一种限幅放大器和TIA电路的制作方法

本申请属于光电通讯技术领域，尤其涉及一种限幅放大器和TIA电路。

背景技术：

在光学传感器和光纤通信系统中，TIA(Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器)都属于光接收机部分。TIA一般与光电二极管联合使用，光电二极管用于接收光信号，并把光信号转换为电信号。大部分光信号直接转换成的电信号都比较微弱，所以需要TIA用于把光电二极管所转换的电信号进行放大。一般来说，光电二极管把光信号转换为单端的电信号，TIA只需要放大单端的电信号。不过在光纤通信系统中，对于非常高速的信号，TIA必须把单端的电信号转换为双端的差分信号，这样可以增加信号传输带宽，减小噪声，更好的进行下一步的信号处理。

在典型的数字光纤通信系统接收机的TIA电路中，一般包括前置跨阻放大器电路和限幅放大器电路等模块。入射光通过光电二极管转化为光电流，光电流经过前置跨阻放大器把单端的电流信号转换为单端的电压信号，而限幅放大器是的任务是把前置跨阻放大器输出的小的电压信号进一步放大到一个足够大的幅度，这样后续的数据判决电路才能更好的工作以减小误码率。另外CML(Current-Mode Logic，电流模式逻辑)限幅放大器还作为单端转双端差分信号的转换器，通过一个直流反馈环路，单端电压信号在CML限幅放大器上被转化为双端电压差分信号。传统的CML限幅放大器原理结构图如图1(a)所示，CML限幅放大器有两个输入端，单端射频信号RF驱动其中一个输入端，而另一个输入端被固定在一个参考电压DC。对于低频和中频信号来说，两个输出端输出一对很好的差分输出信号Vp和Vn。但随着频率的增加，对于高频信号，两个差分输出信号Vp和Vn之间的相位和幅度差异越来越明显。如图1(b)所示，这样会导致差分输出的摆幅Vtotal(Vtotal为Vp和Vn的向量差)变小，从而导致输出眼图的开启度减小，并且抖动增加，这种现象出现的原因是因为两路差分信号的信号路径引起的：其中一路信号RF从三极管T1的基极到T1的集电极，另外一路DC是从三极管T2的基极到T2的集电极，而三极管T1工作于共发射极电路状态，而三极管T2工作于共基极电路状态。

因此，传统的CML限幅放大器接入高频信号时，输出的两个差分输出信号之间的相位和幅度差异明显，眼图的开启度减小，并且抖动增加的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种含有改善限幅放大器结构的TIA电路，旨在解决传统的CML限幅放大器接入高频信号时，输出的两个差分输出信号之间的相位和幅度差异明显，导致眼图的开启度减小，并且抖动增加的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种限幅放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，包括：

第一电感，所述第一电感的第一端接电源；

第二电感，所述第二电感的第一端接所述电源，所述第二电感与所述第一电感相互差分耦合；

第一三极管，所述第一三极管的基极作为所述第一输入端，所述第一三极管的集电极通过第一负载与所述第一电感的第二端连接，所述第一三极管的集电极还作为所述第一输出端；及

第二三极管，所述第二三极管的基极作为所述第二输入端，所述第二三极管的集电极通过第二负载与所述第二电感的第二端连接，所述第二三极管的集电极还作为所述第二输出端，所述第二三极管的发射极与所述第一三极管的发射极共同通过一电流源接地。

本申请实施例的第二方面提供了一种TIA电路，包括：

前置跨阻放大器；

如上所述的限幅放大器，所述限幅放大器的第一输入端与所述前置跨阻放大器的输出端连接；

输出缓冲器，所述输出缓冲器的两个输入端与所述限幅放大器的两个输出端连接，所述输出缓冲器的两个输出端作为所述TIA电路的输出端；及

反馈环路，所述反馈环路的两个输入端接所述输出缓冲器的两个输出端，所述反馈环路的输出端接所述限幅放大器的第二输入端。

上述的限幅放大器为了改进两个输出信号之间的不平衡状态，加入了一对差分耦合电感与分别与负载串联，差分耦合电感的加入可以减小两个输出信号之间的相位差，这样总输出信号的摆幅更接近于真正的差分放大器的输出。从而输出眼图的开启度会增加，抖动会减小。通过恰当的选取时间常数，差分电感的加入还可以增加限幅放大器的-3dB带宽。另外，加入电感之后，因为两个输出信号更接近于真正的差分信号，限幅放大器的共模抑制比被提高，叠加到电源上的交流电流噪音也会被抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为传统的限幅放大器的电路结构示意图；

图1(b)为传统的限幅放大器的两个差分输出信号的矢量图；

图2(a)为本申请实施例提供的限幅放大器的电路结构示意图；

图2(b)为图2(a)所示的限幅放大器的两个差分输出信号的矢量图；

图3为本申请实施例提供的TIA电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请参阅图2(a)，本申请实施例提供的限幅放大器10具有第一输入端11、第二输入端12、第一输出端13及第二输出端14，限幅放大器10包括第一电感L1、第二电感L2、第一负载R1、第二负载R2、第一三极管T1及第二三极管T2。

第一电感L1的第一端接电源Vcc；第二电感L2的第一端接电源Vcc，第二电感L2与第一电感L1相互差分耦合；第一三极管T1的基极作为限幅放大器10的第一输入端11，第一三极管T1的集电极通过第一负载R1与第一电感L1的第二端连接，第一三极管T1的集电极还作为限幅放大器10的第一输出端13；第二三极管T2的基极作为限幅放大器10的第二输入端12，第二三极管T2的集电极通过第二负载R2与第二电感L2的第二端连接，第二三极管T2的集电极还作为限幅放大器10的第二输出端14，第二三极管T2的发射极与第一三极管T1的发射极共同通过电流源15接地。

