專利名稱：互阻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電領(lǐng)域，特別涉及一種互阻放大器。
背景技術(shù)：
數(shù)字視盤機(DVD、 VCD等)的光學(xué)頭(Optical Pick-UP, OPU )是光學(xué)存 儲系統(tǒng)的主要組成部分之一，其需要光電探測集成電路(Photo Detector Integrated Circuit, PDIC )將光接收器、控制和反饋電路集成在同一個芯片上， 用以進行光學(xué)信號探測、光電信號轉(zhuǎn)換和信號放大。
請參考

圖1，是一種現(xiàn)有技術(shù)的DVD光電檢測集成電路結(jié)構(gòu)示意圖。其 中A、 B、 C、 D、 E和F是六個光電二極管，用于探測盤片的反射光信號并通 過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號，從而讀取盤片的信息和聚焦、循跡伺服控 制信號。與該六個光電二極管連接的各個通道主要由前置放大電路組成，用于 微弱電流信號的放大和電流到輸出電壓信號的轉(zhuǎn)換。用于光電探測集成電路中 的互補金屬氧4b物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)放大器，以下簡稱CMOS放大器，其主要有三種類型低阻抗放大 器、高阻抗放大器和互阻放大器。低阻抗放大器由于性能較低而較少應(yīng)用。高 阻抗放大器在該三種結(jié)構(gòu)中靈敏度最好，但是要求額外的電路并且限制系統(tǒng)的 動態(tài)范圍和直流響應(yīng)?；プ璺糯笃鲬?yīng)用最為普遍，因為其很簡單，在典型應(yīng)用 中將其設(shè)計為兩級以獲得更低的電壓偏置。
請參考圖2,是一種現(xiàn)有技術(shù)的采用CMOS互阻放大器的光電集成電路的 結(jié)構(gòu)示意圖。該光電集成電路100中的光電二極管2接收探測盤片的反射光信 號，產(chǎn)生輸入電流I,力，互阻放大器1將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號V。 ,。該互阻 放大器1提供較高的帶寬，但是額外噪聲使得它的靈敏度有所降低。互阻放大 器的性能的衡量標準主要是等效輸入電流噪聲，頻率響應(yīng)特性以及穩(wěn)定性等。
請參考圖3，是圖2中CMOS互阻放大器1的電路結(jié)構(gòu)示意圖。該CMOS 互阻放大器1包括PMOS管M3、 M6及M9和NMOS管Ml 、 M2、 M4、 M5、 M7、 M8組成的三級CMOS反相器和由互阻^構(gòu)成的反饋環(huán)路。以NMOS
管Ml 、 M2和PMOS管M3組成的單級反相器舉例說明。該電路單級反相器 的開環(huán)直流增益定義為
<formula>formula see original document page 5</formula>^ff'2 十g"、2 "*~g".v3 ^m2
同時NMOS管Ml, M2和PMOS管M3的寬長比定義為:
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
由圖3中可得出由于互阻^構(gòu)成的反饋環(huán)路使得輸出節(jié)點的電壓等于
輸入節(jié)點的電壓，MOS管工作在飽和區(qū)，因此跨導(dǎo)值為 &=2/U) (3)
所以得出結(jié)論
PMOS管M3的電流流入到NMOS管M1 ， M2 ，因此有 <formula>formula see original document page 5</formula>腿 結(jié)合上面(4)、 (5)兩式，可以得出
(4)<formula>formula see original document page 5</formula>
(5)<formula>formula see original document page 5</formula>
化
(6)<formula>formula see original document page 5</formula>
由(6)式可以得到，單級放大器的直流增益主要取決于NMOS管Ml, M2和PMOS管M3， NMOS管M2的寬長比的比值，與其他各MOS管具體 的寬、長無關(guān)。
因此，假定三級CMOS反相器配置相同，則三級CMOS反相器的開環(huán)增 益為^*<，從而得出互阻放大器的帶寬為 l + A
冊=
(7)<formula>formula see original document page 5</formula>
其中C7為光電二極管的電容與放大器的輸入級寄生電容的并聯(lián)值。
