TWI586101B - 轉阻放大器 - Google Patents

Description

轉阻放大器

本發明乃是關於一種轉阻放大器(Trans-Conductance Amplifier；TIA)，特別是指一種將縮短傳輸延遲縮短的轉阻放大器。

在光通訊系統中，光接收器之增益與靈敏度是很重要的特性，必須同時提高兩者使傳輸效能達到最佳化。傳統之光接收器所採用的單級(Single-Stage)轉阻放大器的結構簡單，但由於整體增益及頻寬特性與放大器之輸出端阻抗大小有密切關係，單級轉阻放大器的架構會因其電壓增益不足而具有無法獲得高靈敏度的問題。

因此，一般來說會採用多級(Multi-Stage)轉阻放大器的架構來設計光接收器，以實現高電壓增益。此種多級轉阻放大器的架構通常包含多個串聯的單一放大器，但由於光接收器之輸入電流係取決於光電二極體所接收的紅外線，因此輸入電流之最大值與最小值可能存在四倍的差距。輸入電流之最大值與最小值之間的差距將拉大轉阻放大器之輸出端電位由高至低的傳輸延遲(Propagation Delay)。

本發明實施例提供一種轉阻放大器，包括第一級轉導放大器、第二級轉導放大器、第三級放大器與反饋電路。第一級轉導 放大器具有一輸入端與一輸出端，第一級轉導放大器之輸入端電性連接於輸入電流源，以接收第一輸入訊號，再由第一級轉導放大器之輸出端輸出第一輸出訊號。第二級轉導放大器，具有一輸入端與一輸出端，第二級轉導放大器之輸入端電性連接於第一級轉導放大器之輸出端，以接收第一輸出訊號，再由第二級轉導放大器之輸出端輸出第二輸出訊號。第三級放大器，具有一輸入端與一輸出端，第三級放大器之輸入端電性連接於第二級轉導放大器之輸出端，以接收第二輸出訊號，再由第三級放大器之輸出端輸出第三輸出訊號。反饋電路之一端電性連接於第一級轉導放大器之輸入端，反饋電路之另一端電性連接於第三級放大器之輸出端，以穩定第三輸出訊號。其中，第三級放大器係由第一輸出級與第二輸出級所組成。

在本發明其中一個實施例中，第三級放大器之第一輸出級包括電流源，其一端電性連接於供應電壓源，以提供穩定電流，其另一端連接於第三級放大器之輸出端。

在本發明其中一個實施例中，第三級放大器之第二輸出級包括第一NMOS電晶體與第二PMOS電晶體。第一NMOS電晶體與第二PMOS電晶體之閘極相連接以形成第三級放大器之輸入端。第二PMOS電晶體之源極電性連接於供應電壓源，且第二PMOS電晶體之汲極與第一NMOS電晶體之汲極相連接於第三級放大器之輸出端。第一NMOS電晶體之汲極接地。

在本發明其中一個實施例中，轉阻放大器包括參考電壓電路。參考電壓電路包括定電流單元、第三電晶體、第四電晶體與第五電晶體。定電流單元包含電流鏡與偏壓電流源。第三電晶體之閘極、第四電晶體之閘極與電流鏡相互並聯。第四電晶體之汲極形成參考電壓電路之輸出端，以輸出參考電壓訊號。第五電晶體並聯於定電流單元，並且電性連接於供應電壓源與定電流源之輸出端之間。

綜上所述，本發明實施例所提出之轉阻放大器藉由設置以第一輸出級與第二輸出級所組成之第三級放大器，其中，第一輸出級之電路設計係屬於A類放大器之組態，且第二輸出級之電路設計係屬於AB類放大器之組態，如此一來，便可使得轉阻放大器同時具有A類放大器與AB類放大器之優勢，得以縮短轉阻放大器之傳輸延遲的時間。另一方面，於本發明實施例所提出之轉阻放大器之參考電壓電路中，第五電晶體係被設置並聯於定電流單元，且電性連接於供應電壓源與參考電壓電路之輸出端之間，以改善參考電壓訊號因溫度變化或製造過程中的產生之變化所造成的不穩定。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1、2、3‧‧‧轉阻放大器

