一种降低PAM4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法与流程

一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法
技术领域
1.本发明属于高速光通信技术领域，尤其是一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法。


背景技术：

2.随着大数据时代的来临，全球数据流量爆炸式增长，提高光互连系统的数据速率成为必然。然而，受电学带宽限制，利用并行多路nrz信号实现高速通信的解决方案面临诸多挑战，如何在带宽不变的前提下提高单通道速率成为当前亟待解决的问题之一。ieee 802.3bs200/400ge标准建议采用带宽效率翻倍的pam4信令作为下一代200/400ge通信系统的首选码型，为单通道50gb/s的光纤链路提供了新的思路。pam4信令虽然可以在相同带宽下传输两倍的数据量，但其码型特点对通信系统的信噪比、线性度和复杂度提出了更高的要求。跨阻放大器(tia)作为光接收机的第一级，其噪声性能直接决定着输出pam4电压信号的质量，进而影响后续电路模块的正常工作。因此，改善pam4跨阻放大器的噪声性能具有十分重要的意义。
3.在相同电压摆幅下，pam4信号的单眼眼高仅为nrz信号的1/3。对信噪比而言，pam4信号的信噪比较nrz信号恶化了9.54db，所以其对噪声的影响更加敏感。为了减小跨阻放大器引入的电路噪声，学术界开展了较为广泛的研究，并取得了一定的成果。在共栅极、共源极和共源共栅极等电路拓扑结构的跨阻放大器中，共源极跨阻放大器已被证明在噪声方面具有独特的优势。例如，韩国的kuan-lin fu等人采用了并联电阻反馈型跨阻放大器和自动增益控制组合结构，通过提高增益来降低跨阻放大器的噪声。ihp公司的iria garc
í
al
ó
pez团队引入带峰化电感的可变增益放大器来拓展高增益共源跨阻放大器的带宽，成功研制出等效输入电流噪声小于10pa/√hz的100gb/s全差分跨阻放大器。专利申请cn201811423545.8采用共源共栅跨阻放大器结构，利用增益提升技术来降低整体电路噪声，然而该结构的晶体管噪声直接等效到输入端，在噪声优化方面存在固有的缺陷，很难实现与共源跨阻放大器同等的噪声性能。专利申请cn202111463752.8采用全差分的共栅极放大器作为输入级，通过优化输入晶体管的几何尺寸来降低晶体管基极电阻的热噪声贡献，改善整体电路的噪声性能，然而该结构对后续放大电路的噪声考虑较少，仍有很大的噪声优化空间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法，首先通过建立电阻并联反馈放大器的一阶噪声等效模型，将输入晶体管的几何尺寸和集电极电流作为噪声优化项，从而降低跨阻放大器中主放大器的噪声。其次考虑跨阻放大器中后继均衡拓扑结构对整体电路噪声的影响，通过窄带跨阻放大器+级联均衡器的拓扑结构，进一步优化pam4跨阻放大器的整体噪声性能。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，包括作为主放大器的窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle，两极均衡电路dtle包括第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器连接第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器用于将光电探测器输出微弱光电流信号转化为适当摆幅的电压信号；第一级均衡电路dtle用于拓展窄带电阻并联反馈跨阻放大器的电路带宽，第二级均衡电路dtle用于在第一级连续时间线性均衡电路的基础上进一步补偿电路带宽。
7.而且，所述窄带电阻并联反馈跨阻放大器包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4、第一电阻r1、第二电阻r2和反馈电阻rf，其中，电源分别连接第一电阻r1的一端和第三晶体管q3的集电极，第一电阻r1的另一端分别连接第二晶体管q2的集电极和栅极，第二晶体管q2的栅极连接第三晶体管q3的栅极，第三晶体管q3的发射极分别连接第二电阻r2的一端和反馈电阻rf的一端，反馈电阻rf的另一端分别连接光电探测器的微弱差分光电流信号i
