專利名稱：帶有執行電源信號調整的信號放大電路的互阻抗放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及互阻抗放大器，更具體地說，涉及帶有信號放大電路的互阻抗放大器。
背景技術：
互阻抗放大器在許多應用中都是很有用的。一種設計互阻抗放大器(TIA)的方法是直接把放大級和供電軌(power supply rail)(例如，V_CC)相連接。在這種方法中，互阻抗放大器不具有任何用于放大級的電源調整的電路。這類沒有電源調整的TIA的一個缺點在于TIA表現出較差的電源抑制力。
另一種設計互阻抗放大器(TIA)的方法是利用分流穩壓器來提高TIA的電源抑制力。可以理解，雖然帶有分流穩壓器的TIA相比第一種方法而言具有更好的電源抑制力，但是需要附加的電流來維持放大器級的內部電源調整。這個附加電流對放大器級的信號帶寬沒有貢獻并且實質上為了得到良好的電源抑制而被浪費掉了。
TIA的設計方法的另一個示例在如下的題為“A Novel CMOSTransimpedance Amplifier for DVD Application(用于DVD應用的新型CMOS互阻抗放大器)”，Sau-Mou Wu，Chung-Yuan Chen，ECCTD’03-European Conference on Circuit Theory and Design(歐洲電路理論和設計會議)，2003年9月1-4，Cracow，Poland，pages 233-236中被提出。
目前的三級互阻抗放大器電路體系結構的一個缺點在于該體系結構把電流從主晶體管放大器轉移到gm-連接的負載上。因此，需要相對較多的電流來產生滿足放大器性能需求所需的增益。
目前的三級互阻抗放大器電路體系結構的另一個缺點在于該體系結構利用內部軌(internal rail)上的調整器來進行噪聲抑制，但是該調整器需要通過單獨的放大器來把附加電流分流到地。因此這種設計需要更多的電流并且也需要附加的電路元件來實現所述單獨的放大器。
在互阻抗放大器電路的設計中的其他難題包括減少放大器的電流消耗，據此減少電路的功耗，同時提高互阻抗放大器的帶寬。
基于前述的討論，仍然需要克服了前面所提到的缺點的帶有自偏置調整器的互阻抗放大器。
發明內容
根據本發明的一個實施例，描述了一種帶有自偏置調整器的互阻抗放大器。所述進行信號放大的互阻抗放大器包括接收輸入信號的第一輸入端、接收電源信號的第二輸入端、接收控制信號的第三輸入端以及產生輸出信號的輸出端。所述互阻抗放大器包括至少一個信號放大電路，所述信號放大電路接收電源信號、輸入信號和控制信號并且響應于控制信號執行對輸入信號的放大和對電源信號的調整。
附圖中以示例性而不是限制性方式示出了本發明，并且在附圖中相似的標號指示相似的元件。
圖1示出了根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的框圖。
圖2更詳細的示出了根據本發明第一實施例的圖1的集成放大電路和電源調整器。
圖3示出了根據本發明第二實施例的圖2的互阻抗放大器的示例性電路實現方式。
圖4的流程圖示出了根據本發明一個實施例的互阻抗放大器所執行的方法。
圖5示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光耦合器應用的框圖。
圖6示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光傳感器應用的框圖。
圖7示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光學介質應用的框圖。
具體實施例方式
本發明描述了一種帶有自偏置調整器的互阻抗放大器。在下面的描述中，為了解釋的目的，給出了大量具體的細節以提供對本發明的全面理解。然而對于本領域的技術人員應當清楚本發明可以在沒有這些具體細節的情況下實行。在其它的例子中，為了避免對本發明造成不必要的混淆，以框圖的形式示出了公知的結構和設備。
根據本發明的一個實施例，提供了一種帶有既保存了電流又不犧牲帶寬的自偏置調整器的互阻抗放大器。
帶有自偏置調整器的互阻抗放大器100圖1示出了根據本發明一個實施例的互阻抗放大器(TIA)100的框圖。互阻抗放大器(TIA)100包括產生信號(例如，電流信號，I_top)的電流源110。電流源110包括耦合到第一預定信號(例如，電源信號，V_DD)的第一電極和耦合到電源節點(例如，S_bias節點)112的第二電極。
