前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器

1.本发明属于模拟集成电路设计技术领域，尤其涉及一种前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器。


背景技术：

2.光通信电路中的光接受前端主要包括光电探测器、前置放大器和主放大器等模块。对主放大器通常采用自动增益控制(agc)放大器或限幅放大器结构来获得一定的动态范围。与自动增益控制放大器相比，限幅放大器的限幅功能直接作用与每个单一脉冲，即限幅放大器能同时一直慢速和快速的幅度变化。传统的限幅放大器为了拓展带宽，在电路中添加了大量的无源电感，导致电路面积增大。而且传统的限幅放大器中采用直流反馈网络消除输入信号dc失调，使得信号稳定时间较长。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器,以解决传统的限幅放大器为了拓展带宽，在电路中添加了大量的无源电感，导致电路面积增大，而且传统的限幅放大器中采用直流反馈网络消除输入信号dc失调，使得信号稳定时间较长的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
5.一种前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器，包括限幅放大器、加法器add、反馈回路和前馈回路；
6.所述前馈回路消除dc失调，所述反馈回路拓展带宽；
7.所述加法器add，消除输入信号和限幅放大器产生的dc失调；
8.所述限幅放大器包括第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3；
9.所述反馈回路包括第一级反馈回路fb1和第二级反馈回路fb2；
10.所述前馈回路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一跨导放大器gm1、第二跨导放大器gm2、第一电容c1、第二电容c2；
11.所述第一级限幅放大器la1的差分输入端接收输入信号，同时也作为前馈回路的输入端，即与第一电阻r1和第二电阻r2相连；
12.所述第一电阻r1和第二电阻r2与第一跨导放大器gm1的差分输入端ip和in串联，再将第一跨导放大器gm1输出端op和on串联第二跨导放大器gm2的ip和in；第二跨导放大器gm2的输出端op和on连接至加法器add的cp和cn端；第一电容c1跨接在第一跨导放大器gm1的ip端和第二跨导放大器gm2的on端，第二电容c2跨接在第一跨导放大器gm1的in端和第二跨导放大器gm2的op端；
13.所述第一级限幅放大器la1、第二级限幅放大器la2、加法器add和第三级限幅放大器la3依次串联，第一级反馈回路fb1的输入端ip和in连接至加法器add的输出端op和on，第
一级反馈回路fb1输出端op和on连接至第一级限幅放大器la1的输入端in和ip；第二级反馈回路fb2的输入端ip和in连接至第三级限幅放大器la3的输出端op和on，第二级反馈回路fb2输出端op和on连接至第二级限幅放大器la2的输入端in和ip。
14.进一步的，所述第一电阻r1和第二电阻r2是等值电阻，第一电容c1和第二电容c2是等值电容。
15.进一步的，第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3和第一跨导放大器gm1、第二跨导放大器gm2采用差分共源极放大器结构。
16.进一步的，所述跨导放大器gm1和gm2结构不同，放大dc失调信号。
17.进一步的，所述第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3结构相同，但第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3尾电流和负载电阻值不同，提高驱动能力和带宽。
18.进一步的，第一级跨导放大器gm1采用nmos作为输入对管、电阻作为负载，提供了输入共模电压摆幅，第二级跨导放大器gm2采用nmos、pmos作为输入对管。
19.进一步的，第一反馈回路的fb1和第二反馈回路fb2以mos晶体管的跨导gm作为反馈因子β构成负反馈。
20.进一步的，所述放大器电路采用cmos工艺。
21.本发明的前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器，具有以下优点：
22.1、本发明中的反馈回路采用交叉有源负反馈技术，在保证增益的情况下，能够有效地拓展主放大器的带宽；
23.2、本发明中的前馈回路能快速提取主通道高速信号的dc值，传递给加法器并消除主通道信号的dc失调；
24.3、本发明第一级跨导放大器采用nmos作为输入对管、电阻作为负载，提供了更大的输入共模电压摆幅，第二级跨导放大器采用nmos、pmos作为输入对管，能提供更好的增益；
25.4、本发明电路结构没有增加额外无源峰化电感和消除失调模块，减小了电路面积，降低了成本。
附图说明
26.图1为本发明的前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器电路图。
具体实施方式
27.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器做进一步详细的描述。
28.本发明利用前馈回路快速消除dc失调和反馈回路拓展带宽的主放大器电路，主放大器指的是本发明的前馈和反馈交叉耦合结构的快速稳定高带宽放大器。该主放大器在保证增益和带宽下，既能快速消除由输入端输入的dc失调，又能改善由工艺、温度所导致mos管差分对、电阻等不匹配问题。
29.如图1所示，该放大器电路包括：限幅放大器、加法器add、反馈回路和前馈回路构成。所述限幅放大器包括第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3。
所述反馈回路包括第一级反馈回路fb1和第二级反馈回路fb2。
