一种带温度分段补偿特性的跨阻放大器芯片的制作方法

本发明涉及对跨阻放大器（tia，10gbps以下速率的tia）芯片全温范围内的小信号增益和小信号-3db带宽等特性进行温度分段补偿的技术，属于集成电路领域。

背景技术：

1、在光通信模块的接收端，首先利用光电二极管(apd或pd)芯片将光纤中高速变化的光信号转换为高速变化的电流信号，再利用跨阻放大器(tia)芯片将该电流信号放大转换为一定幅度的电压信号供后级限幅放大器（la）芯片进一步放大。在光纤到户（ftth）、光纤到房间（fttr）、数据中心和基站通信等应用场景中，一般要求tia芯片工作的温度范围为-40℃~85℃。由于温度会明显改变芯片工艺中晶体管的跨导、截止频率、噪声、放大倍数以及电阻阻值和电容值等，因此温度会明显影响tia的小信号（小信号指的是tia灵敏度附近对应的信号，灵敏度指的是芯片或系统能接收放大的最小输入信号）增益、小信号-3db带宽、噪声等，在工作温度范围内，通常会导致tia在高温下的增益下降、小信号带宽下降、噪声偏大，从而造成tia芯片在高温下的灵敏度下降，而tia芯片的灵敏度为该类芯片的最核心指标。

2、为了节省芯片面积和成本，一般10gbps以下速率的tia芯片通常不会采用片上电感以实现电感峰化技术来扩展带宽。如图1、图2所示，基准模块可产生线性正温度系数电流ipt（如图1中的ipt01、ipt11、ipt12、ipt13、ipt21）、零温度系数电流izt（如图1中的izt01、izt21）。ipt电流在-40℃~85℃温度范围内随着温度增加，电流值按照固定斜率kpt1线性增大；izt电流在-40℃~85℃温度范围内随温度增加，电流值不变。在此类tia芯片设计过程中，通常会采用基准模块产生线性正温度系数电流ipt，用作tia芯片中的tia信号链路模块的偏置电流，实现对tia芯片的小信号交流指标，即小信号增益、小信号-3db带宽、噪声的温度特性进行补偿。如果ipt电流的温度系数（斜率）偏小，可保证tia芯片在低温段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声特性较合适，但tia芯片在高温段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声特性补偿不足；如果ipt电流的温度系数过大时，可保证tia芯片在高温段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声特性较合适，但会导致tia芯片在低温段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声特性由于电流过小而补偿不足。因此该线性正温度系数电流ipt的补偿效果，很难同时兼顾到tia芯片的高低温段的特性。

技术实现思路

1、本发明在于提供一种带温度分段补偿特性的跨阻放大器芯片，其能够缓解上述问题。

2、为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

3、本发明提供了一种带温度分段补偿特性的跨阻放大器芯片，包括基准模块、tia信号链路模块和分段补偿温度系数电流生成模块，tia信号链路模块包括跨阻放大级模块、单转双电路模块、输出缓冲模块以及自动增益控制模块；

4、分段补偿温度系数电流生成模块包括分段补偿电流生成模块电路一、分段补偿电流生成模块电路二和分段补偿电流生成模块电路三；

5、基准模块生成的零温度系数电流izt01和线性正温度系数电流ipt01用作分段补偿电流生成模块电路一的输入电流，使分段补偿电流生成模块电路一生成电流ipb02，电流ipb02在-40℃~tp01℃（-40℃＜tp01℃＜85℃）温度段，随着温度增加，电流值不变，在tp01℃~85℃温度段，随着温度增加，电流值按照固定斜率kpb02线性增大，tp01℃为-40℃~85℃温度段中的某个温度值；

6、分段补偿电流生成模块电路一生成的电流ipb02和基准模块生成的线性正温度系数电流ipt11，用作分段补偿电流生成模块电路二的输入电流，使分段补偿电流生成模块电路二生成电流ipc11、分段补偿温度系数电流ipc12和分段补偿温度系数电流ipc13；分段补偿温度系数电流 ipc11、ipc12、ipc13在-40℃~tp11℃（-40℃＜tp11℃＜85℃）温度段，随着温度增加，电流值分别按照固定斜率kpc11_1、kpc12_1、kpc13_1线性增大；分段补偿温度系数电流 ipc11、ipc12、ipc13在tp11℃~85℃温度段，随着温度增加，电流值分别按照固定斜率kpc11_2、kpc12_2、kpc13_2线性增大；tp11℃为-40℃~85℃温度段中的某个温度值；kpc11_2＞kpc11_1，kpc12_2＞kpc12_1，kpc13_2＞kpc13_1；