in+
、i
in-以及第一晶体管q1的栅极，第一晶体管q1的发射极连接第四晶体管q4的集电极，第四晶体管q4的栅极输入偏置电压vb，第四晶体管q4的发射极分别连接第二电阻r2的另一端和接地。
8.而且，所述两极均衡电路dtle包括退化电阻r
s1
、退化电容c
s1
、退化电阻r
s2
、退化电容c
s2
、电阻r
l1
、电阻r
l2
、尾电流i
ss1
和i
ss2
、第五晶体管q5和第六晶体管q6、电源分别连接电阻r
l1
的一端和电阻r
l2
的一端，电阻r
l1
的另一端连接第五晶体管q5的集电极和第六晶体管q6的栅极，第五晶体管q5的栅极连接第三晶体管q3的发射极，第五晶体管q5的发射极两端并联退化电阻r
s1
和退化电容c
s1
，第五晶体管q5的发射极通过i
ss1
接地，电阻r
l2
的另一端输出电压v
out
并连接第六晶体管q6、的集电极，第六晶体管q6的发射极两端并联退化电阻r
s2
和退化电容c
s2
，第六晶体管q6的发射极通过i
ss2
接地。
9.一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路的降低噪声方法，具体实现方法为：自光电探测器的微弱差分光电流信号i
in+
和i
in-从第一晶体管q1的栅极输入，经反馈电阻rf后流入由第三晶体管q3和第二电阻r2构成的射极跟随器，并在反馈电阻rf上形成输入电压，输入电压由第一晶体管q1和第二晶体管q2构成的共源共栅放大器进行反相放大，并从射极跟随器中第三晶体管q3的发射极输出，输出的信号从第一级连续时间线性均衡器电路中第五晶体管q5的栅极输入，由第一射极退化电阻r
s1
和第一射极退化电容c
s1
调整电路零极点，对电路带宽进行补偿，改善输入信号的质量，第一级连续时间线性均衡器的输出信号从第二级均衡器中第六晶体管q6的栅极输入，并通过优化第二射极退化电阻r
s2
和第二射极退化电容c
s2
的值，进一步拓展电路带宽，获得平坦的幅频响应，输出高质量的电压信号v
out
。
10.而且，所述窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle形成的噪声模型为：
[0011][0012]
其中，i
n,in
为等效输入噪声电流，i
n,in,b
为等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，n为变化倍数，γ为沟道噪声系数，gm为晶体管跨导，f为工作频率，g
m,eq
为均衡器跨导，bw为电路带宽，c
in
为等效输入电容，rb为基极电阻，i
n,rb
为基极电阻热噪声电流，rf为反馈电阻，i
n,rf
为反馈电阻热噪声电流，i
n,b
和i
n,c
为第一晶体管的基极和集电极噪声电流。
[0013]
本发明的优点和积极效果是：
[0014]
1、本发明通过使用窄带电阻并联反馈跨阻放大器加两极均衡电路dtle构建了降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，通过建立电阻并联反馈放大器的一阶噪声等效模型，将输入晶体管的几何尺寸和集电极电流作为噪声优化项，从而降低跨阻放大器中主放大器的噪声。其次考虑跨阻放大器中后继均衡拓扑结构对整体电路噪声的影响，通过窄带跨阻放大器+级联均衡器的拓扑结构，进一步优化pam4跨阻放大器的整体噪声性能。
[0015]
2、本发明所设计的电阻并联反馈跨阻放大器采用全差分结构，可有效抑制电源和衬底噪声，提高电路的抗干扰能力。同时，在输入晶体管q1上方增加晶体管q2，弱化晶体管q1的米勒效应影响，减小寄生电容对电路带宽的影响。
[0016]
3、本发明所设计的窄带电阻并联反馈跨阻放大器能在跨阻增益rf受限的前提下，通过优化输入晶体管q1的几何尺寸和集电极电流ic来降低放大器的等效输入噪声电流，具有优秀的低噪声性能。
[0017]
4、本发明能够在电路带宽保持不变的情况下，进一步降低pam4跨阻放大器的电路噪声，同时具有足够高的跨阻增益，所以可在增益、带宽和噪声之间取得了很好的平衡。
