1、一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计 杨赟秀 袁菲 明鑫 邓世杰 路小龙 景立 呙长冬 西南技术物理研究所激光光电基础技术部 电子科技大学微电子与固体电子学院 摘 要： 作为激光近炸引信中探测与目标识别核心元件的光电探测器, 其性能取决于光电二极管和相应的放大电路。针对引信、制导应用对光电探测器的要求, 提出一种新型高增益、大带宽跨阻放大器设计。该跨阻放大器由两级放大电路构成, 第 1 级由两个对称的 RGC (Regulated Cascode) 结构组成, 消除光电二极管漏电流对直流工作点影响, 隔离光电二极管寄生电容提升工作带宽;第 2 级放大电路由 3 个级联的反相放大器构成, 是跨阻放
2、大器的主要增益级;最后以射级跟随器输出, 为后续系统提供足够的电压摆幅。该电路基于 SMIC 0.35m 标准CMOS 工艺设计, 仿真结果表明:跨阻增益为 110.2 dB, 带宽为 46.7 MHz, 40 MHz 处的等效输入噪声电流低至 1.09 pA/ (Hz) 1/2, 带宽内等效输出噪声电压为 5.37 mV。测试结果表明, 跨阻放大器增益约为 109.3 d B, 输出电压信号上升时间约为 7.8 ns, 等效输出噪声电压大小为 6.03 mV, 功耗约为 10 mW, 对应芯片面积为 1 560m810m。关键词： 跨阻放大器; 高增益; 大带宽; RGC; 反相放大器; 作
3、者简介：杨赟秀 (1977-) , 女, 汉族, 河南人, 2016 年获电子科技大学硕士学位, 现就职于西南技术物理研究所, 职称高工, 主要从事光电探测器集成电路设计、系统算法研究和电源管理芯片设计研究, 包括跨阻放大器、光电二极管专用阵列读出电路设计、LEDdriver、DC-DC 等, yangyang_。收稿日期：2016-11-14Design of High Gain and High Bandwidth Trans-Impedance AmplifierYANG Yunxiu YUAN Fei MING Xin DENG Shijie LU Xiaolong JING Li G
4、UO Changdong Southwest Institute of Technical Physic; State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China; Abstract： The performance of photoelectric detectors, as the core element for detection and object identification of l
5、aser proximity fuse, depends on the photodiode and corresponding amplifier circuit.Aiming at the requirement of fuse and guidance application, a kind of high gain and high bandwidth TIA is proposed.The TIA consists of two-stage amplifier.The first stage is composed of two symmetrical Regulated Casco
6、des which eliminate the influence of photodiodes leakage current on DC Operating point and insulate the parasitic capacitance of photodiode to increase the bandwidth of TIA.The second stage consists of three cascade current reuse inverter which is used as the main gain stage.As the output stage, emi
7、tter follower is used to provide enough voltage swing for following system.The circuit design is based on SMIC 0.35 m standard CMOS process.The simulating results indicate that the transimpedance gain is 110.2 d B and the bandwidth is 46.7 MHz.At the frequency of 40 MHz the equivalent input noise is
8、 as low as 1.09 pA/ (Hz) 1/2 and the whole equivalent output noise voltage is 5.37 m V within the frequency bandwidth.Testing results indicate that the transimpedance gain is 109.3 dB, the output rise time is 7.8 ns, the equivalent output noise voltage is 6.03 m V, and the total power dissipation is
