一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计

杨赟秀,袁 菲,明 鑫,邓世杰,路小龙,景 立,呙长冬

(1.西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都 610041;2.电子科技大学微电子与固体电子学院,成都 610054)

一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计

杨赟秀1*,袁 菲1,明 鑫2,邓世杰1,路小龙1,景 立1,呙长冬1

(1.西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都 610041;2.电子科技大学微电子与固体电子学院,成都 610054)

跨阻放大器;高增益;大带宽;RGC;反相放大器

近年来,光电探测器作为激光近炸引信中探测与目标识别的核心元件,在弹丸飞行过程中实时获取目标位置信息,以达到最佳毁伤效果,由于光电探测器抗电磁干扰能力强、方向性好、测距精度高等优点,已成为引信、制导发展的一个重要方向。光电探测器的核心组成部分是光电二极管和相应的跨阻放大器电路,放大器的作用是将光电二极管生成的微弱电流信号转化放大成供后续系统处理的电压信号,其性能很大程度上决定了光电探测器的整体性能[1]。目前用于光电探测的放大器有跨阻放大器、低阻放大器和高阻放大器,跨阻放大器具有高灵敏度、较大动态范围和不需要均衡电路等特点,被广泛用于光电探测和光电通信等领域。为满足远距离微弱信号检测,跨阻放大器的增益应当足够高以获得较大有效电压信号;同时还需要合适大小的带宽以获得较快的响应速度以满足实时探测的目的,然而光电二极管的较大寄生电容使放大器主极点位于输入点阻碍了带宽的提高;跨阻放大器本身引入的噪声应该足够低,以免有效信号淹没在噪声信号中。然而,增益、带宽和噪声的要求是互相矛盾的,设计中需要折中考虑[2]。

1 电路结构及分析

本文设计的高增益、大带宽跨阻放大器原理示意图如图1所示。从电路结构上可分为两级放大和输出电路3部分,第1级电流放大器包括2个RGC结构与相应的电流镜,第2级放大器包括3个级联的反相放大器作为主要增益级,最后以射随器输出。

图1 跨阻放大器电路原理示意图

光电二极管的输出信号作为第1级放大器的输入,RGC结构通过电流镜将光电二极管的光生电流进行复制与放大;第2级3个级联反相放大器作为主要增益级,将RGC结构的输出电流信号转换为电压信号并放大,以满足后续系统处理要求。与传统的单RGC结构相比,上下两个RGC结构通过电流镜像单元并联在后级反相放大器的输入端,通过电路参数设计,使静态情况下流过MP4管和MN6管的电流大小相等,那么两个RGC结构电路的静态电流可互相抵消,消除了光电二极管漏电流对后级反相放大器直流工作点的影响,可提升电路的稳定性。RGC结构作为输入级,还具有非常低的输入阻抗,级联的反相放大器增益大,这样的电路结构可满足高增益、大带宽的设计需要。

1.1 RGC结构带宽设计分析

RGC结构又称调节式共源共栅结构,通常情况下光电二极管的寄生电容相对较大,与光电二极管直接相连的RGC结构输入端等效的电容远大于反相放大器的输入端等效电容,跨阻放大器的带宽主要取决于第1级RGC结构的带宽[3]。图1中R1、MN1和二极管连接的MP1构成共栅结构,MN2和R2构成共源结构作为反馈部分,与共栅放大器构成电流-并联负反馈。当MN1管电流增大时,R1上压降增大,MN2栅源电压增大,对应电流增大,R2上压降增大,MN1管的栅压减小,阻止MN1管电流的增大。

图2 RGC结构小信号等效模型

为了分析RGC结构的增益带宽等,其小信号等效模型如图2所示。

图2中,Req表示二极管连接的MP1管与后续电路并联形成的等效电阻,Cd表示光电二极管寄生电容,则输入端总的寄生电容大小为Ctot=Cd+Cgs2+Csb1,对小信号模型进行分析可得。

