用于PDIC的跨阻放大器的优化设计

小 M1 管的宽长比 ,带宽增加 ,增益却有一定的降
低 。在电路调试过程中 ,各个管子的参数选择较为
重要 。
图 5 由三级级联组成的跨阻前置放大器
2 电路仿真结果
图 4 改进的 CMOS 跨阻放大器
在跨阻放大器中 ,负反馈的引入使电路可以取 得稳定的跨阻增益和大的带宽 ,但与此同时负反馈 也会引起稳定性的问题 。在高频应用中 ,开环频率 响应的主极点位于输入节点 ,非主极点位于电路其 他的位置 。放大器的高频段极点 ,最好位于截止频 率 f - 3 dB 之上 ,这时电路的稳定性最好 。因此 ,设计 中应该采用低增益 、大带宽的放大级 。优化放大器 极点的位置可以产生一个稳定的响应[9] 。如图 5 所 示 ,改进的跨阻放大器由三个相同级联级与一个动 态反馈电阻组成 ,每一级都采用了对负载的动态补 偿 。其中 ,反馈电阻是一个由电压 V G控制的 PMOS 管 ,这是利用了 MOS 管工作在深线性区可作为可 控线性电阻使用的原理 。反馈电阻由下式决定 :
摘 要 : 提出了一种用于 PDIC 的跨阻放大器 。电路由三级相同的推挽放大器级联而成 ,每 级均采用一动态电阻对负载进行补偿 ,以提高放大器的相位裕度 。反馈电阻由一栅极受控的 PMOS 管替代 ,避免了大尺寸多晶硅电阻引入的附加相移 ,增加了电路的稳定性 。采用 XFAB 0. 6 μm CMOS 工艺提供的 PD K ,在 Cadence Spect re 环境下进行电路设计 、仿真验证 。仿真结果表明 , 电路的增益 、带宽及稳定性均得到满意结果 。
RF
=
L
WL μp Cox (V GS -
V T)
Fra Baidu bibliotek
(4)
跨阻放大器的带宽近似为
号 。光存储器件中读取通道的 I2V 转换电路 (A ,B , C ,D) 要求大带宽和低灵敏度 。在伺服通道 , I2V 转 换电路 ( E , F) 要求窄带宽和高灵敏度 。基于以上提 到的系统的要求 ,模拟前端中实现 I2V 转换的前置 放大器的设计就显得尤为重要 。
·660 ·
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
( 1. Key Laboratory of Microsystem , Shenzhen Graduate School of Peking University , Shenzhen 518055 , CHN; 2. Optical Memory National Engineering Research Center ,Shenzhen Graduate School of Tsinghua University , Shenzhen 518055 , CHN)
跨阻前置放大器是通过反馈电阻 RF 给输入端 提供负反馈的高增益 、高阻抗的放大器 ,其具有低噪 声 、大带宽的特点 。该放大器实质上是一个电流2电 压变换器 。其电路形式如图 2 所示 。
图 2 跨阻前置放大器
跨阻放大器采用负反馈有两个显著的优点 。第 一 ,在 A 很大时 , 跨阻增益主要依赖于反馈电阻 RF 的值而不是 A 的值 ,这样 ,在 A 保持很高值的同时 , 反馈电阻 RF 的值也可以取得很大 。第二 ,在输入端 的等效 R C 时间常数减小了 A + 1 倍 ,这样就展宽了 电路带宽 。
关键词 : 跨阻放大器 ; CMOS 工艺 ; PD IC 中图分类号 : TN722. 71 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2009) 05 - 0660 - 03
Optimization Design of Transimpedance Amplif ier f or PD IC AN J ie1 , PI Xue2so ng1 , L I Hui1 , MA J ian2she2 , C H EN G Xue2min2 , L IN J ia2yo ng2
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 30 No. 5
光电器件
Oct. 2009
用于 PD IC 的跨阻放大器的优化设计
安 杰1 , 邳雪松1 , 李 挥1 , 马建设2 , 程雪岷2 , 林家用2
( 1. 北京大学 深圳研究生院集成微系统科学与工程重点实验室 ,广东 深圳 518055 ; 2. 清华大学 深圳研究生院光盘国家研究分中心 ,广东 深圳 518055)
收稿日期 :2008 - 11 - 07.
基金项目 : 广 东 省 粤 港 关 键 领 域 招 标 项 目
(2005A10208004) .