Iin‧‧‧輸入電流源

TCA1‧‧‧第一級轉導放大器

TCA2‧‧‧第二級轉導放大器

TSA3‧‧‧第三級放大器

OUT1‧‧‧第一輸出級

OUT2‧‧‧第二輸出級

TIAp‧‧‧第三輸出訊號

TIAn‧‧‧參考電壓訊號

MN1‧‧‧第一NMOS電晶體

MN2‧‧‧第二NMOS電晶體

MP2‧‧‧第二PMOS電晶體

MP3‧‧‧第三PMOS電晶體

MP4‧‧‧第四PMOS電晶體

MP5‧‧‧第五PMOS電晶體

MN6‧‧‧第六NMOS電晶體

FB‧‧‧反饋電路

RC‧‧‧電阻器網路

B1‧‧‧雙極性接面電晶體

C1、C2‧‧‧電容器

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻器

Vcc‧‧‧供應電壓源

I’‧‧‧定電流單元

Is‧‧‧電流源

MR‧‧‧電流鏡

REF‧‧‧參考電壓電路

I_Bias‧‧‧偏壓電流源

V_M、V_m、Ref1、Ref2‧‧‧曲線

圖1是本發明實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。

圖2是本發明另一實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。

圖3是本發明另一實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。

圖4A是圖2所繪示之實施例所提供之轉阻放大器中參考電壓訊號隨溫度變化之曲線圖。

圖4B是圖3所繪示之實施例所提供之轉阻放大器中參考電壓訊號隨溫度變化之曲線圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且 完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可能為了清楚而誇示了層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

〔轉阻放大器的實施例〕

請參照圖1，圖1是本發明實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。如圖1所示，轉阻放大器1包括第一級轉導放大器TCA1、第二級轉導放大器TCA2、第三級放大器TSA3與反饋電路FB。第一級轉導放大器TCA1具有一輸入端與一輸出端，第一級轉導放大器TCA1之輸入端電性連接於輸入電流源Iin，以接收第一輸入訊號，再由第一級轉導放大器TCA1之輸出端輸出第一輸出訊號。第二級轉導放大器TCA2具有一輸入端與一輸出端，第二級轉導放大器TCA2之輸入端電性連接於第一級轉導放大器TCA1之輸出端，以接收第一輸出訊號，再由第二級轉導放大器TCA2之輸出端輸出第二輸出訊號。第三級放大器TSA3，具有一輸入端與一輸出端，第三級放大器TSA3之輸入端電性連接於第二級轉導放大器TCA2之輸出端，以接收第二輸出訊號，再由第三級放大器TSA3之輸出端輸出第三輸出訊號TIAp。反饋電路FB之一端電性連接於第一級轉導放大器TCA1之輸入端，反饋電路FB之另一端電性連接於第三級放大器TSA3之輸出端，以穩定第三輸出訊號TIAp。其中，第三級放大器TSA3包括第一輸出級OUT1與第二輸出級OUT2所組成。

接下來要教示的，是進一步說明轉阻放大器1的工作原理。如圖1所示，本實施例之轉阻放大器1之第三級放大器TSA3係由第一 輸出級OUT1與第二輸出級OUT2所組成。第一輸出級OUT1包括電流源Is，其中電流源Is之一端電性連接於供應電壓源Vcc，以提供穩定電流，電流源Is之另一端連接於第三級放大器TSA3之輸出端。第二輸出級OUT2包括第一NMOS電晶體MN1與第二PMOS電晶體MP2。第一NMOS電晶體MN1與第二PMOS電晶體MP2之閘極相連接以形成第三級放大器TSA3之輸入端。第二PMOS電晶體MP2之源極電性連接於供應電壓源Vcc，且第二PMOS電晶體MP2之汲極與第一NMOS電晶體MN1之汲極相連接於第三級放大器TSA3之輸出端。第一NMOS電晶體MN1之源極接地。也就是說，第一輸出級OUT1屬於A類輸出級，且第二輸出級OUT2屬於AB類輸出級。此外，於本實施例中，第三級放大器TSA3可進一步包括第二NMOS電晶體MN2，如圖1所示，第二NMOS電晶體MN2之閘極與源極相連接於第三級放大器TSA3之輸出端。