7、分段补偿电流生成模块电路二生成的电流ipc11和基准模块生成的零温度系数电流izt21用作分段补偿电流生成模块电路三的输入电流，使分段补偿电流生成模块电路三生成分段补偿温度系数电流ipe21；分段补偿温度系数电流ipe21在-40℃~tp21℃温度段，随着温度增加，电流值不变，在tp21℃~tp22℃（-40℃＜tp21℃＜tp22℃＜85℃）温度段，随着温度增加，电流值按照固定斜率kpe21_1线性增大，在tp22℃~85℃温度段，随着温度增加，电流值按照固定斜率kpe21_2线性增大；tp21℃，tp22℃均为-40℃~85℃温度段中的某个温度值；kpe21_2＞kpe21_1；

8、分段补偿温度系数电流ipe21用作跨阻放大级模块的偏置电流，分段补偿温度系数电流ipc12用作单转双电路模块的偏置电流，分段补偿温度系数电流ipc13用作输出缓冲模块的偏置电流。

9、在本发明的一较佳实施方式中，分段补偿电流生成模块电路一包括晶体管mp01、mp02、mp03、mp04、mp05、mp06、mn01、mn02、mn03、mn04和mn05，电阻r01、r02、r03和r04；

10、电阻r01的一端用于从基准模块获取零温度系数电流izt01，另一端接晶体管mn01的漏极，以及晶体管mn01、mn02和mn03的栅极；

11、电阻r02的一端接晶体管mp01的栅极和漏极，以及晶体管mp02和mp03的栅极，另一端接晶体管mn02的漏极；

12、电阻r03的一端用于从基准模块获取线性正温度系数电流ipt01，另一端接晶体管mn04和mn05的栅极，以及晶体管mn04和mn03的漏极；

13、电阻r04的一端接晶体管mp06的栅极和漏极，以及晶体管mp05和mp04的栅极，另一端接晶体管mn05的漏极；

14、晶体管mn01、mn02、mn03、mn04和mn05的源极均接地；

15、晶体管mp01、mp02、mp03、mp04、mp05和mp06的源极均接电源端vdd；

16、晶体管mp02的漏极接晶体管mp05的漏极；

17、晶体管mp03的漏极和晶体管mp04的漏极的共接端，作为电流ipb02的输出端。

18、在本发明的一较佳实施方式中，分段补偿电流生成模块电路二包括晶体管mp11、mp12、mp13、mp14、mp15、mp16、mp17、mp18、mn11、mn12、mn13和mn14，电阻r11、r12、r13和r14；

19、电阻r11的一端用于从基准模块获取线性正温度系数电流ipt11，另一端接晶体管mn11的漏极，以及晶体管mn11和mn12的栅极；

20、电阻r12的一端接晶体管mp11的栅极和漏极，以及晶体管mp12、mp13和mp17的栅极，另一端接晶体管mn12的漏极；

21、电阻r13的一端用于从分段补偿电流生成模块电路一获取电流ipb02，另一端接晶体管mn14和mn13的栅极，以及晶体管mn13的漏极；

22、电阻r14的一端接晶体管mp16的栅极和漏极，以及晶体管mp15、mp14和mp18的栅极，另一端接晶体管mn14的漏极；

23、晶体管mn11、mn12、mn13和mn14的源极均接地；

24、晶体管mp11、mp12、mp13、mp14、mp15、mp16、mp17和mp18的源极均接电源端vdd；

25、晶体管mp12的漏极和晶体管mp15的漏极的共接端，作为电流ipc11的输出端；

26、晶体管mp13的漏极和晶体管mp14的漏极的共接端，作为电流ipc12的输出端；

27、晶体管mp17的漏极和晶体管mp18的漏极的共接端，作为电流ipc13的输出端。

28、在本发明的一较佳实施方式中，分段补偿电流生成模块电路三包括晶体管mp21、mp22、mp23、mp24、mp25、mp26、mn21、mn22、mn23、mn24和mn25，电阻r21、r22、r23和r24；