9、 less than 10 mW.The die size is 1 560m810 m.Keyword： trans-impedance Amplifier; high gain; high bandwidth; RGC; current reuse inverter; Received： 2016-11-14近年来, 光电探测器作为激光近炸引信中探测与目标识别的核心元件, 在弹丸飞行过程中实时获取目标位置信息, 以达到最佳毁伤效果, 由于光电探测器抗电磁干扰能力强、方向性好、测距精度高等优点, 已成为引信、制导发展的一个重要方向。光电探测器的核心组成部分是光电二极管和相应的跨阻放大器电路,
10、 放大器的作用是将光电二极管生成的微弱电流信号转化放大成供后续系统处理的电压信号, 其性能很大程度上决定了光电探测器的整体性能1。目前用于光电探测的放大器有跨阻放大器、低阻放大器和高阻放大器, 跨阻放大器具有高灵敏度、较大动态范围和不需要均衡电路等特点, 被广泛用于光电探测和光电通信等领域。为满足远距离微弱信号检测, 跨阻放大器的增益应当足够高以获得较大有效电压信号;同时还需要合适大小的带宽以获得较快的响应速度以满足实时探测的目的, 然而光电二极管的较大寄生电容使放大器主极点位于输入点阻碍了带宽的提高;跨阻放大器本身引入的噪声应该足够低, 以免有效信号淹没在噪声信号中。然而, 增益、带宽和噪声
11、的要求是互相矛盾的, 设计中需要折中考虑2。针对某实用型光电二极管, 提出一种新型高增益、大带宽跨阻放大器, 第 1 级采用通过电流镜单元并联的两个 RGC (Regulated Cascode) 结构, 第 2 级采用3 个级联的反相放大器作为主要增益级, 最后以射级跟随器输出, 其整体增益可达 110.2 d B, 带宽为 46.7 MHz, 40 MHz 处等效输入噪声电流低至。所设计的跨阻放大器具有高增益、大带宽、静态电流小等特点。1 电路结构及分析本文设计的高增益、大带宽跨阻放大器原理示意图如图 1 所示。从电路结构上可分为两级放大和输出电路 3 部分, 第 1 级电流放大器包括 2
12、 个 RGC 结构与相应的电流镜, 第 2 级放大器包括 3 个级联的反相放大器作为主要增益级, 最后以射随器输出。图 1 跨阻放大器电路原理示意图 下载原图光电二极管的输出信号作为第 1 级放大器的输入, RGC 结构通过电流镜将光电二极管的光生电流进行复制与放大;第 2 级 3 个级联反相放大器作为主要增益级, 将 RGC 结构的输出电流信号转换为电压信号并放大, 以满足后续系统处理要求。与传统的单 RGC 结构相比, 上下两个 RGC 结构通过电流镜像单元并联在后级反相放大器的输入端, 通过电路参数设计, 使静态情况下流过 MP4 管和 MN6 管的电流大小相等, 那么两个 RGC 结构
13、电路的静态电流可互相抵消, 消除了光电二极管漏电流对后级反相放大器直流工作点的影响, 可提升电路的稳定性。RGC结构作为输入级, 还具有非常低的输入阻抗, 级联的反相放大器增益大, 这样的电路结构可满足高增益、大带宽的设计需要。1.1 RGC 结构带宽设计分析RGC 结构又称调节式共源共栅结构, 通常情况下光电二极管的寄生电容相对较大, 与光电二极管直接相连的 RGC 结构输入端等效的电容远大于反相放大器的输入端等效电容, 跨阻放大器的带宽主要取决于第 1 级 RGC 结构的带宽3。图1 中 R1、MN 1和二极管连接的 MP1构成共栅结构, MN 2和 R2构成共源结构作为反馈部分, 与共栅
14、放大器构成电流-并联负反馈。当 MN1管电流增大时, R 1上压降增大, MN 2栅源电压增大, 对应电流增大, R 2上压降增大, MN 1管的栅压减小, 阻止 MN1管电流的增大。为了分析 RGC 结构的增益带宽等, 其小信号等效模型如图 2 所示。图 2 RGC 结构小信号等效模型 下载原图图 2 中, R eq表示二极管连接的 MP1管与后续电路并联形成的等效电阻, C d表示光电二极管寄生电容, 则输入端总的寄生电容大小为 Ctot=Cd+Cgs2+Csb1, 对小信号模型进行分析可得。根据式 (1) 和式 (2) 可知, 与共栅放大器相比, RGC 结构不仅将带宽增加了 (1+gm
15、n2R2) 倍, 同时还将 MN1管源端等效输入阻抗降低为原来的 (1+g mn2R2) 倍, 相当于一个大小为 (g mn2R2+1) gmn1的电阻与 R1并联。事实上 (g mn2R2+1) gmn1的值远大于 R1的值, 所以在保证 MN2管导通的情况下, 尽可能的降低 R1的值来提高带宽。RGC 结构还存在一个零点, 其峰值频率为:设计中 MN1管的宽度和 R2的阻值不应过大, 以避免此零点的出现。RGC 结构的输入阻抗非常低, 可以近似提供一个虚地输入, 它对光电二极管的寄生电容有很好的隔离作用, 可降低寄生电容对放大器带宽的影响4-5。1.2 跨阻增益设计分析第 1 级的 RGC