附图说明
[0018]
图1为本发明的电路图；
[0019]
图2为本发明主放大器的一阶噪声模型图；
[0020]
图3为本发明窄带跨阻放大器+级联均衡器的噪声模型图；
[0021]
图4为本发明pam4跨阻放大器的等效输入噪声电流密度示意图；
[0022]
图5为本发明跨阻放大器输出的50gb/s pam4信号眼图。
具体实施方式
[0023]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0024]
一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，如图1所示，包括作为主放大器的窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle，两极均衡电路dtle包括第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器连接第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器用于将光电探测器输出微弱光电流信号转化为适当摆幅的电压信号；第一级均衡电路dtle用于拓展窄带电阻并联反馈跨阻放大器的电路带宽，确保窄带电阻并联反馈跨阻放大器实现低噪声的同时保持高速信号传输能力，第二级均衡电路dtle用于在第一级连续时间线性均衡电路的基础上进一步补偿电路带宽，使pam4跨阻放大器具有宽的频带和平坦的幅频响应。
[0025]
窄带电阻并联反馈跨阻放大器包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4、第一电阻r1、第二电阻r2和反馈电阻rf，其中，电源分别连接第一电阻r1的一端和第三晶体管q3的集电极，第一电阻r1的另一端分别连接第二晶体管q2的集电极和栅极，第二晶体管q2的栅极连接第三晶体管q3的栅极，第三晶体管q3的发射极分别连接第二电阻r2的一端和反馈电阻rf的一端，反馈电阻rf的另一端分别连接光电探测器的微弱差分光电
流信号i
in+
、i
in-以及第一晶体管q1的栅极，第一晶体管q1的发射极连接第四晶体管q4的集电极，第四晶体管q4的栅极输入偏置电压vb，第四晶体管q4的发射极分别连接第二电阻r2的另一端和接地。
[0026]
两极均衡电路dtle包括退化电阻r
s1
、退化电容c
s1
、退化电阻r
s2
、退化电容c
s2
、电阻r
l1
、电阻r
l2
、尾电流i
ss1
和i
ss2
、第五晶体管q5和第六晶体管q6、电源分别连接电阻r
l1
的一端和电阻r
l2
的一端，电阻r
l1
的另一端连接第五晶体管q5的集电极和第六晶体管q6的栅极，第五晶体管q5的栅极连接第三晶体管q3的发射极，第五晶体管q5的发射极两端并联退化电阻r
s1
和退化电容c
s1
，第五晶体管q5的发射极通过i
ss1
接地，电阻r
l2
的另一端输出电压v
out
并连接第六晶体管q6、的集电极，第六晶体管q6的发射极两端并联退化电阻r
s2
和退化电容c
s2
，第六晶体管q6的发射极通过i
ss2
接地。
[0027]
一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路的降低噪声方法，自光电探测器的微弱差分光电流信号i
in+
和i
in-从第一晶体管q1的栅极输入，经反馈电阻rf后流入由第三晶体管q3和第二电阻r2构成的射极跟随器，并在反馈电阻rf上形成输入电压，输入电压由第一晶体管q1和第二晶体管q2构成的共源共栅放大器进行反相放大，并从射极跟随器中第三晶体管q3的发射极输出，输出的信号从第一级连续时间线性均衡器电路中第五晶体管q5的栅极输入，由第一射极退化电阻r
s1
和第一射极退化电容c
s1
调整电路零极点，对电路带宽进行补偿，改善输入信号的质量，第一级连续时间线性均衡器的输出信号从第二级均衡器中第六晶体管q6的栅极输入，并通过优化第二射极退化电阻r
s2
和第二射极退化电容c
s2
的值，进一步拓展电路带宽，获得平坦的幅频响应，输出高质量的电压信号v
out
。
[0028]
