极跟随器包括三极管（Q35）和三极管（Q36）；

所述三极管（Q35）的基极与所述三极管（Q31）的集电极相连，所述三极管（Q36）的基极与所述三极管（Q32）的集电极相连，所述三极管（Q35）和所述三极管（Q36）的集电极与电源相连，所述三极管（Q35）和所述三极管（Q36）的发射极与所述放大电路的输入端连接。

进一步地，所述放大电路包括若干三极管、若干电阻、电容（C41）和电容（C42）；

所述三极管（Q41）和所述三极管（Q42）的基极与所述输入电路的输出端连接；所述三极管（Q41）的集电极通过所述电阻（Rc1）与电源连接，所述三极管（Q42）的集电极通过所述电阻（Rc2）与电源连接；所述三极管（Q41）的发射极通过所述电阻（Re1）和所述电阻（Re2）与所述三极管（Q42）的发射极连接；并在所述电阻（Re1）和所述电阻（Re2）上并联所述电容（C41）和所述电容（C42）；所述三极管（Q45）、所述三极管（Q46）、所述三极管（Q47）、所述三极管（Q48）、所述电阻（R41）、所述电阻（R42）、所述电阻（R43）和所述电阻（R44）构成电流镜结构；所述三极管（Q43）和所述三极管（Q44）构成发射极跟随器。

进一步地，所述电阻（Rc1）和所述电阻（Rc2）是无源器件电阻。

本发明的一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器的主通道是由一个输入电路、一个放大电路和一个输出电路组成，放大电路包括5个放大级。输入电路接收差分信号Vin+/Vin-，进放大后输出差分信号Vm1+/Vm1-。放大电路接收差分信号Vm1+/Vm1-，并放大输出差分信号Vm2+/Vm2-，五个放大级有足够的增益使Vm2+/Vm2-进入限幅状态。输出电路接收差分信号Vm2+/Vm2-，放大后产生差分输出信号Vout+/Vout-。直流负反馈环路由电阻R21、R22，电容C21、C22和放大器A1、A2组成，放大器A1、A2以及电容C21、C22构成闭环。放大电路在最后一级放大级处的直流偏差通过电阻R21、R22和电容C21、C22构成的低通滤波器采样，经放大器A1放大后反馈到输入电路，用来消除电路的直流失调。

本发明实现了一种用于光通信的限幅放大器，使用片上电容能达到很好的消除直流失调效果，并且得到较低的低频截止频率，使得该限幅放大器具有优秀的性能，即使在处理长串“1”信号或者长串“0”信号时也不产生误码。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是传统限幅放大器的结构原理图；

图2是本发明的一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器的电路结构示意图；

图3是本发明的一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器的输入电路结构示意图；

图4是是本发明的一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器的放大电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器的具体电路工作示意图如图2所示，包括输入电路、放大电路、输出电路和直流负反馈电路。

输入电路的电路图具体如图3，包括由三极管Q37、Q38、Q39、Q310、Q311和电阻R5、R6、R7、R8、R9组成的电流镜阵列、由三极管Q31、Q32和负载电阻R31、R32以及发射级负反馈电阻R33、R34组成的差分放大器、由三极管Q33、Q34和负载电阻R31、R32组成的直流负反馈放大器和由三极管Q35和Q36组成的发射极跟随器。

在电流镜阵列中，三极管Q37、三极管Q38、三极管Q39、三极管Q310和三极管Q311共基极；三极管Q37的发射极通过电阻R35直接接地，三极管Q37的集电极与外部电流源I相连；三极管Q38的发射极通过电阻R36直接接地，集电极与输入差分放大器连接；三极管Q39的发射极通过电阻R37直接接地，集电极与直流负反馈放大器连接；三极管Q310的发射极通过电阻R38直接接地；三极管Q311的发射极通过电阻R39直接接地，三极管Q310的集电极和三极管Q311的集电极与放大电路的输出端连接。输入电路分别给输入差分放大器，直流负反馈放大器以及发射级跟随器提供电流。