互阻抗放大器(TIA)100還包括參考信號設置電路(RSSC)120，其包括耦合到控制節點122(例如，V_bias節點或V_ctrl節點)的第一電極和耦合到第二預定信號(例如，地信號)的第二電極。在一個實施例中，在下文中將參考圖3進行更詳細的描述，S_bias節點112和V_bias節點122是不同的節點。在可替換實施例中，S_bias節點112和V_bias節點122可以是相同的節點。
互阻抗放大器(TIA)100還包括集成放大電路和電源調整器140。集成放大電路和電源調整器140包括為輸入信號134提供信號放大的放大電路144和調整電源信號118(例如，通過提供電源噪聲抑制)的調整電路148。注意放大電路144和調整電路148可以共享一個或多個晶體管。互阻抗放大器100還包括提供輸出信號160的輸出電極。
反饋元件150包括耦合到輸入節點132的第一電極和耦合到集成放大電路和電源調整器140的輸出節點162的第二電極。
集成放大電路和電源調整器140包括接收輸入信號134的第一輸入端、接收電源信號118的第二輸入端、接收控制信號124的第三輸入端以及產生輸出信號160的輸出端。
根據一個實施例，至少有一個接收電源信號118、輸入信號134和控制信號124的信號放大電路(例如，增益級)響應于控制信號124，執行對輸入信號134的放大和對電源信號118的調整。
根據一個實施例，集成放大電路和電源調整器140包括利用供電信號(例如，電流源信號，I_top)進行信號放大和電源信號調整的機構(例如，至少一個增益級)。在這一點上，互阻抗放大器在這里也指的是帶有自偏置調整器的TIA，因為不需要單獨的偏置電流來操作調整電路148。
輸入元件130包括耦合到預定信號(例如，地電壓信號)的第一電極和耦合到輸入節點132的第二電極，所述輸入節點132耦合到集成放大電路和電源調整器140。輸入元件130可以是傳感器元件，例如光電二極管、電流發生傳感器或者其他產生要被檢測的信號(例如，電流信號)的傳感設備。
圖2更詳細的示出了根據本發明第一實施例的圖1的集成放大電路和電源調整器140。放大電路144可以包括單級或者多級。例如，放大電路144可以具有“n”級。在一個示例中，互阻抗放大器100包括三級(例如n＝3)第一級210、第二級220和第三級230。
第一級210可以是增益級，第二級220也可以是增益級。第三級230可以是輸出級。在一個示例中，輸出級230是AB類輸出級，其結構和操作對于本領域的技術人員都是公知的。在下文中將參考圖3更詳細的描述第一級210、第二級220和第三級230的示例性實現方式。
注意電流源110提供預定信號(例如，電流信號，I_top)給互阻抗放大器的各級。優選地，為了提高電源噪聲抑制，電流源170為電源V_DD提供高阻抗，從而實現非常有利的電路對噪聲的免疫。
第一放大器級210是三級CMOS放大器的第一級。第一放大器級210包括接收輸入信號134的第一輸入端和接收控制信號(例如，V_CTRL)124的第二輸入端。例如，控制信號可以控制提供給第一級210、第二級220和第三級230的電流。在一個實施例中，放大級所需要的電流隨控制信號124(例如，控制電壓信號)單調的變化。在一個實施例中，加偏壓到放大級的電流由控制信號控制。利用電源調整反饋實現該電流與I_top所提供的電流之間的均衡。集成放大電路和電源調整器充當或操作為分路穩壓器，所述分路穩壓器與互阻抗放大器100的放大或增益級集成在一起。
第二放大器級220耦合到第一級210并且提供進一步的信號放大。第三級可以用具有更好的負載驅動能力的AB類輸出級來實現。第三級230的輸出(O/P)可以利用互阻抗反饋元件150耦合到第一級210的輸入端。在一個示例中，互阻抗反饋元件150可以利用電阻器并聯電容器來實現。
互阻抗放大器100還包括射極跟隨電路240。電流源110產生預定電流(例如I_top)，該預定電流在三個電流通路之間分流。例如，放大器的每一級都分別有電流通過。例如，預定電流，I_top，可以被分流為I1、I2和I3。
