减小光电二极管寄生电容电路的制作方法

本实用新型属于集成电路下跨阻放大器中的带宽延展技术领域，涉及一种用于减小光电二极管自身寄生电容的电路结构。

背景技术：

在光纤通信集成电路的接收端，需要将光信号通过光电二极管(PD)转换为电流信号，再通过跨阻放大器(TIA)将电流信号转换为电压信号。PIN二极管作为光电二极管(PD)的一种类型，自身将产生一个范围是100～500fF的寄生电容C_pd，该寄生电容的大小不仅会限制PIN二极管的开关速度，更重要的是将影响跨阻放大器(TIA)的-3dB带宽。

图1给出了常见的光电二极管D0与跨阻放大器A的连接方式。图1中，跨阻放大器A采用-A理想电压放大器实现。

跨阻放大器的-3dB带宽f_-3dB为：

式中：A为跨阻放大器的放大倍数，RF为跨阻放大器输入输出端的跨阻，C_pd为光电二极管D0的寄生电容C_pd的电容量；

实际情况中，PIN二极管的寄生电容C_pd的电容量通常会很大，进而使跨阻放大器的带宽变得很小，很难使带宽的设计满足要求。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了解决常见的光电二极管与跨阻放大器连接方式中光电二极管的寄生电容C_pd影响跨阻放大器-3dB带宽的问题，提供了一种减小光电二极管寄生电容电路。

本实用新型所述减小光电二极管寄生电容电路，包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；

NMOS晶体管MN1的栅极同时连接电阻R0的一端和电阻R1的一端；

NMOS晶体管MN2的栅极、漏极同时连接NMOS晶体管MN1的源极、电阻R2的一端和电容C3的一端；

NMOS晶体管MN2的源极连接NMOS晶体管MN3的漏极；

NMOS晶体管MN3的栅极同时连接电容C2的一端、电阻R2的另一端和电阻R3的一端；

NMOS晶体管MN3的源极同时连接NMOS晶体管MN4的漏极、电容C1的一端和电容C3的另一端；

NMOS晶体管MN4的栅极连接误差放大器A0的输出端；

NMOS晶体管MN4的源极同时连接误差放大器A0的反向输入端和电阻R4的一端；

误差放大器A0的正向输入端连接基准电压Vref；

电容C1的另一端连接光电二极管D0的PINK端；

电容C2的另一端连接光电二极管D0的PINA端；

电阻R1的另一端、电阻R3的另一端和电阻R4的另一端同时连接GND；

NMOS晶体管MN1的漏极和电阻R0的另一端同时连接电源VDD。

优选地，电容C1与电容C2为交流耦合电容。

本实用新型的有益效果是：提出一种减小光电二极管寄生电容电路,能够产生负电容与光电二极管寄生电容C_pd部分抵消，减小跨阻放大器的输入电容，达到延展带宽减小设计难度的效果，并已经通过了仿真结果验证。

附图说明

图1是常见的光电二极管与跨阻放大器的连接方式；

图2是本实用新型所述减小光电二极管寄生电容电路的电路原理图；

图3是本实用新型的简化结构电路原理图。

图4是常见光电二极管与跨阻放大器连接方案中TIA的-3dB带宽和使用本实用新型电路时TIA的-3dB带宽仿真对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本实用新型电路能够产生负电容与光电二极管寄生电容C_pd部分抵消，减小跨阻放大器的输入电容，达到延展带宽减小设计难度的效果。

在阐述常见的光电二极管与跨阻放大器的连接方式电路中，由于光电二极管的PINA端直接接在跨阻放大器的输入端，即光电二极管寄生电容C_pd作为跨阻放大器的输入电容将会减小电路带宽。图2提出的一种减小光电二极管寄生电容电路，解决了光电二极管PINA端直接连接TIA输入端影响整体电路带宽的情况。

实施例：本实用新型减小光电二极管寄生电容电路包括误差放大器A0、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；

NMOS晶体管MN1的栅极同时连接电阻R0的一端和电阻R1的一端；

NMOS晶体管MN2的栅极、漏极同时连接NMOS晶体管MN1的源极、电阻R2的一端和电容C3的一端；

NMOS晶体管MN2的源极连接NMOS晶体管MN3的漏极；

NMOS晶体管MN3的栅极同时连接电容C2的一端、电阻R2的另一端和电阻R3的一端；

NMOS晶体管MN3的源极同时连接NMOS晶体管MN4的漏极、电容C1的一端和电容C3的另一端；

NMOS晶体管MN4的栅极连接误差放大器A0的输出端；

NMOS晶体管MN4的源极同时连接误差放大器A0的反向输入端和电阻R4的一端；

误差放大器A0的正向输入端连接基准电压Vref；

电容C1的另一端连接光电二极管D0的PINK端；

电容C2的另一端连接光电二极管D0的PINA端；

电阻R1的另一端、电阻R3的另一端和电阻R4的另一端同时连接GND；

NMOS晶体管MN1的漏极和电阻R0的另一端同时连接电源VDD。

电容C1与电容C2为交流耦合电容。

为了更好地阐明本实用新型电路原理，将图2电路结构简化成图3电路结构(元器件命名一一对应)。

在光电二极管PINK与PINA两端模拟的串入小信号源V_t，且电压值大小为V_t，流过电流值大小为I_t。电容C1与电容C2为交流耦合电容，相当于交流导线。流过光电二极管寄生电容C_pd的电流I3可以表示为：

流过NMOS晶体管MN3的电流I2可以表示为：

I2＝-V_t·g_m3 (4)

其中g_m3为NMOS晶体管MN3的跨导；

节点电压V2可以表示为：

其中g_m2为NMOS晶体管MN2的跨导；

流过电容C3的电流I1可以表示为：

其中V2为NMOS晶体管MN2漏极、栅极公共节点处电压；

在X节点处列出基尔霍夫电流定律(KCL)方程：

I1+I2+I_t-I₃＝0 (7)

在式子(8)中且-g_m3V_t<<1可以从式子中忽略掉。

由式子(10)可知，在常见的光电二极管与TIA的连接方式的电路中加入减小光电二极管寄生电容电路，TIA的输入电容由原来的C_pd减小为而其中的称之为负电容。

基于上述分析，可见本实施例所述减小光电二极管寄生电容电路可带来如下有益效果：跨阻放大器TIA的输入电容减小，延展了电路带宽，降低了电路的设计难度。

本实用新型通过了仿真验证如图4所示，曲线2为常见的光电二极管与跨阻放大器的连接方案所得TIA的-3dB带宽，带宽为950MHz。曲线1为采用本实用新型所述减小光电二极管寄生电容电路所得TIA的-3dB带宽，带宽为1.57GHz。从仿真结果可以看出，本实用新型电路能够提高TIA的-3dB带宽，并且提高了1.65倍。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。