29、电阻r21的一端用于从基准模块获取零温度系数电流izt21，另一端接晶体管mn21的漏极，以及晶体管mn21、mn22和mn23的栅极；

30、电阻r22的一端接晶体管mp21的栅极和漏极，以及晶体管mp22和mp23的栅极，另一端接晶体管mn22的漏极；

31、电阻r23的一端用于从分段补偿电流生成模块电路二获取电流ipc11，另一端接晶体管mn24和mn23的漏极，以及晶体管mn24和mn25的栅极；

32、电阻r24的一端接晶体管mp26的栅极和漏极，以及晶体管mp25和mp24的栅极，另一端接晶体管mn25的漏极；

33、晶体管mn21、mn22、mn23、mn24和mn25的源极均接地；

34、晶体管mp21、mp22、mp23、mp24、mp25和mp26的源极均接电源端vdd；

35、晶体管mp23的漏极接晶体管mp24的漏极；

36、晶体管mp22的漏极和晶体管mp25的漏极的共接端，作为分段补偿温度系数电流ipe21的输出端。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、基准模块产生的线性正温度系数电流ipt01、ipt11和零温度系数电流izt01、izt21，可经过分段补偿温度系数电流生成模块，得到分段补偿温度系数电流ipe21、ipc12和ipc13，用作tia信号链路模块的偏置电流，具体为：ipe21用作tia芯片跨阻放大级的偏置电流，ipc12用作tia芯片单转双电路的偏置电流， ipc13用作tia芯片输出缓冲的偏置电流。

39、采用上述几种电流作为tia信号链路模块的偏置电流，具体说明如下。

40、tia信号链路模块的增益主要由跨阻放大级实现，图9中偏置电流ipe21在-40℃~tp21℃段的零温度系数特性，可实现跨阻放大级在-40℃~tp21℃的温度段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声不会因为偏置电流过小而变得过差；图9中偏置电流ipe21在tp21℃~tp22℃段的正温度系数为kpe21_1，在tp22℃~85℃段的正温度系数为kpe21_2（kpe21_2＞kpe21_1），即都为正温度系数特性，且温度系数又有区别，可实现对跨阻放大级的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声等小信号交流温度特性进行分段补偿；即在tp22℃~85℃段，偏置电流ipe21的温度系数kpe21_2更大，从而在该温度段，ipe21对跨阻放大级的温度补偿更厉害，以更好的补偿跨阻放大级在该温度段的小信号交流温度特性，使跨阻放大级在整个温度段的小信号交流温度特性都达到最佳状态。

41、tia信号链路模块的单转双电路和输出缓冲，其偏置电流分别由图6中电流ipc12和ipc13构成。ipc12在-40℃~tp11℃段的正温度系数为kpc12_1，在tp11℃~85℃段的正温度系数分别为kpc12_2（kpc12_2＞kpc12_1），即都为正温度系数特性，且温度系数又有区别，即在tp11℃~85℃温度段，偏置电流ipc12的温度系数kpc12_2更大，从而在该温度段，ipc12对单转双电路的温度补偿更厉害，以更好的补偿单转双电路在该温度段的小信号交流温度特性，使单转双电路在整个温度段的小信号交流温度特性都达到最佳状态。ipc13在-40℃~tp11℃段的正温度系数分别为kpc13_1，在tp11℃~85℃段的正温度系数分别为kpc13_2（kpc13_2＞kpc13_1），即都为正温度系数特性，且温度系数又有区别，即在tp11℃~85℃温度段，偏置电流ipc13的温度系数kpc13_2更大，从而在该温度段，ipc13对输出缓冲的温度补偿更厉害，以更好补偿输出缓冲在该温度段的小信号交流温度特性，使输出缓冲在整个温度段的小信号交流温度特性达到最佳状态。

42、即tia信号链路模块的每级电路根据设计需要，其偏置电流灵活采用不同特性的分段补偿温度系数电流构成，可较好的兼顾tia低温段与高温段的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声，因此tia的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声的变化受温度影响很小，从而使tia在高低温段的灵敏度特性差异较小。同时，tia高低温增益区别很小，后级限幅放大器（la）芯片的信号检测（sd）阈值随温度变化也很小。

43、总之，采用该方法，实现了对tia芯片在全温范围内的小信号增益、小信号-3db带宽、噪声等小信号交流特性的较好补偿，使tia芯片在全温范围内的小信号交流特性都有一个很好的性能，从而使tia芯片在全温范围内的灵敏度都较好，且变化较小。在系统中， tia位于光模块接收系统的前级，因此tia芯片的灵敏度决定了系统的接收灵敏度。因此该tia芯片在系统中应用时，可保证系统的接收灵敏度在全温范围内都较好，且变化较小，从而使系统在全温范围内都达到最佳状态。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。