在窄带电阻并联跨阻放大器的设计中，为了保证在反馈电阻rf接近跨阻极限时仍能降低电路噪声，建立了跨阻放大器的一阶噪声模型。理论分析可知，基极电阻rb、输入晶体管q1的基极和集电极电流是主放大器的主要噪声源。通过调整晶体管q1的几何尺寸和集电极电流值，可实现主放大器的噪声优化。在跨阻放大器后继级联拓扑结构的设计中，通过提高跨阻放大器中主放大器的增益rf来大幅降低各电路元件的噪声贡献，同时借助两级连续时间线性均衡电路的频率补偿能力来拓展主放大器的电路带宽。在电路带宽不变的前提下，降低pam4跨阻放大器引入的电路噪声，即可获得更优异的噪声性能。
[0029]
如图2所示，窄带电阻并联反馈跨阻放大器的一阶噪声模型包括等效输入噪声电流i
n,in
、其中i
n,in
即为i
n,in
，等效输入电容c
in
(光电探测器等效电容c
pd
+第一晶体管q1的寄生电容c
q1
)，基极电阻rb，基极电阻热噪声电流i
n,rb
，反馈电阻rf和反馈电阻热噪声电流i
n,rf
，以及第一晶体管的基极和集电极噪声电流i
n,b
和i
n,c
。经电路分析，可得主放大器的等效输入噪声电流表达式：
[0030][0031]
由此可见，优化第一晶体管q1的几何尺寸和集电极电流ic可以降低电路的噪声。
[0032]
如图3所示为窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle形成的噪声模型，当反馈电阻rf增大n2倍时，为了保持相同平坦度的频率响应，跨阻放大器的增益a需扩大n倍，同时主极点fa下降n倍。为了防止跨阻放大器的带宽恶化，其后级联两级连续时间线性均衡器，级联后整体拓扑结构的等效输入噪声电流为：
[0033][0034]
其中，i
n,in,b
为等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，n为变化倍数，γ为沟道噪声系数，gm为晶体管跨导，f为工作频率，g
m,eq
为均衡器跨导，bw为电路带宽。根据两个模型可知，在窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle形成的噪声模型中的第一、二和四项的热噪声贡献明显降低。若后级级联的均衡器能将电路带宽恢复至bw，则所述拓扑结构可显著改善跨阻放大器的噪声性能。
[0035]
根据上述一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法，本实施例基于ihp 0.13μm sige bicmos工艺，在3.3v供电电压下，以传输50gb/s的pam4信号为实例，说明所述低噪声pam4跨阻放大器设计的有效性。图4所示为光电探测器等效输入电容c
pd
＝100ff时，pam4跨阻放大器的噪声仿真结果。由图可见，在dc～21.2ghz的频率范围内，等效输入参考噪声电流小于12.4pa/√hz，噪声性能得到显著改善。图5为跨阻放大器输出50gb/spam4信号的瞬态眼图。输出信号的差分摆幅为100mv，三眼眼孔清晰可辨，眼图的水平张开度可达0.78ui，具有很好的信号质量。上述仿真结果表明，本发明所述的窄带电阻并联反馈跨阻放大器+两级连续时间线性均衡器的方法能够显著降低整体电路的等效噪声，可实现高速pam4信号的高质量传输。
[0036]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，其特征在于：包括作为主放大器的窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle，两极均衡电路dtle包括第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器连接第一级均衡电路dtle和第二级均衡电路dtle，窄带电阻并联反馈跨阻放大器用于将光电探测器输出微弱光电流信号转化为适当摆幅的电压信号；第一级均衡电路dtle用于拓展窄带电阻并联反馈跨阻放大器的电路带宽，第二级均衡电路dtle用于在第一级连续时间线性均衡电路的基础上进一步补偿电路带宽。2.根据权利要求1所述的一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，其特征在于：所述窄带电阻并联反馈跨阻放大器包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4、第一电阻r1、第二电阻r2和反馈电阻r