但是，該種CMOS互阻放大器1的電路具有缺陷，若給定該CMOS互阻 放大器l的帶寬，為得到最大的靈敏度，互阻^需取最大值，由(7)式可得 4也需取最大值。但是增益j。的值受穩(wěn)定因素的限制，4的增加使得高階極 點向原點移動，從而減小相位裕度。CMOS互阻放大器1的電路的帶寬容易受 外部環(huán)境因素如電源和過程參數(shù)等的波動影響而降低。在反饋回路中只有一個 反饋電阻~,在頻率響應(yīng)中會出現(xiàn)大的諧振峰，當信號頻率高時電路穩(wěn)定性 較差。同時參考圖4，是圖2的給出電路輸出頻率響應(yīng)和輸出脈沖電壓仿真示 意圖。由圖4中可以看出由于電路受到外部因素的影響導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，從 而頻率響應(yīng)有較大波動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電路穩(wěn)定性較高的高帶寬互阻放大器。
一種互阻放大器，用于將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，其單級放大電路包括 第一晶體管和第二晶體管，該第一、第二晶體管的柵極連接作為輸入端用以輸 入信號，其漏極互相連接，該第一晶體管的源極接地，該第二晶體管的源極與 第一電源連接，其中，該單級放大電路還包括第三晶體管和第四晶體管，該 第三晶體管的柵極和源極、第四晶體管的源極與第二晶體管的源極連接，該第 三、第四晶體管的漏極與第二晶體管的漏極連接作為輸出端用以輸出信號，該 第四晶體管的柵極接地，當與該互阻放大器連接的光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化成 電流信號輸入至該互阻放大器時，該第三、第四晶體管可通過增加第一晶體管 的電流來增加光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明互阻放大器的第一種改進在于該第一晶體管是NMOS晶體管， 該第二、第三和第四晶體管是PMOS晶體管。
本發(fā)明互阻放大器的第二種改進在于該互阻放大器包括一個反饋網(wǎng)絡(luò)， 該反饋網(wǎng)絡(luò)包括一個第五晶體管，其柵極接地，其源極和漏極分別與輸出端和 輸入端連接，該第五晶體管可以保障該互阻放大器輸出電壓的穩(wěn)定性。
本發(fā)明互阻放大器的第三種改進在于該第五晶體管是PMOS晶體管。
本發(fā)明互阻放大器的第四種改進在于該反饋網(wǎng)絡(luò)還包括第一電容，該第
一電容的兩端分別與該互阻放大器的輸入輸出端連接，該第一電容可使該互阻 放大器的頻率響應(yīng)平坦化。
本發(fā)明互阻放大器的第五種改進在于該反饋網(wǎng)絡(luò)還包括一個寄生電容補 償模塊，該寄生電容補償模塊包括第六晶體管，第七晶體管和第二電容，該第 六晶體管的柵極與該互阻放大器的輸入端連接，其源極與該互阻放大器的輸出 端連接，其漏極與第二電容的一端連接；該第七晶體管的柵極與該互阻放大器 的輸出端連接，其源極接地，其漏極與第二電容的另一端連接，該寄生電容補
償模塊可以使該互阻放大器獲得足夠的相位裕度以保持電路穩(wěn)定。
本發(fā)明互阻放大器的第六種改進在于該第六晶體管和第七晶體管均為 PMOS晶體管。
本發(fā)明互阻放大器的第七種改進在于該第二電容兩端連接第二電壓源。 本發(fā)明互阻放大器的第八種改進在于該互阻放大器采用0.6;/mCMOS工
藝
本發(fā)明互阻放大器的第九種改進在于該第五晶體管的等效電阻值是 12"2,第一 第七晶體管均為最小的溝道長度，第一電容的值為lpf。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明第三晶體管和第四晶體管可以提高輸入端的電 壓，從而提高與本發(fā)明互阻放大器連接的光電二極管正負兩極之間的反向電 壓，從而提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)有技術(shù)圖3中的電路的帶寬容易 受電源和過程參數(shù)波動的影響，而本發(fā)明通過增加第四晶體管來消除這些外部 環(huán)境因素的影響。本發(fā)明通過增加反饋環(huán)路中的第二電容和寄生電容補償模 塊，可以獲得更加平坦的頻率響應(yīng)，從而提高電路的穩(wěn)定性。
附困說明
圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的DVD光電檢測集成電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是一種現(xiàn)有技術(shù)的采用CMOS互阻放大器的光電集成電路的結(jié)構(gòu)示 意圖。