(1)

(2)

根据式(1)和式(2)可知,与共栅放大器相比,RGC结构不仅将带宽增加了(1+gmn2R2)倍,同时还将MN1管源端等效输入阻抗降低为原来的(1+gmn2R2)-1倍,相当于一个大小为[(gmn2R2+1)gmn1]-1的电阻与R1并联。事实上[(gmn2R2+1)gmn1]-1的值远大于R1的值,所以在保证MN2管导通的情况下,尽可能的降低R1的值来提高带宽。RGC结构还存在一个零点,其峰值频率为:

(3)

设计中MN1管的宽度和R2的阻值不应过大,以避免此零点的出现。RGC结构的输入阻抗非常低,可以近似提供一个虚地输入,它对光电二极管的寄生电容有很好的隔离作用,可降低寄生电容对放大器带宽的影响[4-5]。

1.2 跨阻增益设计分析

第1级的RGC结构与电流镜的结合相当于一个电流放大器,在降低输入阻抗的同时对光生电流有一个放大作用,放大倍数与MP2管与MP1管的宽长比以及MN6与MN5管的宽长有关。第2级的3个反相放大器为主要增益级,图1中MP5、MN7和MN10构成的第1个反相放大器,晶体管MP5和MN7构成的互补推挽结构,二极管连接的MN10管起一个小信号电阻的作用,可平衡电路工作点,MN12还起到降低其密勒效应的作用。

反相器跨阻放大器正常工作时,MP5和MN7管同时工作在饱和区,在同样的偏置条件下,其跨导可提升近一倍,对应开环增益A1大小为:

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

(4)

则三级反相放大器的总的开环增益大小A约为:

(5)

Rf作为反馈电阻,为级联的反相放大器提供直流偏置并且调节输入匹配,为对应闭环增益和带宽分别如式(6)和式(7)所示[6]。其中A为反向放大器的开环增益,当反馈电阻的值远大于开环等效输出阻抗时,其闭环跨阻增益约等于反馈电阻Rf的值:

闭环跨阻

(6)

(7)

第1级RGC结构以及电流镜对输入信号有一定的放大作用,放大倍数与电流镜管的宽长比有关,则跨阻放大器的整体增益大小为:

跨阻放大器

(8)

通过改变反馈电阻Rf的值可以改变跨阻增益的大小。增大Rf的值,跨阻增益变大,但较大的Rf又会降低反相放大器的带宽;降低Rf的值,带宽增加,但增益减小,还引入更多的热噪声电流;设计中需根据指标折中考虑反馈电阻Rf的值的大小[7]。

根据前面的分析RGC结构的输入节点处为主极点,其极点频率大小如式(2)所示,取决于输入节点处的寄生电容和R1的值;3个级联反相放大器的输入端为次极点,其极点频率大小如式(7)所示,取决于3个级联的反相放大器的开环增益和反馈电阻Rf以及反相放大器输入节点处的等效电容Cin的值。式(7)中等效输入电容Cin较小,Rf的值相对较大,但级联的反相放大器增益A足够大,使得次极点频率远大于主极点频率,即增益在相移达到180°前下降到0 dB,电路具有较好的稳定性。

1.3 噪声分析

作为检测放大微弱电流信号的跨阻放大器,其噪声也是关注的重点,图1所示的跨阻放大器对应的噪声电流如式(9)所示[8-9],分析过程中忽略了MOS管栅极漏电流产生的噪声。

(9)