f
，其中，电源分别连接第一电阻r1的一端和第三晶体管q3的集电极，第一电阻r1的另一端分别连接第二晶体管q2的集电极和栅极，第二晶体管q2的栅极连接第三晶体管q3的栅极，第三晶体管q3的发射极分别连接第二电阻r2的一端和反馈电阻r
f
的一端，反馈电阻r
f
的另一端分别连接光电探测器的微弱差分光电流信号i
in+
、i
in-以及第一晶体管q1的栅极，第一晶体管q1的发射极连接第四晶体管q4的集电极，第四晶体管q4的栅极输入偏置电压v
b
，第四晶体管q4的发射极分别连接第二电阻r2的另一端和接地。3.根据权利要求2所述的一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路，其特征在于：所述两极均衡电路dtle包括退化电阻r
s1
、退化电容c
s1
、退化电阻r
s2
、退化电容c
s2
、电阻r
l1
、电阻r
l2
、尾电流i
ss1
和i
ss2
、第五晶体管q5和第六晶体管q6、电源分别连接电阻r
l1
的一端和电阻r
l2
的一端，电阻r
l1
的另一端连接第五晶体管q5的集电极和第六晶体管q6的栅极，第五晶体管q5的栅极连接第三晶体管q3的发射极，第五晶体管q5的发射极两端并联退化电阻r
s1
和退化电容c
s1
，第五晶体管q5的发射极通过i
ss1
接地，电阻r
l2
的另一端输出电压v
out
并连接第六晶体管q6、的集电极，第六晶体管q6的发射极两端并联退化电阻r
s2
和退化电容c
s2
，第六晶体管q6的发射极通过i
ss2
接地。4.一种如权利要求1至3任一项所述的降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路的降低噪声方法，其特征在于：包括如下步骤：自光电探测器的微弱差分光电流信号i
in+
和i
in-从第一晶体管q1的栅极输入，经反馈电阻r
f
后流入由第三晶体管q3和第二电阻r2构成的射极跟随器，并在反馈电阻r
f
上形成输入电压，输入电压由第一晶体管q1和第二晶体管q2构成的共源共栅放大器进行反相放大，并从射极跟随器中第三晶体管q3的发射极输出，输出的信号从第一级连续时间线性均衡器电路中第五晶体管q5的栅极输入，由第一射极退化电阻r
s1
和第一射极退化电容c
s1
调整电路零极点，对电路带宽进行补偿，改善输入信号的质量，第一级连续时间线性均衡器的输出信号从第二级均衡器中第六晶体管q6的栅极输入，并通过优化第二射极退化电阻r
s2
和第二射极退化电容c
s2
的值，进一步拓展电路带宽，获得平坦的幅频响应，输出高质量的电压信号v
out
。5.根据权利要求4所述的一种降低pam4跨阻放大器电路噪声的电路的降低噪声方法，其特征在于：所述窄带电阻并联反馈跨阻放大器和作为均衡器的两极均衡电路dtle形成的噪声模型为：
其中，i
n,in
为等效输入噪声电流，i
n,in,b
为等效输入噪声电流，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，n为变化倍数，γ为沟道噪声系数，g
m
为晶体管跨导，f为工作频率，g
m,eq
为均衡器跨导，bw为电路带宽，c
in
为等效输入电容，r
b
为基极电阻，i
n,rb
为基极电阻热噪声电流，r
f
为反馈电阻，i
n,rf
为反馈电阻热噪声电流，i
n,b
和i
n,c
为第一晶体管的基极和集电极噪声电流。

技术总结
本发明涉及一种降低PAM4跨阻放大器电路噪声的电路及其方法，通过使用窄带电阻并联反馈跨阻放大器加两极均衡电路DTLE构建了降低PAM4跨阻放大器电路噪声的电路，并且通过建立电阻并联反馈放大器的一阶噪声等效模型，将输入晶体管的几何尺寸和集电极电流作为噪声优化项，从而降低跨阻放大器中主放大器的噪声。其次考虑跨阻放大器中后继均衡拓扑结构对整体电路噪声的影响，通过窄带跨阻放大器+级联均衡器的拓扑结构，进一步优化PAM4跨阻放大器的整体噪声性能。的整体噪声性能。的整体噪声性能。


技术研发人员：谢生 卢少荣
受保护的技术使用者：天津天芯微系统集成研究院有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/28