CN111726099A - 一种精准自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种精准自动增益控制电路，集成电路下跨阻放大器中的自动增益控制技术领域，本发明为解决常用的自动增益控制电路输出摆幅受温度和工艺影响不能调整，导致TIA整体性能降低的问题。本发明包括输出缓冲器、峰‑峰值检测电路、电阻R1、放大器A0和电容C1；输出缓冲器的输入端连接跨阻放大器TIA的输出端；输出缓冲器的两个输出端分别连接正电压输出端OUTP、负电压输出端OUTN，同时连接峰‑峰值检测电路的两输入端；峰‑峰值检测电路的输出端连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端连接放大器A0的反相输入端和电容C1的一端；放大器A0的同相输入端接入比较阈值电压VSET，电容C1的另一端同时连接放大器A0的输出端和反馈电阻RF阻值控制信号线。
Description
技术领域
本发明属于集成电路下跨阻放大器中的自动增益控制技术领域，涉及一种精准自动增益控制电路。
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。在跨阻放大器(TIA)增益不变的情况下，当输入较大电流，电路的非线性问题变得非常严重。为此对跨阻放大器引入自动增益控制电路(AGC)，当跨阻放大器在输入较大电流情况下，能自主降低电路增益，使输出电压幅度保持不变。
图1给出了常用的自动增益控制电路的结构。图1中，单端放大器AF和反馈电阻RF组成了跨阻放大器TIA，并且得到一个RF的中频带跨阻增益，电阻R1和电容C0组成低通滤波器对跨阻放大器的输出Vout进行幅度采样，A0为误差放大器其输出控制NMOS晶体管MN1的栅压。
由于跨阻放大器中的单端放大器AF增益为正，当跨阻放大器的输入电流PINA增大，最终Vout电压升高。
Vout通过电阻R1和电容C0组成的低通滤波器，滤除高频量保留低频量输送到误差放大器A0的正极，当跨阻放大器的输出电压Vout超过门限电压运放A1的输出电压，误差放大器A0将对差值放大并输出控制NMOS晶体管MN1栅压。NMOS晶体管MN1工作在线性区，其内阻RON公式为：
式中：un表示n沟道MOSFET迁移率，Cox是单位面积的栅氧化层电容，VGS表示MN1的栅源电压，VTH表示NM1的阈值电压，W,L表示MN1的宽与长。
随着输入电流的增大，误差放大器A0的输出电压即NMOS晶体管MN1的栅电压升高，由式(1)得出NMOS晶体管MN1的内阻RON减小，构成跨阻放大器的反馈电阻阻值RF||RON(跨阻增益)也随着减小，达到了增益控制的目的。
实际应用中，TIA的跨阻阻值RF是随着输入电流的增大而不断地减小，且输出摆幅随着运放A1输出电压的变化而变化(受工艺和温度的影响)，该种AGC控制方法，跨阻RF减小多少，输出摆幅变化多少没有具体数值，其作用只是为了避免电路结构进入不正常的工作状态，所以这种AGC(自动增益控制)仅进行了粗略的增益控制，无法满足高精度TIA的性能要求。
发明内容
本发明目的是为了解决常用的自动增益控制电路输出摆幅受温度和工艺影响不能调整，导致TIA整体性能降低的问题，提供了一种精准自动增益控制电路。
本发明所述一种精准自动增益控制电路，对由放大器AF和反馈电阻RF构成的跨阻放大器TIA的增益进行控制，所述自动增益控制电路包括输出缓冲器、峰-峰值检测电路、电阻R1、放大器A0和电容C1；
输出缓冲器的输入端连接跨阻放大器TIA的输出端；
输出缓冲器的两个输出端分别连接正电压输出端OUTP、负电压输出端OUTN，同时连接峰-峰值检测电路的两输入端；
峰-峰值检测电路的输出端连接电阻R1的一端；
电阻R1的另一端连接放大器A0的反相输入端和电容C1的一端；放大器A0的同相输入端接入比较阈值电压VSET，
电容C1的另一端同时连接放大器A0的输出端和反馈电阻RF阻值控制信号线。
优选地，输出缓冲器将输入的单端交流信号转换为双端交流信号输出，所述双端交流信号为峰-峰电压。
优选地，峰-峰值检测电路将输入的双端交流信号转换为单端直流信号输出。
本发明的有益效果：本发明提出一种精准自动增益控制电路,去除常用的自动增益控制电路中的放大器固定的阈值电压结构A1并增加输出摆幅检测结构,无论在小信号还是大信号情况下，都能精准的控制TIA输出的摆幅，且已经通过了仿真结果验证。
附图说明
图1是常用的自动增益控制电路原理图；
图2是本发明所述一种精准自动增益控制电路的结构示意图；