圖3是圖2中CMOS互阻放大器1的電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是圖2的給出電路輸出頻率響應(yīng)和輸出脈沖電壓仿真示意圖。 圖5是采用本發(fā)明CMOS互阻放大器的光電集成電路的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是圖5中的互阻放大器IO的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是圖6中的寄生電容補償模塊81的具體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是圖6中的輸出頻率響應(yīng)和輸出脈沖電壓仿真示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附.圖和具體實施方式
，進一步說明本發(fā)明。
請參考圖5,是采用本發(fā)明CMOS互阻放大器的光電集成電路的結(jié)構(gòu)示意 圖。該光電集成電路200包括光電二極管20和包括反饋網(wǎng)絡(luò)8的互阻放大器 10,該光電二極管20接收探測盤片的反射光信號，產(chǎn)生輸入電流I,",互阻放 大器IO將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號V咖。
請一并參考圖6和圖7，圖6是圖5中的互阻放大器IO的電路結(jié)構(gòu)示意 圖。圖7是圖6中的寄生電容補償模塊81的具體結(jié)構(gòu)示意圖。該互阻放大器 10包括三級CMOS反相器和反饋網(wǎng)絡(luò)8。該第一級CMOS反相器5包括NMOS 管M11和PM0S管M12、 M13及M14,該PMOS管M12、 M13和M14的源 極和漏極分別連接，且相應(yīng)的源極與電源Vcc連接，PMOS管M13的柵級接 地，PMOS管M14和NMOS管Mil的柵極連接并作為該互阻放大器10的輸 入端輸入電流Ipd，PMOS管M13的漏極為該第一級CMOS反相器5的輸出端。 同理，該第二級CMOS反相器6的結(jié)構(gòu)與第 一級CMOS反相器5的結(jié)構(gòu)相同， 其包括NMOS管M15和PMOS管M16、 M17及M18, PMOS管Ml6、 M17 及M18的源極和漏極分別連接，且相應(yīng)的源極與電源Vcc連接，PMOS管M17 的柵級接地，PMOS管M18和NMOS管M15的柵極連接并與第一級CMOS 反相器5的輸出端PMOS管M13的漏極連接。同理，該第三級CMOS反相器 7的結(jié)構(gòu)與第一級、第二級CMOS反相器6的結(jié)構(gòu)相同，其包括NMOS管M19 和PMOS管M20、 M21及M22, PMOS管M20、 M21及M22的源極和漏極 分別連接，且相應(yīng)的源極與電源Vcc連接，PMOS管M21的柵級接地，PMOS 管M22和NMOS管M19的柵極連接并與第二級CMOS反相器6的輸出端 PMOS管M17的漏極連接。該PMOS管M21的漏極作為該互阻放大器10的 輸出端輸出電壓Vout。該反饋網(wǎng)絡(luò)8包括電容^ 、 PMOS管Mft和寄生電容 補償模塊81 。該PMOS管Mft的柵極接地，漏極和源極與電容(，的兩端及該 寄生電容補償模塊81的輸入端和輸出端連接。該寄生電容補償模塊81包括
PMOS管Mcl、 Mc2和電容Cc。該PMOS管Mcl的柵極為輸入端與PMOS 管M14的柵極連接，其源極與PMOS管Mc2的柵極連接，其漏極與電容Cc 的一端連4妄并與電源1,連4妻。該PMOS管Mc2的源極接地，漏極與電容Cc 的另 一端連接并與電源I,連接。
以下詳細推導(dǎo)光電流7~和輸出電壓F。"'之間的關(guān)系
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，C7是光電二極管的電容C 和互阻放大器的輸入級的寄生電容C'"之
和，考慮放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)AdO"4)/("o、;)，其中化是截至頻率(_
3dB), 4是開環(huán)中頻增益，因此可以得到
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，^和Q分別定義為:<formula>formula see original document page 9</formula>為了得到最大得平坦響應(yīng)(Butterworth), Q=l/^，代入(10)式可以得到