於本實施例中，第一輸出級OUT1係為與一參考電壓源(未圖示)連接之電流源Is，其提之供穩定電流為定值。當前述之輸入電流源Iin開始輸入電流後，流經第一NMOS電晶體MN1之電流增加，且同時流經第二PMOS電晶體MP2之電流減少，使得第三輸出訊號TIAp之電壓值增加。最終，轉阻放大器1的輸出電壓係由反饋電路FB中的電阻器R1與R2，以及雙極性接面電晶體B1之基極-發射極電壓所控制。

值得注意地是，本實施例中，由於第三級放大器TSA3同時具有A類輸出級與AB類輸出級，故可兼具A類輸出級與AB類輸出級於電路設計上的優點。也就是說，第一輸出級OUT1的元件維持導通狀態，提供較佳的線性度，同時，第二輸出級OUT2又可進一步改善第三級放大器TSA3效率。

另一方面，於本實施例中須說明的是，第一級轉導放大器TCA1與第二級轉導放大器TCA2均為A類輸出級，且第一級轉導放大器TCA1、第二級轉導放大器TCA2與第三級放大器TSA3放大器 之間係以直接耦接之方式串聯。也就是說，第一級轉導放大器TCA1、第二級轉導放大器TCA2與第三級放大器TSA3放大器之間未有設置電容器，因此於進行電路設計時，須特別設計各電晶體之間的尺寸比例，如此一來便可以改善整體轉阻放大器對於溫度與不同製程過程的敏感度。

除此之外，請復參照圖1，本實施例中之反饋電路FB包括有雙極性接面電晶體B1與電阻器網路RC。其中，雙極性接面電晶體B1之射極電性連接於輸入電流源Iin，雙極性接面電晶體B1之基極與集極相連接於第三級放大器TSA3之輸出端。另外，電阻器網路RC係並聯於雙極性接面電晶體B1，且包括有由三個電阻器R1~R3所組成的橋接式T形網路與電容器C1，其中，電容器C1之一端電性連接於橋接式T形網路，且電容器C1之另一端接地。進一步說明，反饋電路FB可增加本實施例之轉阻放大器1的增益，其中，反饋電路FB中的雙極性接面電晶體B1係用以箝制第三輸出訊號TIAp，以穩定第三輸出訊號TIAp。

〔轉阻放大器的另一實施例〕

為了更詳細地說明本發明所述之轉阻放大器的電路設計，以下將再舉一個實施例來作更進一步的說明。

在接下來的實施例中，將描述不同於上述圖1實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。

請參照圖2，圖2是本發明另一實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。與前述圖1所繪示之實施例之間的差異在於，於本實施例中，轉阻放大器2更包括有參考電壓電路，並聯於第三級放大器TSA3，且包括定電流單元I’、第三電晶體MP3、第四電晶體MP4、第六電晶體MN6與電阻器R4。如圖2所示，定電流單元I’包含電流鏡MR與偏壓電流源I_Bias。第三電晶體MP3、第四電晶體MP4與電流鏡MR相互並聯，且第四電晶體MP4之汲極形成參 考電壓電路REF之輸出端，以輸出參考電壓訊號TIAn。除此之外，電阻器R4之一端電性連接於第六電晶體MN6之汲極與閘極，且電阻器R4之另一端電性連接於參考電壓電路REF之輸出端。

同於圖1所繪示之實施例，本實施例之第一級轉導放大器TCA1與第二級轉導放大器TCA2均為A類輸出級，而第三級放大器TSA3則同時具有A類輸出級與AB類輸出級，故可兼具A類輸出級與AB類輸出級於電路設計上的優點。亦即，第一輸出級OUT1的元件維持導通狀態，提供較佳的線性度，同時，第二輸出級OUT2又可進一步改善第三級放大器TSA3功率效率。同樣地，本實施例之第一級轉導放大器TCA1、第二級轉導放大器TCA2與第三級放大器TSA3放大器之間亦係以直接耦接之方式串聯，且各電晶體之間的尺寸比例係經由特別設計，如此一來便可改善整體轉阻放大器對於溫度與不同製程過程的敏感度。