差分放大器中，三极管Q31的基极和三极管Q32的基极与差分信号Vin+/Vin-相连；三极管Q31的集电极通过负载电阻R31与电源相连，三极管Q32的集电极通过负载电阻R32与电源相连；三极管Q31的发射极通过反馈电阻R33与三极管Q38的集电极相连；三极管Q32的发射极通过反馈电阻R34与三极管Q38的集电极相连。因为差分放大器不需要很大的增益，所以使用发射级负反馈电阻来减小放大器的增益来换取高带宽，同时，发射级负反馈电阻还能减小等效输入电容；使用发射级负反馈电阻还有优点是，放大器的增益可以近似等效为电阻R31与电阻R33的比值，通过电阻匹配可以得到一个跟工艺温度等因素无关的增益。

在直流负反馈放大器中，三极管Q33的基极和三极管Q34的基极与直流反馈电路的输出端连接；三极管Q33的集电极通过负载电阻R31与电源相连；三极管Q34的集电极通过负载电阻R32与电源相连；三极管Q33和三极管Q34的发射极与三极管Q39的集电极相连。三极管Q33和Q34与差分放大器共用负载R31和R32。三极管Q33和Q34的基极分别接到直流负反馈的输出点Vf+和Vf-上，Vf+和Vf-控制三极管Q33和Q34的电流达到消除电路直流失调，稳定电路直流工作点的目的。

在发射极跟随器中，三极管Q35的基极与三极管Q31的集电极相连，三极管Q36的基极与三极管Q32的集电极相连，三极管Q35和三极管Q36的集电极与电源相连，三极管Q35和三极管Q36的发射极与放大电路的输入端连接。差分信号最后通过发射极跟随器输出Vm1+/Vm1-，发射极跟随器主要是隔离后级输入电容，减小后级输入电容对本级带宽的影响；除此之外，还提供电平位移，给后级提供合适的直流电平。

放大电路采用放大级级联电路，在本实施例中，采用五级放大级级联，因为五级放大级级联能达到最佳放大效果。差分信号Vm1+/Vm1-进入放大电路后经放大产生限幅状态的差分信号Vm2+/Vm2-。在本发明的限幅放大器电路中的放大电路需要足够的增益保证所有信号都能进入限幅状态，同时还需要足够的带宽来满足特定的传输速率。为了提供带宽和高增益，放大电路通常会使用到宽带技术。常用的宽带技术有很多：ft倍增技术，电感峰化技术，Cherry-Hooper结构等。其中电感峰化技术需要用到电感,但是电感面积太大，会使整个芯片的成本提高；ft倍增技术和Cherry-Hooper结构都需要增加额外电路，不但增加了电路的复杂性还导致了更多的功耗。

图4所示为本发明的限幅放大器电路的放大电路的具体实现电路图，三极管Q41和三极管Q42的基极与输入电路的输出端连接；三极管Q41的集电极通过电阻Rc1与电源连接，三极管Q42的集电极通过电阻Rc2与电源连接；三极管Q41的发射极通过电阻Re1和电阻Re2与三极管Q42的发射极连接；并在电阻Re1和电阻Re2上并联电容C41和电容C42；三极管Q45、三极管Q46、三极管Q47、三极管Q48、电阻R41、电阻R42、电阻R43和电阻R44构成电流镜结构；和由三极管Q43和Q44构成了发射极跟随器。