图3是输出缓冲器OUTPUT BUFFER输出的峰-峰值跟随VSET电压的变化仿真图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明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。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的精准自动增益控制电路是对由放大器AF和反馈电阻RF构成的跨阻放大器TIA的增益进行控制，其特征在于，所述自动增益控制电路包括输出缓冲器、峰-峰值检测电路、电阻R1、放大器A0和电容C1；
输出缓冲器的输入端连接跨阻放大器TIA的输出端；
输出缓冲器的两个输出端连接峰-峰值检测电路的两输入端；
峰-峰值检测电路的输出端连接电阻R1的一端；
电阻R1的另一端连接放大器A0的反相输入端和电容C1的一端；放大器A0的同相输入端接入比较阈值电压VSET，
电容C1的另一端同时连接放大器A0的输出端和反馈电阻RF阻值控制信号线。
输出缓冲器将输入的单端交流信号转换为双端交流信号输出，所述双端交流信号为峰-峰电压。输出缓冲器将上一级电路的高输出阻抗变换为低输出阻抗，提供输出功率以驱动下一级电路。
峰-峰值检测电路将输入的双端交流信号转换为单端直流信号输出。
在阐述图1所述的常用自动增益控制电路中，由于电路中用放大器A1产生一个比较阈值电压，该阈值电压会随着温度和工艺的变化而变化，放大器A1提供固定阈值电压导致TIA输出幅度不固定。通常在TIA电路，由于输入电流过大，会导致电路饱和，引起某些电路超出正常的工作状态导致严重的ISI(码间干扰)，所以为了避免这种情况，经常会在输入电流过大的情况下，减小TIA的增益。但是具体减多少，并没有具体的数值，仅仅是为了避免某些电路进入某些不正常的工作状态，所以这种AGC(自动增益控制)仅仅进行了粗略的对电路的增益进行了控制。
本实施方式提出了一种如图2所示的精准自动增益控制电路，解决了常用的自动增益控制电路使用运放A1来提供固定阈值电压导致输出幅度不固定的情况。
光电二极管将光转换成电流输入到TIA，输出缓冲器将单端电信号转成双端电信号，并输出到片外分别连接OUTP和OUTN。峰-峰值检测电路把交流双端信号调整成直流信号送到由电阻R1、电容C1、放大器A0组成的积分器，对直流信号进行积分，其目的是防止积分器输出电压突变。
将比较阈值电压VSET任意的设置成1V。当输入到TIA的光电流过大，致使峰-峰值检测电路输出大于1V的直流电压，积分器的输出电压将减小，控制跨阻RF减小，直至TIA输出电压摆幅减小至1V为止。
当输入到TIA的光电流过小，致使峰-峰值检测电路输出小于1V的直流电压，积分器的输出电压将增大，控制跨阻RF增大，直至TIA输出电压摆幅增大至1V为止。
本发明的自动增益控制电路能精准控制AGC的增益，使得TIA输出电压摆幅等于预设的比较阈值电压VSET。
图3为本实施方式中输出缓冲器输出的峰-峰值跟随VSET电压的变化仿真图。可见输出的峰-峰值随着VSET电压大小变化而变化，因此可人为调整VSET电压值，精确控制输出峰峰值不受到温度工艺的影响。
虽然本发明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发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明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，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (3)
1.一种精准自动增益控制电路，对由放大器AF和反馈电阻RF构成的跨阻放大器TIA的增益进行控制，其特征在于，所述自动增益控制电路包括输出缓冲器、峰-峰值检测电路、电阻R1、放大器A0和电容C1；
输出缓冲器的输入端连接跨阻放大器TIA的输出端；
输出缓冲器的两个输出端分别连接正电压输出端OUTP、负电压输出端OUTN，同时连接峰-峰值检测电路的两输入端；
峰-峰值检测电路的输出端连接电阻R1的一端；
电阻R1的另一端连接放大器A0的反相输入端和电容C1的一端；放大器A0的同相输入端接入比较阈值电压VSET，
电容C1的另一端同时连接放大器A0的输出端和反馈电阻RF阻值控制信号线。
2.根据权利要求1所述一种精准自动增益控制电路，其特征在于，输出缓冲器将输入的单端交流信号转换为双端交流信号输出，所述双端交流信号为峰-峰电压。
3.根据权利要求1或2所述一种精准自动增益控制电路，其特征在于，峰-峰值检测电路将输入的双端交流信号转换为单端直流信号输出。
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