除此之外，關於本實施例中之反饋電路FB的電路設計係同於圖1所繪示之實施例中的反饋電路，且同樣地，反饋電路FB可增加本實施例之轉阻放大器2的增益，其中，反饋電路FB中的雙極性接面電晶體B1可達到箝制第三輸出訊號TIAp，以穩定第三輸出訊號TIAp的效果。

〔轉阻放大器的另一實施例〕

為了更詳細地說明本發明所述之轉阻放大器的電路設計，以下將再舉一個實施例來作更進一步的說明。

在接下來的實施例中，將描述不同於上述圖2實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖2實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。

請參照圖3，圖3是本發明另一實施例所提供之轉阻放大器之電路圖。與前述圖2所繪示之實施例之間的差異在於，於本實施例之轉阻放大器3中，參考電壓電路REF更包括第五電晶體MP5。第五電晶體MP5並聯於定電流單元I’，並且電性連接於供應電壓 源Vcc與定電流單元I’之輸出端之間。

接著，請同時參照圖4A與圖4B，圖4A是圖2所繪示之實施例所提供之轉阻放大器中參考電壓訊號隨溫度變化之曲線圖，且圖4B是圖3所繪示之實施例所提供之轉阻放大器中參考電壓訊號隨溫度變化之曲線圖。

若溫度變化為-40度C至125度C，如圖4A所示，於圖4A中，曲線V_m顯示了轉阻放大器3之第三輸出訊號TIAp於低電位下因溫度所造成的變化，曲線V_M顯示了轉阻放大器3之第三輸出訊號TIAp於高電位下因溫度所造成的，且Ref1顯示了參考電壓訊號因溫度所造成的變化。另一方面，如圖4B所示，於圖4B中，曲線V_m顯示了轉阻放大器3之第三輸出訊號TIAp於低電位下因溫度所造成的變化，曲線V_M顯示了轉阻放大器3之第三輸出訊號TIAp於高電位下因溫度所造成的變化，且Ref2顯示了參考電壓訊號因溫度所造成的變化。

將圖4A與圖4B相比較便可得知，圖3所繪示之實施例中的參考電壓電路REF的參考電壓訊號之電壓變化率係近似或等於第三輸出訊號TIAp之電壓變化率，但圖2所繪示之實施例中的參考電壓電路REF的參考電壓訊號之電壓變化率卻不然。

進一步說明，相較於圖2所繪示之實施例中的參考電壓電路REF，圖3所繪示之實施例中的參考電壓電路REF額外設置了第五電晶體MP5，並將第五電晶體MP5並聯於定電流單元I’，且電性連接於供應電壓源Vcc與定電流單元I’之輸出端之間，如此一來便可藉由補償因溫度變化造成的電壓變化，進而使得參考電壓訊號之電壓變化率係近似或等於該第三輸出訊號之電壓變化率，以達到穩定參考電壓訊號的效果。

另須說明的是，同於圖1與圖2所繪示之實施例，本實施例之第一級轉導放大器TCA1與第二級轉導放大器TCA2亦均為A類輸出級，而第三級放大器TSA3也同時具有A類輸出級與AB 類輸出級，故可兼具A類輸出級與AB類輸出級於電路設計上的優點。亦即，第一輸出級OUT1的元件維持導通狀態，提供較佳的線性度，同時，第二輸出級OUT2又可進一步改善第三級放大器TSA3的功率效率。同樣地，本實施例之第一級轉導放大器TCA1、第二級轉導放大器TCA2與第三級放大器TSA3放大器之間亦係以直接耦接之方式串聯，且各電晶體之間的尺寸比例係經由特別設計，如此一來便可改善整體轉阻放大器對於溫度與不同製程過程的敏感度。

除此之外，關於本實施例中之反饋電路FB的電路設計係同於圖1與圖2所繪示之實施例中的反饋電路FB，且同樣地，反饋電路FB可增加本實施例之轉阻放大器3的交流增益，其中，反饋電路FB中的雙極性接面電晶體B1可達到箝制第三輸出訊號TIAp，以穩定第三輸出訊號TIAp的效果。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提出之轉阻放大器藉由設置以第一輸出級與第二輸出級所組成之第三級放大器，其中，第一輸出級之電路設計係屬於A類輸出級，且第二輸出級之電路設計係屬於AB類輸出級，如此一來，便可使得轉阻放大器同時具有A類放大器與AB類放大器之優勢，得以縮短轉阻放大器之傳輸延遲的時間。另一方面，於本發明實施例所提出之轉阻放大器之參考電壓電路中，第五電晶體係被設置並聯於定電流單元，且電性連接於供應電壓源與定電流單元之輸出端之間，以改善參考電壓訊號因溫度變化或不同製程方式所造成的不穩定。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧轉阻放大器