<formula>formula see original document page 9</formula>
(11 )式給出了一個比需要的值大的c 以獲得動態(tài)的穩(wěn)定性。為了增加帶寬， 可以選擇稍低的Q值，選擇相位裕度為45。， (8)式也可以寫為<formula>formula see original document page 10</formula>,可以滿足相位裕度45°的要求，電路是穩(wěn)定的,
當^=135°時:
(13)
<formula>formula see original document page 10</formula>(14)
由(13), (14)兩式可得Q二^，此時可以得到
<formula>formula see original document page 10</formula>(15)
因此實現(xiàn)一個互阻放大器時，c,M直應(yīng)該在給出的(11)式和(15)式之間。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明補償電容用PMOS管Mcl、 Mc2來實現(xiàn)，產(chǎn)生 一個有效的負阻抗，它的值取為輸入電容的一半。通過引入補償電容，電路的 帶寬可得到提高。PM0S管M12、 M13, M16、 M17、 M20和M21可以提高 與互阻放大器IO連接的光電二極管20輸入節(jié)點的電壓，從而提高加在光電二 極管20正負兩極之間的反向電壓，增加光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率，其實現(xiàn)的 方式是通過增加流過NMOS管Mil, M15和M19的電流來完成。
同時，NMOS管M13， M17和M21可以消除電源和過程參凄t波動這些外 部環(huán)境因素的影響，其具體實現(xiàn)方式是PMOS管M13, M17和M21的柵級 接地，因此^"=^=7", PMOS管M13, M17和M21工作在線性區(qū)。設(shè)電源 電壓降低，則K"降低，流過M13, M17和M21各管的電流減小，電壓「、"降 低，使得輸出電壓升高，由于反饋網(wǎng)絡(luò)8的存在而使得升高的輸入電壓又降低
下來，因此保證輸出電壓的穩(wěn)定。
反饋網(wǎng)絡(luò)8中增加電容C沖和寄生電容補償模塊81可以產(chǎn)生一個零點以獲
得足夠的相位裕度，因此可以保持整個電路的穩(wěn)定。
請參考圖8，是圖6中的輸出頻率響應(yīng)和輸出脈沖電壓仿真示意圖。本發(fā) 明采用0.6;/mCMOS工藝，給定條件為所有MOS管均為最小的溝道長度， 光電二極管20的結(jié)電容為lpf,該PMOS管Mft的等效電阻值為負載 電容Cft的值為lpf。因此，本發(fā)明最大優(yōu)點是可以獲得高帶寬同時能實現(xiàn)最 小的芯片面積。由圖中可以看出，本發(fā)明電路具有平坦的頻率響應(yīng)和較高的穩(wěn) 定度。
本發(fā)明電路還有其他設(shè)計方案，由于本發(fā)明中要求將輸入的微安級電流信 號轉(zhuǎn)換為上百毫伏的電壓信號，因此反饋電阻的阻值需要上百K歐姆，如果 采用多晶硅或擴散電阻，產(chǎn)生的相移會很大。 一個有效的方法是采用工作在線 性區(qū)的MOS管，于是有多種選擇，不僅僅可以采用PMOS管Mcl、 Mc2, Mcl、 Mc2也可以是NMOS管或者PMOS管和NMOS管并聯(lián)的形式，雖然 NMOS管和PMOS管具有相同的單位結(jié)電容，但NMOS管的大信號特性較差， 大的輸入電流信號會增加電阻值，容易導(dǎo)致NMOS管進入飽和區(qū)；通過將 NMOS管和PMOS管并聯(lián)可以消除這種影響，但又使寄生電容加倍，從而增 加延遲。因此采用PMOS管Mcl、 Mc2是最優(yōu)選的實施方式。
本發(fā)明互阻放大器200不僅僅可以采用三級MOS管反相器，也可以采用 單級或者更多級CMOS管反相器。
本發(fā)明互阻放大器不僅僅可以應(yīng)用于數(shù)字視盤機(DVD、 VCD等)的光學(xué) 頭，而且還可以應(yīng)用于其他通信系統(tǒng)中，例如醫(yī)用儀器或科學(xué)儀器等。