式中:α和β分别为MP2管与MP1和MN6管与MN5管宽长比之比的平方,gd0,2和gd0,1分别表示MN2和MN1管源漏电压为零对应的跨导,式(9)的第1项为R1与Rf的热噪声,第2项、第3项为电流镜管MP1、MP2、MP4、MN5、MN6对等效输入噪声的贡献,第4项和第5项分别为MN2和MN1管沟道热噪声对等效输入噪声的贡献。由式(9)可知,低频等效输入噪声主要电阻R1、Rf以及电流镜管的噪声决定,高频时噪声主要来自式(9)中的第4项,由等效输入电容Ctot决定[10]。为了降低高频时等效输入噪声,需要增大MN2和MN1管的跨导,这就要求增大MOS管的宽长比或工作电流的大小。MOS管宽长比的增加使等效输入电容Ctot增大,影响带宽和环路稳定性;MOS管的工作电流的增大使R1上压降增大,消耗更多的电位裕度,设计中要折中考虑MN1、MN2管的尺寸[11]。

2 仿真与测试结果

基于SMIC 0.35 μm标准CMOS工艺对所设计的跨阻放大器进行了仿真验证,其幅频特性仿真曲线如图3所示。

图3 跨阻放大器的幅频特性曲线

图4 跨阻放大器瞬态性曲线

仿真结果表明所设计的高增益跨阻放大器的增益可达110.2 dBΩ,对应的-3 dB带宽大小为46.7 MHz。采用RGC结构作第1级降低了输入端寄生电容对带宽的影响,并通过电流镜与第2级的反相放大器相连,使其获得大跨阻增益的同时保证了合适的带宽值。

瞬态特性曲线如图4所示,输入脉冲电流大小为2 μA脉宽100 ns的仿真条件下,其输出端的上升时间为7.4 ns,输出幅值大小为648.9 mV。

图5 跨阻放大器等效输入噪声电流

图6所示为跨阻放大器的芯片照片,芯片面积大小为1 560 μm×810 μm,其中左右两个PAD为电源,上边中间PAD为输入端,下边中间PAD为输出端,其余PAD均为地。输入端PAD与光电二极管相连,在脉冲光源条件下的瞬态测试结果如图7所示。

图6 芯片实物照片

图7 跨阻放大器与光电二极管互连瞬态测试

测试中设置脉冲光功率为0.2 μW,与输入端相连的光电二极管响应度约为10 A/W,对应光生电流为2 μA,测试结果表明:跨阻放大器输出电压幅值为583.5 mV,输出电压信号上升时间约为7.8 ns,经计算可得对应增益大小约为109.3 dBΩ,带宽约为44.8 MHz,与仿真结果比较吻合。

无光脉冲条件下,跨阻放大器的输出噪声测试结果如图8所示。由图8可得跨阻放大器的输出噪声电压为6.03 mV,与仿真结果5.37 mV比较吻合。静态电流大小为2 mA,计算得功耗为10 mW。

图8 跨阻放大器输出噪声测试

表1给出其他文献与本文跨阻放大器参数对比,本文的设计的跨阻放大器通过RGC结构与多级反相放大器的级联,在保证带宽的前提下获得较高的增益,符合设计指标要求,可用于微弱光信号探测领域。

表1 参数指标对比

3 结论

本文基于SMIC 0.35 μm标准CMOS工艺设计了一种新型高增益、大带宽多级级联跨阻放大电路,通过版图设计、后仿真,经调整优化,达到技术指标后,交付版图数据进行流片。对流片后的电路芯片进行测试,结果表明该跨阻放大器的增益约为109.3 dBΩ,带宽约为44.8 MHz,输出电压信号上升时间约为7.8 ns,输出噪声电压为6.03 mV。静态工作电流大小为2 mA,功耗为10 mW。仿真与测试结果基本一致,测试PCB电路和探头引入的寄生参数,对指标略有衰减影响,该跨阻放大器跨阻增益、带宽和噪声满足应用要求,适用于远距离微弱光信号探测。

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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

杨赟秀(1977-),女,汉族,河南人,2016年获电子科技大学硕士学位,现就职于西南技术物理研究所,职称高工,主要从事光电探测器集成电路设计、系统算法研究和电源管理芯片设计研究，包括跨阻放大器、光电二极管专用阵列读出电路设计、LED driver、DC-DC等,yangyang_judy@126.com。