在一些实施方式中，第一电感L1的第二端为同名端；第二电感L2的第一端为同名端；在另一些实施方式中，也可以第一电感L1的第一端为同名端；第二电感L2的第二端为同名端。可选的，第一负载R1和第二负载R2均为电阻、电容及电感中至少一种组成的电路。本实施例中，第一负载R1和第二负载R2为一个或多个串并联构成电阻。在其他实施方式中，第一负载R1和第二负载R2可以串并联电感/电容等。限幅放大器10的第一输入端11为同相输入端，第二输入端12为反向输入端，第一输出端13为同相(正)输出端，及第二输出端14为反相(负)输入端。

可选的，第一三极管T1和第二三极管T2均为NPN型。在其他实施方式中，第一三极管T1和第二三极管T2可以为PNP三极管或N沟道MOS管。

上述的限幅放大器10一般为CML限幅放大器，其加入了一对差分耦合的电感L1、L2分别与第一负载R1和第二负载R2串联。差分耦合电感的加入可以减小两个差分输出信号Vp和Vn之间的相位差，这样总输出信号的摆幅Vtotal(Vtotal为Vp和Vn的向量差)更接近于真正的差分放大器的输出(如图2(b)所示)。从而输出眼图的开启度会增加，抖动会减小。并且，通过恰当的选取时间常数τ＝L/R，差分耦合电感的加入还可以增加限幅放大器10的3-dB带宽。另外，加入差分耦合电感之后，因为两个差分输出信号Vp和Vn更接近于真正的差分信号，限幅放大器10的共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，CMRR)被提高，叠加到电源Vcc上的交流电流噪音也会被抑制。

请参阅图2(a)和图3，本申请实施例还提供的一种TIA电路，其包括前置跨阻放大器20、上述限幅放大器10、输出缓冲器30及反馈环路40。

前置跨阻放大器20的输入端作为TIA电路的输入端，限幅放大器10的第一输入端11与前置跨阻放大器20的输出端连接；输出缓冲器30的两个输入端与限幅放大器10的两个输出端连接，输出缓冲器30的两个输出端作为TIA电路的输出端；反馈环路40的两个输入端接输出缓冲器30的两个输出端，反馈环路40的输出端接限幅放大器10的第二输入端12。

在光学传感器和光纤通信系统中，前置跨阻放大器20的输入端一般接光电二极管D1的阳极，光电二极管D1的阴极接供电电压VPD，入射光通过光电二极管D1转化为光电流，光电流经过前置跨阻放大器20把单端的电流信号转换为单端的电压信号。其后，限幅放大器10将单端电压信号在转化为双端电压差分信号输入到输出缓冲器30。可选地，该限幅放大器10和输出缓冲器30均为CML限幅放大器和输出缓冲器。

在一些实施方式中，TIA电路还包括第一差分负载电阻R3和第二差分负载电阻R4，第一差分负载电阻R3和第二差分负载电阻R4分别连接在输出缓冲器30的两个输出端和供电电源Vcc1之间。第一差分负载电阻R3和第二差分负载电阻R4还作为整个电路输出端的负载电阻。

在一些实施方式中，反馈环路40包括运算放大器41，运算放大器41的两个输入端分别与输出缓冲器30的两个输出端连接，运算放大器41的输出端接限幅放大器10的第二输入端12。可选的，运算放大器41的两个输入端分别通过限流电阻R5和限流电阻R6连接输出缓冲器30的两个输出端，且运算放大器41的两个输入端直接连接有一滤波电容C1。

可选的，前置跨阻放大器20的反相输入端与光电二极管D1的阳极连接，运算放大器41的同相输入端与输出缓冲器30的同相输出端连接，运算放大器41的反相输入端与输出缓冲器30的反相输出端连接。

在本文对各种装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

在整个说明书中对“各种实施方式”、“在实施方式中”、“一个实施方式”或“实施方式”等的引用意为关于实施方式所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等在整个说明书中的适当地方的出现并不一定都指同一实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何适当的方式组合。因此，关于一个实施方式示出或描述的特定特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其它实施方式的特征、结构或特性进行组合，而没有假定这样的组合不是不合逻辑的或无功能的限制。任何方向参考(例如，加上、减去、上部、下部、向上、向下、左边、右边、向左、向右、顶部、底部、在…之上、在…之下、垂直、水平、顺时针和逆时针)用于识别目的以帮助读者理解本公开内容，且并不产生限制，特别是关于实施方式的位置、定向或使用。

虽然上面以某个详细程度描述了某些实施方式，但是本领域中的技术人员可对所公开的实施方式做出很多变更而不偏离本公开的范围。连接参考(例如，附接、耦合、连接等)应被广泛地解释，并可包括在元件的连接之间的中间构件和在元件之间的相对运动。因此，连接参考并不一定暗示两个元件直接连接/耦合且彼此处于固定关系中。“例如”在整个说明书中的使用应被广泛地解释并用于提供本公开的实施方式的非限制性例子，且本公开不限于这样的例子。意图是包含在上述描述中或在附图中示出的所有事务应被解释为仅仅是例证性的而不是限制性的。可做出在细节或结构上的变化而不偏离本公开。