相连 。因此 ,读取通道和伺服通道是建立在对模拟 前端相应部分的 I2V 转换 、放大 、低通滤波及对失调 调整的基础之上的 。在光盘系统中 ,光检测器把盘 面反射回的微弱光脉冲信号转换为电流脉冲信号 , 并通过一个低噪声的前置放大器将其转换为电压信
A0
= V out V in
=
gM1 + gM3 gM2 + gM4
(2)
M2 的跨导增大了 - 3 dB 截止频率 ,但同时却减小
了电路的增益 。由于单级增益太低 ,信号应该由后
续的放大级放大 。这里有 :
A0 = α+ μμpnβ(1 +α)
(3)
其中 ,α= W 1 L 2 / W 2 L 1 ,β= W 3 L 2 / W 2 L 3 。
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 30 No. 5
Oct. 2009
的 。并且大尺寸的多晶硅电阻会引入相移 ,影响电 路的稳定性[8] 。所以 ,采用 MOS 管代替电阻 ,这样 可以通过改变管子的宽长比来改变阻值的大小 。
一个改进的 CMOS 跨阻放大器如图 4 所示 。 在电路中 ,M1 、M3 组成反相器 , M2 用来增加带宽 和减小密勒效应 ,增加的动态电阻 M4 可提高放大 器的相位裕度 。从开环电路的小信号模型出发 ,增 益的表达式为
图 3 推挽式放大器
这种由推挽反相器构成的跨阻放大器的突出优
点是 : (1) 电路本身可以进行自偏压 ,不用设计偏压电
路 ,而且静态电流很小 ,可以减小芯片面积 ,同时由 于 2 个管子都由输入直接驱动 ,所以和其他放大器 相比具有更好的增益和带宽 ,而且只要推挽反相器 的 2 个管子都工作在饱和区 ,就能得到最大的电压 增益 。
被严格控制 。系统的增益 A 由下式给出 :
A
≈
A
3 0
(6)
这里 A0 代表单级的开环增益 。
在电路调试中发现 ,当减小反馈电阻 PMOS 管
的宽长比时 ,放大器的增益增加 ,带宽减小 。当其他
条件不变时 ,若减小推挽反相器中 M3 管的宽长比 ,
效果与改变反馈电阻 PMOS 管的结果相同 。若减
(2) 其输出可以端到端地满摆幅工作 , 具有 78. 5 %的最高效率[7] 。由图 2 可知 ,跨阻放大器增 益 G为
G = V out Iin
=
RF
1
1 + s R F Cin
(1)
1+A
其中 , A 是放大器的开环增益 , RF 是放大器的反馈
电阻 , Cin 是输入寄生电容 ,包括光检测器的寄生电
Abstract : Presented is a t ransimpedance amplifier for PD IC. The designed amplifier is co nfigured o n t hree identical p ush2p ull amplifier stages t hat use an active load co mpensated by an active resistor to imp rove t he p hase margin of t he amplifier . The feedback resistor is replaced by a PMOS t ransistor which is biased by t he gate voltage. The replacement not o nly avoids t he p hase2shif t int roduced by t he large ploy2resisto r but imp roves t he stabilit y perfo rmance of t he t ransimpedance amplifier . Based o n XFABπs 0. 6μm CMOS , circuit design and simulatio n were performed by using Cadence Spect re. The simulatio n result s show t hat t he gain , bandwidt h and stabilit y of t he amplifier all achieve goo d performance.
Key words : t ransimpedance amplifier ; CMOS technology ; PDIC
0 引言
完整的 DVD/ CD 系统由模拟前端 ( PD IC) 和复 杂的数字信号处理模块组成 ,如图 1 所示[1] 。光盘 系统的模拟前端与磁盘的一样 ,都是为读取通道提 供高频信号 ,为伺服控制提供低频分量 。PD IC 中 放大器的输入信号与一组 6 pin (A ,B ,C ,D , E , F) 或 8 pin (A ,B ,C ,D , E1 , E2 ,F1 ,F2) 的光电二极管阵列
《半导体光电》2009 年 10 月第 30 卷第 5 期
安 杰 等 : 用于 PDIC 的跨阻放大器的优化设计
1 跨阻放大器的设计与优化
输入端的推挽放大器一般用来最大化放大器的 跨导和增加增益带宽积[526] 。如图 3 所示 ,这种结构 是由一个 PMOS 管和一个 NMOS 管并联形成的 , 看起来象数字电路中的非门 ,但是由于 MOS 管具 有工作在不同的范围 ,实现不同功能的特性 ,所以当 这 2 个 MOS 管都工作在饱和区时就能实现放大的 功能 。
图 1 CD/ DVD 系统模拟前端框图
目前 ,常见的前置放大器主要有三种 :1) 高阻放 大器 :它采用大的负载电阻来获得高灵敏度和低噪 声 ,但带宽和动态范围不够理想 ;2) 低阻放大器 :电 路结构简单 ,但噪声大 ,性能较差 ;3) 跨阻放大器 :它 具有增益稳定 、动态范围大 、频带宽和不需要均衡电 路等优点 ,所以应用最广[223 ] 。
在输入端 , R C 时间常数是一个十分重要的参 数 ,它限制着整个电路的速度 。带宽可以通过提高 电路的开环增益而获得 ,然而在电路速度的提升同 时 ,由于增益带宽积要保持恒定 ,组成放大器的级数 与开环增益却要减小[4] 。跨阻放大器设计时还应注 意避免负反馈引起系统的稳定性问题[4] 。在本文 中 ,每级的动态负载通过一个动态电阻来进行补偿 , 提高了放大器的稳定性 。
容 Cs和封装电容 Cp 。由上面的讨论可知输入寄生
电容 Cin 和反馈电阻 RF 是影响放大器增益和带宽的
主要因素 ,因此可以通过改变寄生电容 Cin 和反馈电
阻 RF的方式来改变放大器的带宽和增益 。改变寄
生电容较为困难 ,通常是改变放大器的反馈电阻 。
减小反馈电阻时 ,放大器带宽增加 ,增益减小 ,同时
引入了额外的热噪声电流 ,降低放大器的灵敏度 ,但
是增加反馈电阻又会使带宽降低 。因此 ,要对带宽 、
增益和噪声给予综合考虑 ,合理选择反馈电阻的大
小是非常重要的 。在许多 CMOS 工艺条件下 ,制作
精密控制的阻值和合适的物理尺寸的电阻是很困难
·661 ·
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net