Iin‧‧‧輸入電流源

Is‧‧‧電流源

TCA1‧‧‧第一級轉導放大器

TCA2‧‧‧第二級轉導放大器

TSA3‧‧‧第三級放大器

OUT1‧‧‧第一輸出級

OUT2‧‧‧第二輸出級

TIAp‧‧‧第三輸出訊號

MN1‧‧‧第一NMOS電晶體

MN2‧‧‧第二NMOS電晶體

MP2‧‧‧第二PMOS電晶體

FB‧‧‧反饋電路

RC‧‧‧電阻器網路

B1‧‧‧雙極性接面電晶體

C1‧‧‧電容器

R1、R2、R3‧‧‧電阻器

Vcc‧‧‧供應電壓源

Claims (5)

1. 一種轉阻放大器，包括：一第一級轉導放大器，具有一輸入端與一輸入端，該第一級轉導放大器之輸入端電性連接於一輸入電流源，以接收一第一輸入訊號，再由該第一級轉導放大器之輸出端輸出一第一輸出訊號；一第二級轉導放大器，具有一輸入端與一輸入端，該第二級轉導放大器之輸入端電性連接於該第一級轉導放大器之輸出端，以接收該第一輸出訊號，再由該第二級轉導放大器之輸出端輸出一第二輸出訊號；以及一第三級放大器，具有一輸入端與一輸出端，該第三級放大器之輸入端電性連接於該第二級轉導放大器之輸出端，以接收該第二輸出訊號，再由該第三級放大器之輸出端輸出一第三輸出訊號；一反饋電路，其一端電性連接於該第一級轉導放大器之輸入端，其另一端電性連接於該第三級放大器之輸出端，以穩定該第三輸出訊號，該反饋電路包括：一雙極性接面電晶體，其射極電性連接於該輸入電流源，其基極與集極相連接於該第三級放大器之輸出端；以及一電阻器網路，並聯於該雙極性接面電晶體；其中，該第三級放大器包括：一第一輸出級，該第一輸出級包括一電流源，該電流源電性連接於一供應電壓源與該第三級放大器之輸出端；以及一第二輸出級，包括一第一NMOS電晶體與一第二PMOS電晶體，該第一NMOS電晶體與該第二PMOS電晶體之閘極相連接以形成該第三級放大器之輸入端，該第二 PMOS電晶體之源極電性連接於該供應電壓源，該第二PMOS電晶體之汲極電性與該第一NMOS電晶體之汲極相連接於該第三級放大器之輸出端，且該第一NMOS電晶體之汲極接地。
2. 如請求項第1項所述之轉阻放大器，其中，該電阻器網路係為一橋接式T形網路與一電容器，該橋接式T形網路包括三個電阻器，該電容器之一端電性連接於該橋接式T形網路，且該電容器之另一端接地。
3. 如請求項第1項所述之轉阻放大器，其中，該第一級轉導放大器、該第二級轉導放大器與該第三級放大器之間係以直接耦接之方式串聯。
4. 如請求項第1項所述之轉阻放大器，更包括一參考電壓電路，並聯於該第三級放大器，且該參考電壓電路包括一定電流單元、一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體、一第六電晶體與一電阻器；其中，該定電流單元包含一電流鏡與一偏壓電流源，該第五電晶體並聯於該定電流單元且電性連接於該供應電壓源與該參考電壓電路之輸出端之間，該電阻器之一端電性連接於該第六電晶體之源極與閘極，且該電阻器之另一端電性連接於該參考電壓電路之輸出端，該第三電晶體、該第四電晶體與該電流鏡相互並聯，該第四電晶體之汲極形成該參考電壓電路之輸出端，以輸出一參考電壓訊號。
5. 如請求項第4項所述之轉阻放大器，該參考電壓訊號之電壓變化率係近似或等於該第三輸出訊號之電壓變化率。