以上對本發(fā)明所提供的互阻放大器進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個 例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理 解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā) 明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明 書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種互阻放大器，用于將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，其單級放大電路包括第一晶體管和第二晶體管，該第一、第二晶體管的柵極連接作為輸入端用以輸入信號，其漏極互相連接，該第一晶體管的源極接地，該第二晶體管的源極與第一電源連接，其特征在于該單級放大電路還包括第三晶體管和第四晶體管，該第三晶體管的柵極和源極、第四晶體管的源極與第二晶體管的源極連接，該第三、第四晶體管的漏極與第二晶體管的漏極連接作為輸出端用以輸出信號，該第四晶體管的柵極接地，當與該互阻放大器連接的光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化成電流信號輸入至該互阻放大器時，該第三、第四晶體管可通過增加第一晶體管的電流來增加光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。
2. 如權(quán)利要求1所述的互阻放大器，其特征在于該第一晶體管是NMOS 晶體管，該第二、第三和第四晶體管是PMOS晶體管。
3. 如權(quán)利要求1所述的互阻放大器，其特征在于該互阻放大器包括一 個反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)包括一個第五晶體管，其柵極接地，其源極和漏極分 別與輸出端和輸入端連接，該第五晶體管可以保障該互阻放大器輸出電壓的穩(wěn) 定性。
4. 如權(quán)利要求3所述的互阻放大器，其特征在于該第五晶體管是PMOS晶體管。
5. 如權(quán)利要求4所述的互阻放大器，其特征在于該反饋網(wǎng)絡(luò)還包括第 一電容，該第一電容的兩端分別與該互阻放大器的輸入輸出端連接，該第一電 容可使該互阻放大器的頻率響應(yīng)平坦化。
6. 如權(quán)利要求3、 4或5所述的互阻放大器，其特征在于該反饋網(wǎng)絡(luò)還 包括一個寄生電容補償模塊，該寄生電容補償模塊包括第六晶體管，第七晶體 管和第二電容，該第六晶體管的柵極與該互阻放大器的輸入端連接，其源極與 該互阻放大器的輸出端連接，其漏極與第二電容的一端連接；該第七晶體管的 柵極與該互阻放大器的輸出端連接，其源極接地，其漏極與第二電容的另一端 連接，該寄生電容補償模塊可以使該互阻放大器獲得足夠的相位裕度以保持電 路穩(wěn)定。
7. 如權(quán)利要求6所述的互阻放大器，其特征在于該第六晶體管和第七 晶體管均為PMOS晶體管。
8. 如權(quán)利要求6所述的互阻放大器，其特征在于該第二電容兩端連接 第二電壓源。
9. 如權(quán)利要求1或8所述的互阻放大器，其特征在于該互阻放大器采 用0.6，CMOS工藝。
10. 如權(quán)利要求5所述的互阻放大器，其特征在于該第五晶體管的等效 電阻值是12m，第一 第七晶體管均為最小的溝道長度，第一電容的值為lpf。
全文摘要
一種互阻放大器，用于將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，其單級放大電路包括第一晶體管和第二晶體管，該第一、第二晶體管的柵極連接作為輸入端用以輸入信號，其漏極互相連接，該第一晶體管的源極接地，該第二晶體管的源極與第一電源連接，其中，該單級放大電路還包括第三晶體管和第四晶體管，該第三晶體管的柵極和源極、第四晶體管的源極與第二晶體管的源極連接，該第三、第四晶體管的漏極與第二晶體管的漏極連接作為輸出端用以輸出信號，該第四晶體管的柵極接地，當與該互阻放大器連接的光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化成電流信號輸入至該互阻放大器時，該第三、第四晶體管可通過增加第一晶體管的電流來增加光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明具有較高的帶寬，不受外部環(huán)境因素影響且具有較高的穩(wěn)定度。
文檔編號H03F3/08GK101106359SQ20061006168
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者余麗波, 劉思榮, 張政操, 揮 李, 李玉龍, 胡海軍, 韓小明, 馬建設(shè), 高金璐 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院