为了获得更高的带宽，放大电路选用了有更高本征频率的三极管Q41、Q42作为放大管，为了减小噪声，采用了无源器件电阻Rc1、Rc2作为负载。注意到限制三极管速度的一个重要因素是基区电阻Rb和基极-发射极寄生电容Cbe产生的输入极点，所以采用了电阻Re1和Re2的负反馈电阻。根据米勒效应，输入电容由Cin=Cbe变为Cin=Cbe/(1+gm*Re1)，其中，gm是三极管Q41和三极管Q42的跨导。所以输入极点增大了1+gm*Re1倍。为了进一步扩展带宽，采用了零极点消除技术，如图4所示，在发射极负反馈电阻上并联了电容C41、C42,频率特性上会产生一个零点1/(Re1*C41)和一个极点(1+gm*Re1)/(Re1*C41)，控制Re1和C41的大小，使1/(Re1*C41)=1/(Rc1*CL)，其中CL为输出节点电容，主极点变为(1+gm*Re1)/(Re1*C41)=(1+gm*Re1)/(Rc1*C41)，主极点增大了1+gm*Re1倍。信号最后通过三极管Q3、Q4构成的发射极跟随器输出给下级，发射极跟随器电路是用来隔离下级输入电容对本级带宽的影响，同时提供电平位移方便本级与下级的互联。

差分信号Vm1+/Vm1-进入放大电路后经放大产生限幅状态的差分信号Vm2+/Vm2-，输出电路接收差分信号Vm2+/Vm2-，放大后产生最终的差分输出信号Vout+/Vout-，输出电路主要是提供阻抗匹配和足够的驱动能力。由于限幅放大器具有很大的增益，输入电路的直流失调经放大后会导致输出电流的器件进入饱和状态，所以必须加入直流失调消除电路，即直流负反馈电路。本发明的限幅放大器的直流负反馈环路由第一电阻R21、第二电阻R22、第一电容C21、第二电容C22和第一放大器A1、第二放大器A2组成。在本实施例中，第一电容C21和第二电容C22的电容相同,为C；第一电阻R21和第二电阻R22的电阻大小相同，为R；第一放大器A1的增益为a1，第二放大器A2的增益为a2。第一放大器A1、第二放大器A2以及第一电容C21、第二电容C22构成闭环，利用米勒效应，在第一放大器A1的输入端得到等效电容Ceq=（1+a1*a2）*C，通过合理设计第一放大器A1和第二放大器A2的增益，可以用很小的面积得到很大的等效电容。放大电路最后一级处的直流偏差通过第一电阻R21、第二电阻R22和第一电容C21、第二电容C22构成的低通滤波器采样，经第一放大器A1放大后反馈到输入电路，用来消除电路的直流失调。直流负反馈电路在消除直流失调的同时，还在电路的交流特性上引入了低频截止频率，该频率可表示为fLF=(A*a1+1)/(2π*R*Ceq)=(A*a1+1)/[2π*R*（1+a1*a2）*C]≈A/(2π*R*C*a2)。其中，A为输入电路和放大电路的增益。从Ceq和fLF的表达式可以看出，通过增大第二放大器A2的增益，不但可以获得一个大的等效电容，达到更好的直流失调消除效果，还可以得到一个合理的低频截止频率，使得本限幅放大器在处理长串的“0”信号和“1”信号时也不会产生误码。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，包括输入电路、放大电路、输出电路和直流负反馈电路；

所述输入电路用于输入信号缓冲和电平位移；

所述放大电路用于提供增益；所述放大电路的输入端与所述输入电路的输出端相连，所述放大电路的输出端分别与所述输出电路的输入端和所述直流负反馈电路的输入端连接；

所述输出电路用于输出信号；

所述直流负反馈电路用于消除直流失调，稳定所述放大电路的直流电平；所述直流负反馈电路的输入端与所述放大电路的输出端连接，所述直流负反馈电路的输出端与所述输入电路相连；

其特征在于，所述直流负反馈电路包括第一放大器（A1）、第二放大器（A2）、第一电容（C21）、第二电容（C22）、第一电阻（R21）和第二电阻（R22），其中，所述第一电容（C21）与所述第二电容（C22）是相同的，所述第一电阻（R21）和所述第二电阻（R22）是相同的；

所述放大电路的输出端通过所述第一电阻（R21）和所述第二电阻（R22）与所述第一放大器（A1）的输入端连接；所述第一放大器（A1）的输出端分别与所述输入电路和所述第二放大器（A2）的输入端连接；所述第二放大器（A2）的输出端通过所述第一电容（C21）和所述第二电容（C22）与所述第一放大器（A1）的输入端相连；