示例性電路實現方式圖3示出了根據本發明一個實施例的圖2的互阻抗放大器的示例性電路實現方式。參考圖2注意到，TIA包括三級放大器設計，其包括第一級、第二級和第三級。第一級用晶體管M1來實現，且晶體管M1的負載用晶體管M101來實現。第二級用晶體管M2來實現，且晶體管M2的負載用晶體管M102來實現。第三級用晶體管M3來實現，且晶體管M3的負載用晶體管M5來實現。
第一級包括增益元件(例如，晶體管M1)和相應的負載(例如，晶體管M101)。類似地，第二級包括增益元件(例如，晶體管M2)和相應的負載(例如，晶體管M102)。第三級包括帶有負載(例如，晶體管M5)的晶體管M3，該負載耦合到可以是電阻性的、電容性的或者既是電阻性又是電容性的(例如，RL、CL或兩者)負載(未示出)上。
反饋元件R_f和C_f耦合在輸出節點和輸入節點之間。晶體管M99和M100用來實現參考信號設置電路120。可以利用晶體管M99和M100來影響或設置在V_bias節點和S_bias節點處的信號。
現在將描述電流I1、I2和I3是如何建立、確定或設置的。
設置電流I1和I2電流I1和電流I2由V_bias節點處的V_bias信號(也稱為V_cntrl信號)設置。V_bias信號(例如，V_bias電壓信號)由參考信號設置電路120確定。參考信號設置電路120設置到放大器模塊的內部供應信號(例如，DC電壓電平)。另外，可以提供并聯的電容器分流設備作為低通濾波器來抑制從電源節點注入到放大器的噪聲。
在這個實施例中，V_bias信號設置電路120用層疊二極管結構來實現。例如，層疊二極管結構可以是多層MOS二極管與分流電容器并聯。在一個實施例中，層疊二極管結構包括堆疊在晶體管M99上的晶體管M100。注意晶體管M99和M100每個都具有漏電極、柵電極和源電極。對于晶體管M99和M100，漏電極耦合到柵電極以實現串聯的兩個二極管。注意這可以用其它設置V_bias信號(例如，V_bias電壓信號)的公知電路來實現。
確定電流I3電流I3由電流鏡確定，該電流鏡在本實施例中用晶體管M4和M5實現。在這個實施例中，互阻抗放大器100包括這樣的電路拓撲結構，其中晶體管M101是第一級210的負載。類似地，晶體管M102是第二級220的負載。第一增益晶體管可以用晶體管M1實現，第二增益晶體管可以用晶體管M2實現。由于負載連接在增益晶體管的上面，所以注意相同的電流流經晶體管M101和晶體管M1。類似地，注意相同的電流流經晶體管M102和晶體管M2。在這一點上，每一級的增益就是負載晶體管和增益晶體管的增益的比。例如，第一級的增益是晶體管M101的增益和晶體管M1的增益的比。類似地，第二級的增益是晶體管M102的增益和晶體管M2的增益的比。
晶體管M1、晶體管M2和晶體管M3是放大晶體管(這里也稱為增益晶體管)。晶體管M99和晶體管M100設置負載的V_bias節點處的V_bias信號(例如，V_bias電壓信號)。晶體管M4和晶體管M5具有雙重功能。首先，晶體管M4和晶體管M5為放大器提供前向反饋通路。其次，晶體管M4和晶體管M5還把電流(例如，流經晶體管M102的電流)映射到第三級230(也稱為輸出級)。晶體管M101和晶體管M102分別是晶體管M1和晶體管M2的負載(例如，二極管連接的負載)。
晶體管M0為調整器提供反饋通路。在一個實施例中，互阻抗反饋元件150用電阻器(R_f)并聯電容器(C_f)來實現。電阻器R_f是反饋元件。電容器C_f是互阻抗放大器的補償電容器。V_bias信號設置電路120用包括晶體管M99和晶體管M100的層疊二極管結構來實現。
調整器操作根據一個實施例，調整器148的操作如下。例如，當S_bias信號由于正瞬變而上升時，晶體管M0感應到這個上升并且依此引起V_bias信號上升。注意晶體管M0作為射極跟隨器，這里源電極跟隨柵電極處的信號。V_bias信號(例如，V_bias節點處的電壓信號)的上升引起流經晶體管M101的電流增大。例如，流經晶體管M101的漏電流增大，從而使S_bias節點上的信號降低。S_bias軌上的降低通過校正或補償S_bias信號的上升來調整S_bias節點處的信號(例如，電壓信號)。
V_bias信號(例如，V_bias節點處的電壓信號)的上升還引起晶體管M2的柵電極處的信號(例如，柵極電壓信號)增大。隨著晶體管M2的柵電極處的信號增大或上升，流經晶體管M2的電流(例如，晶體管M2的漏電流)增大，從而引起流經晶體管M4的電流和流經晶體管M5的電流增加或上升。流經晶體管M4和M5的電流的增大還通過降低S_bias信號(例如，S_bias節點處的電壓信號)來補償正瞬變。