30.第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3和加法器add构成主放大器的高速主通道；第一级反馈回路fb1和第二级反馈回路fb2采用交叉有源负反馈技术。第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2、加法器add和第三限幅放大器la3依次串联，第一级反馈回路fb1的输入端ip和in连接至加法器add的输出端op和on，第一级反馈回路fb1的输出端op和on连接至第一级限幅放大器la1的输入端in和ip。第二级反馈回路fb2的输入端ip和in连接至第三级限幅放大器la3的输出端op和on，第二级反馈回路fb2输出端op和on连接至第二级限幅放大器la2的输入端in和ip，能够有效地拓展主放大器的带宽，避免使用无源电感，降低了芯片的面积和成本。所述前馈回路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一跨导放大器gm1、第二跨导放大器gm2、第一电容c1、第二电容c2。前馈回路中，第一级限幅放大器la1的差分输入端接收输入信号in+和in-，同时也作为前馈回路的输入端，即第一电阻r1和第二电阻r2与第一跨导放大器gm1的差分输入端ip和in串联，再将第一跨导放大器gm1输出端op和on串联第二跨导放大器gm2的差分输入端ip和in。第二跨导放大器gm2的输出端op和on连接至加法器add的cp和cn端。第一电容c1跨接在第一跨导放大器gm1的ip端和第二跨导放大器gm2的on端，第二电容c2跨接在第一跨导放大器gm1的in端和第二跨导放大器gm2的op端。通过交叉跨接在第一跨导放大器gm1和第二跨导放大器gm2两侧的电容快速提取主通道高速信号的dc值，转递给加法器add并消除主通道信号的dc失调。
31.其中，第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2和第三限幅放大器la3和第一跨导放大器gm1、第二跨导放大器gm2采用经典的全差分共源极结构，以电阻作为负载，提供增益。
32.其中，第一反馈回路的fb1和第二反馈回路fb2将限幅放大器输出端的电压经过mos晶体管跨导gm转换为电流信号，将电流信号输出反馈到前级限幅放大器的输入端，实现跨导gm的有源负反馈。
33.其中，前馈回路将输入信号传递给第一电阻r1和第二r2和第一跨导放大器gm1和第二跨导放大器gm2，实现提取并放大输入信号的失调电压，并传递给加法器add。
34.其中，加法器add将经过第一限幅放大器la1、第二限幅放大器la2放大的输入信号与前馈回路提取的失调电压相加，实现消除输入信号的dc失调。
35.具体地，各模块的详细连接方式如下：
36.主放大器的输入端in+和in-连接至第一限幅放大器la1的输入端，同时也连接至前馈回路的输入端，即第一电阻r1和第二电阻r2；第一限幅放大器la1的输出端直接连接至第二限幅放大器la2的输入端；第二限幅放大器la2的输出端连接至加法器add的输入端ip和in；加法器add的输出端连接至第三限幅放大器la3的输入端；第三限幅放大器la3输出端作为主放大器的输出端out+和out-。
37.在两条反馈回路中，第一级反馈回路fb1的输入端连接至加法器add的输出端，而其输出端连接至第一级限幅放大器la1的输入端。第二级反馈回路fb2的输入端连接至第三级限幅放大器la3的输出端op和on，其输出端连接至第二级限幅放大器la2的输入端。
38.在前馈回路中，第一电阻r1和第二电阻r2的一端连接主放大器的输入端in+和in-，另一端与第一跨导放大器gm1输入端连接。第二跨导放大器gm2输入端连接至第一跨导放大器gm1的输出端，而第二跨导放大器gm2输出端op和on连接至加法器add的cp和cn端。第
一电容c1跨接在第一跨导放大器gm1的ip端和第二跨导放大器gm2的on端，第二电容c2跨接在第一跨导放大器gm1的in端和第二跨导放大器gm2的op端。
39.该限幅放大器电路的工作原理是：
40.限幅放大器的主要作用是需要将由跨阻放大器输出的电压信号进一步放大并使其保持在一定的幅度，以满足后续cdr电路的要求。限幅放大器一般采用多级增益单元级联而成。
41.(1)级联限幅放大器
42.对于由限幅放大器构成的主放大器而言，假设由n级增益单元级联构成，而且每个单位为m阶巴特沃斯响应。设增益单元的带宽为bw
cell
，则总的-3db带宽表达式bw
total
为：
[0043][0044]
(2)反馈回路拓展带宽
[0045]
假设前馈放大单元的参数相同，则传递函数表达式为：
[0046][0047]
其中s表示传递函数中的复变量,r是电阻，c是电容。
[0048]
反馈回路表达式为：
[0049][0050]
其中f表示频率；
[0051]
则主放大器的传递函数为：
[0052][0053]
其中a0＝gmr，ω0＝1/rc，β表示反馈系数，表达式为gfr。
[0054]
则当s＝0时获得的低频增益a
v0
为：
[0055][0056]
将分母展开得到的主极点频率ω
p
为：
[0057]
ω
p
＝ω0+ω0(a
02
β)
1/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0058]
根据公式(5-6)可知，主放大器的直流增益a
v0
随β的增大而减少，但主极点频率ω
p
随β的增大而增大。
[0059]
(3)前馈回路快速消除dc失调
[0060]
前馈回路中，第一电阻r1和第二r2的阻值相等，通过交叉跨接在第一跨导放大器gm1和第二跨导放大器gm2两侧的电容快速提取主通道高速信号的dc值，转递给加法器并消除主通道信号的dc失调。
[0061]
假设输入信号存在δv
in
大小的直流失调，则通过加法器消除的直流失调大小为：
[0062]
δv
out,add
＝f1(a
la1
·ala2
·
δv
in
)-f2(a
gm1
·agm2
·
δv
in
)≈0
[0063]
相比于，传统的反馈dcoc回路，其稳定时间通常为几百纳秒，甚至更多。该前馈回路能够实现快速消除输入信号的失调，并且改善由工艺、温度所导致mos管差分对、电阻等不匹配问题。
[0064]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。