所述放大电路包括若干放大级，若干所述放大级依次级联。

2.如权利要求1所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述放大电路包括5个放大级，所述5个放大级结构相同。

3.如权利要求1所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述输入电路包括外部电流源、电流镜阵列、输入差分放大器、直流负反馈放大器和发射极跟随器。

4.如权利要求3所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述电流镜阵列包括若干三极管和若干电阻；

所述三极管（Q37）、所述三极管（Q38）、所述三极管（Q39）、所述三极管（Q310）和所述三极管（Q311）共基极；所述三极管（Q37）的发射极通过所述电阻（R35）直接接地，所述三极管（Q37）的集电极与所述外部电流源（I）相连；所述三极管（Q38）的发射极通过所述电阻（R36）直接接地，集电极与所述输入差分放大器连接；所述三极管（Q39）的发射极通过所述电阻（R37）直接接地，集电极与所述直流负反馈放大器连接；所述三极管（Q310）的发射极通过所述电阻（R38）直接接地；所述三极管（Q311）的发射极通过所述电阻（R39）直接接地，所述三极管（Q310）的集电极和所述三极管（Q311）的集电极与所述放大电路的输出端连接。

5.如权利要求4所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述输入差分放大器包括三极管（Q31）、三极管（Q32）、负载电阻（R31）、负载电阻（R32）、反馈电阻（R33）和反馈电阻（R34）；

所述三极管（Q31）的基极和所述三极管（Q32）的基极与所述输入信号相连；所述三极管（Q31）的集电极通过所述负载电阻（R31）与电源相连，所述三极管（Q32）的集电极通过所述负载电阻（R32）与所述电源相连；所述三极管（Q31）的发射极通过所述反馈电阻（R33）与所述三极管（Q38）的集电极相连；所述三极管（Q32）的发射极通过所述反馈电阻（R34）与所述三极管（Q38）的集电极相连。

6.如权利要求5所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述直流负反馈放大器包括三极管（Q33）、三极管（Q34）、所述负载电阻（R31）和所述负载电阻（R32）；

所述三极管（Q33）的基极和所述三极管（Q34）的基极与所述直流反馈电路的输出端连接；所述三极管（Q33）的集电极通过所述负载电阻（R31）与所述电压（VDD）相连；所述三极管（Q34）的集电极通过所述负载电阻（R32）与所述电源相连；所述三极管（Q33）和所述三极管（Q34）的发射极与所述三极管（Q39）的集电极相连。

7.如权利要求6所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述发射极跟随器包括三极管（Q35）和三极管（Q36）；

所述三极管（Q35）的基极与所述三极管（Q31）的集电极相连，所述三极管（Q36）的基极与所述三极管（Q32）的集电极相连，所述三极管（Q35）和所述三极管（Q36）的集电极与电源相连，所述三极管（Q35）和所述三极管（Q36）的发射极与所述放大电路的输入端连接。

8.如权利要求1所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述放大电路包括若干三极管、若干电阻、电容（C41）和电容（C42）；

所述三极管（Q41）和所述三极管（Q42）的基极与所述输入电路的输出端连接；所述三极管（Q41）的集电极通过所述电阻（Rc1）与电源连接，所述三极管（Q42）的集电极通过所述电阻（Rc2）与电源连接；所述三极管（Q41）的发射极通过所述电阻（Re1）和所述电阻（Re2）与所述三极管（Q42）的发射极连接；并在所述电阻（Re1）和所述电阻（Re2）上并联所述电容（C41）和所述电容（C42）；所述三极管（Q45）、所述三极管（Q46）、所述三极管（Q47）、所述三极管（Q48）、所述电阻（R41）、所述电阻（R42）、所述电阻（R43）和所述电阻（R44）构成所述电流镜结构；所述三极管（Q43）和所述三极管（Q44）构成发射极跟随器。

9.如权利要求8所述的片上实现直流失调消除功能的限幅放大器，其中，所述电阻（Rc1）和所述电阻（Rc2）是无源器件电阻。

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