對于負瞬變發生類似但相反的動作。例如，當S_bias信號由于負瞬變而下降或降低時，例如晶體管M0感應到這個下降或降低并且依此引起V_bias信號降低或下降。注意晶體管M0作為射極跟隨器，這里源電極跟隨柵電極處的信號。V_bias信號(例如，V_bias節點處的電壓信號)的下降引起流經晶體管M101的電流降低。例如，流經晶體管M101的漏電流降低，從而使S_bias節點上的信號增大。增大S_bias軌上的信號通過校正或補償S_bias信號的下降或降低來調整S_bias節點處的信號(例如，電壓信號)。
V_bias信號(例如，V_bias節點處的電壓信號)的下降或降低還引起晶體管M2的柵電極處的信號(例如，柵極電壓信號)降低或下降。隨著晶體管M2的柵電極處的信號降低或下降，流經晶體管的電流(例如，晶體管M2的漏電流)降低，從而引起流經晶體管M4的電流和流經晶體管M5的電流同樣地降低。流經晶體管M4和M5的電流的降低還通過增大S_bias信號(例如，S_bias節點處的電壓信號)來補償負瞬變。
注意整個電路140用于調整電流。根據本發明的TIA用于調整它自身的電源來提供噪聲抑制。換個說法，被用于電源調整的電流也被用于信號放大，從而得到了與現有技術的TIA相比最佳的電源使用率。
還要注意每一級中的電流分支依晶體管的增益比按比例確定。由頂部電流源提供的電流I_top根據驅動器設備的尺寸進行分流，從而使得n-級放大器的電極位置可以在不同的處理條件下進行管理和控制。
隨著處理工藝的縮短，電路的速度就提高了。當用更小的幾何圖形來度量時，最小的電源動態余量(headroom)需求也降低了。這個動態余量可以用電平移動元件(例如，晶體管M0)來調節。這個實施例確保了簡單的不依賴于處理屬性的設計實現。例如，用這種配置可以實現低電源電壓。換種說法，這個實施例提供了適當的電路操作所需要的最低可能的電源狀況。
根據本發明的TIA具有節省功耗、提高速度的性能或者他們的組合。在特定速度下，該TIA利用更低的電流來實現與現有技術的TIA拓撲結構相比相同的速度。由于根據本發明的TIA不需要附加的調整電路，而且由于二極管負載不與地相連所以在每一級都沒有電流被浪費掉，因此根據本發明的TIA因不需要附加的電源調整電路而具有更高的速度、更低的功耗并且節省了尺寸。
帶有自偏置調整器的互阻抗放大器所執行的處理圖4的流程圖示出了根據本發明一個實施例的互阻抗放大器執行的方法。在步驟410中，根據本發明的互阻抗放大器接收要被測量的第一輸入信號(例如，光電檢測器所產生的電流信號)。在步驟420中，根據本發明的互阻抗放大器從節點(例如，提供V_int信號的電流源的節點)處接收第二輸入信號。在步驟430中，根據本發明的互阻抗放大器從節點(例如，提供V_cntrl信號的電流源的節點)處接收第三輸入信號。在步驟440中，根據本發明的互阻抗放大器基于第一、第二和第三輸入信號產生輸出信號。在步驟450中，互阻抗放大器(例如，至少一個增益級)被用來執行對輸入信號的放大和對電源的調整(例如，電源噪聲抑制)。
光學隔離應用圖5示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光學隔離應用500(例如，光耦合器應用)的框圖。光學隔離應用500包括分離光源510和傳感器(例如，光電檢測器或光電二極管)520的光阻隔器。根據本發明的互阻抗放大器(TIA)530可以耦合到傳感器520。反饋元件可以與TIA 530并聯耦合。
光學隔離應用一般具有中等的速度性能和中等到較高的功率消耗。例如，光學隔離應用比磁隔離應用具有更好的安全性和隔離性能。本專利申請的受讓人是光學隔離產品和解決方案的提供者。根據本發明的TIA使得光學隔離應用具有更高的性能(例如，保持光學通道的隔離屬性)和更低的電源需求(例如，磁隔離解決方案的電源需求)。
光電二極管前置放大器應用圖6示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光傳感器應用600的框圖。光傳感器應用600可以是但不限于紅外接收器、環境光傳感器和近距離傳感器604。傳感器620(例如，光電檢測器和光電二極管)被用來檢測光。根據本發明的互阻抗放大器(TIA)630可以耦合到傳感器620。反饋元件可以與TIA 630并聯耦合。受讓人是這種產品和解決方案的制造者。
光學介質應用圖7示出了可以利用根據本發明一個實施例的互阻抗放大器的光學介質應用700的框圖。光學介質應用700包括光學介質704和產生光的光源(例如，激光器)708，所述光入射到介質704上并且由此被反射給傳感器(例如，光電檢測器或光電二極管)720。在一個實施例中，這可以在光學介質閱讀前置放大器714中實現。例如，根據本發明的互阻抗放大器(TIA)730可以耦合到傳感器720。反饋元件740可以與TIA 730并聯耦合。
根據本發明的帶有自偏置調整器的TIA可以被包含在各種不同的電子設備中，這些電子設備包括但不限于光耦合器、光學介質應用、傳感器前置放大應用、紅外收發器、近距離傳感器和光學介質應用。
注意根據本發明的機構(例如利用電流源信號進行信號放大和電源信號調整的機構，包括帶有不接地負載的至少一個增益級的機構以及利用至少一個增益級來放大輸入信號和通過執行電源信號噪聲抑制來調整電源信號的機構)不限于上述實施例和應用，而是可以被用于對其它類型的應用執行放大和調整功能。
在前述說明書中，已經參考具體實施例對本發明進行了描述。然而，很明顯可以進行各種修改和變化而不脫離本發明的更寬的范圍。因此，說明書和附圖應被當作是示例性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種互阻抗放大器，包括接收輸入信號的第一輸入端；接收電源信號的第二輸入端；接收控制信號的第三輸入端；產生輸出信號的輸出端；以及至少一個信號放大電路，所述信號放大電路接收所述電源信號、輸入信號和控制信號并且響應于所述控制信號執行對所述輸入信號的信號放大和對所述電源信號的調整。
2.如權利要求1所述的互阻抗放大器，還包括利用電源信號進行信號放大和電源信號調整的機構。
3.如權利要求2所述的互阻抗放大器，其中所述機構利用電流源信號。
4.如權利要求1所述的互阻抗放大器，還包括響應于所述輸入信號提供所述輸出信號的一個或多個增益級。
5.如權利要求1所述的互阻抗放大器，其實現在光學隔離應用中。
6.如權利要求1所述的互阻抗放大器，其實現在光傳感器應用和光傳感器前置放大器之一中。
7.如權利要求1所述的互阻抗放大器，其實現在光學介質應用中。
8.一種系統，包括光傳感器，用于響應于光能量產生輸入電流信號；以及互阻抗放大器，用于響應于所述輸入電流信號產生輸出信號；其中所述互阻抗放大器包括至少一個增益級；并且其中所述互阻抗放大器包括與所述增益級共享至少一個晶體管的自偏置調整器。
9.如權利要求8所述的系統，其中所述互阻抗放大器包括多個增益級以響應于輸入信號提供輸出信號。
10.如權利要求9所述的系統，其中所述互阻抗放大器還包括反饋電路，以響應于所述輸出信號改變所述輸入信號和所述輸出信號之間的放大增益。
11.如權利要求8所述的系統，其中所述互阻抗放大器還包括控制所述自偏置調整器的參考信號設置電路。
12.如權利要求8所述的系統，還包括產生電流I_top的電流源；其中所述增益級利用所述電流的至少一部分進行信號放大；并且其中所述自偏置調整器利用所述電流的一部分進行電源信號的調整。
13.如權利要求8所述的系統，其中所述自偏置調整器利用所述電流的一部分來抑制電源噪聲。
14.如權利要求8所述的系統，其中所述光傳感器包括光電二極管和光電檢測器之一。
15.如權利要求8所述的系統，其實現在光學隔離應用中。
16.如權利要求8所述的系統，其實現在光傳感器應用和光傳感器前置放大器之一中。
17.如權利要求8所述的系統，其實現在光學介質應用中。
18.一種方法，包括接收輸入信號；接收電源信號；接收控制信號；基于所述輸入信號、電源信號和控制信號產生輸出信號；以及響應于所述控制信號執行對所述輸入信號的信號放大和對所述電源信號的調整。
全文摘要
本發明提供了一種執行信號放大的互阻抗放大器，其包括接收輸入信號的第一輸入端、接收電源信號的第二輸入端、接收控制信號的第三輸入端和產生輸出信號的輸出端。所述互阻抗放大器包括至少一個信號放大電路，其接收所述電源信號、輸入信號和控制信號并且響應于所述控制信號執行對所述輸入信號的信號放大和對所述電源信號的調整。
文檔編號H03F3/08GK1832338SQ20051012764
公開日2006年9月13日 申請日期2005年12月6日 優先權日2005年3月12日
發明者柯福忠, 林國強 申請人:安捷倫科技有限公司