16、 结构与电流镜的结合相当于一个电流放大器, 在降低输入阻抗的同时对光生电流有一个放大作用, 放大倍数与 MP2管与 MP1管的宽长比以及 MN6与 MN5管的宽长有关。第 2 级的 3 个反相放大器为主要增益级, 图 1 中MP5、MN 7和 MN10构成的第 1 个反相放大器, 晶体管 MP5和 MN7构成的互补推挽结构, 二极管连接的 MN10管起一个小信号电阻的作用, 可平衡电路工作点, MN 12还起到降低其密勒效应的作用。反相器跨阻放大器正常工作时, MP 5和 MN7管同时工作在饱和区, 在同样的偏置条件下, 其跨导可提升近一倍, 对应开环增益 A1大小为:则三级反相放大器的总的开
17、环增益大小 A 约为:Rf作为反馈电阻, 为级联的反相放大器提供直流偏置并且调节输入匹配, 为对应闭环增益和带宽分别如式 (6) 和式 (7) 所示6。其中 A 为反向放大器的开环增益, 当反馈电阻的值远大于开环等效输出阻抗时, 其闭环跨阻增益约等于反馈电阻 Rf的值:闭环跨阻第 1 级 RGC 结构以及电流镜对输入信号有一定的放大作用, 放大倍数与电流镜管的宽长比有关, 则跨阻放大器的整体增益大小为:跨阻放大器通过改变反馈电阻 Rf的值可以改变跨阻增益的大小。增大 Rf的值, 跨阻增益变大, 但较大的 Rf又会降低反相放大器的带宽;降低 Rf的值, 带宽增加, 但增益减小, 还引入更多的热噪
18、声电流;设计中需根据指标折中考虑反馈电阻 Rf的值的大小7。根据前面的分析 RGC 结构的输入节点处为主极点, 其极点频率大小如式 (2) 所示, 取决于输入节点处的寄生电容和 R1的值;3 个级联反相放大器的输入端为次极点, 其极点频率大小如式 (7) 所示, 取决于 3 个级联的反相放大器的开环增益和反馈电阻 Rf以及反相放大器输入节点处的等效电容 Cin的值。式 (7) 中等效输入电容 Cin较小, R f的值相对较大, 但级联的反相放大器增益 A 足够大, 使得次极点频率远大于主极点频率, 即增益在相移达到 180前下降到 0 d B, 电路具有较好的稳定性。1.3 噪声分析作为检测放
19、大微弱电流信号的跨阻放大器, 其噪声也是关注的重点, 图 1 所示的跨阻放大器对应的噪声电流如式 (9) 所示8-9, 分析过程中忽略了 MOS 管栅极漏电流产生的噪声。式中: 和 分别为 MP2管与 MP1和 MN6管与 MN5管宽长比之比的平方, g d0, 2和 gd0, 1分别表示 MN2和 MN1管源漏电压为零对应的跨导, 式 (9) 的第 1 项为R1与 Rf的热噪声, 第 2 项、第 3 项为电流镜管 MP1、MP 2、MP 4、MN 5、MN 6对等效输入噪声的贡献, 第 4 项和第 5 项分别为 MN2和 MN1管沟道热噪声对等效输入噪声的贡献。由式 (9) 可知, 低频等效
20、输入噪声主要电阻 R1、R f以及电流镜管的噪声决定, 高频时噪声主要来自式 (9) 中的第 4 项, 由等效输入电容 Ctot决定10。为了降低高频时等效输入噪声, 需要增大 MN2和 MN1管的跨导, 这就要求增大 MOS 管的宽长比或工作电流的大小。MOS 管宽长比的增加使等效输入电容Ctot增大, 影响带宽和环路稳定性;MOS 管的工作电流的增大使 R1上压降增大, 消耗更多的电位裕度, 设计中要折中考虑 MN1、MN 2管的尺寸11。2 仿真与测试结果基于 SMIC 0.35m 标准 CMOS 工艺对所设计的跨阻放大器进行了仿真验证, 其幅频特性仿真曲线如图 3 所示。图 3 跨阻放
21、大器的幅频特性曲线 下载原图仿真结果表明所设计的高增益跨阻放大器的增益可达 110.2 d B, 对应的-3 d B 带宽大小为 46.7MHz。采用 RGC 结构作第 1 级降低了输入端寄生电容对带宽的影响, 并通过电流镜与第 2 级的反相放大器相连, 使其获得大跨阻增益的同时保证了合适的带宽值。瞬态特性曲线如图 4 所示, 输入脉冲电流大小为 2A 脉宽 100 ns 的仿真条件下, 其输出端的上升时间为 7.4 ns, 输出幅值大小为 648.9 m V。图 4 跨阻放大器瞬态性曲线 下载原图对跨阻放大器的等效输入噪声仿真结果如图 5 所示, 从图中可以看出, 在 40 MHz 处的等效
22、输入噪声约为 , 对带宽内的等效输入噪声进行积分得到输出噪声为 5.37 m V。通过增大 MN1和 MN2管的宽长比可降低高频时噪声, 但大的宽长比会增大输入点的寄生电容, 设计合理宽长比的 MN1、MN 2管可获得较好的高频噪声性能。图 5 跨阻放大器等效输入噪声电流 下载原图图 6 所示为跨阻放大器的芯片照片, 芯片面积大小为 1 560m810m, 其中左右两个 PAD 为电源, 上边中间 PAD 为输入端, 下边中间 PAD 为输出端, 其余PAD 均为地。输入端 PAD 与光电二极管相连, 在脉冲光源条件下的瞬态测试结果如图 7 所示。图 6 芯片实物照片 下载原图图 7 跨阻放大
23、器与光电二极管互连瞬态测试 下载原图测试中设置脉冲光功率为 0.2W, 与输入端相连的光电二极管响应度约为 10 A/W, 对应光生电流为 2A, 测试结果表明:跨阻放大器输出电压幅值为 583.5 m V, 输出电压信号上升时间约为 7.8 ns, 经计算可得对应增益大小约为 109.3 d B, 带宽约为 44.8 MHz, 与仿真结果比较吻合。无光脉冲条件下, 跨阻放大器的输出噪声测试结果如图 8 所示。由图 8 可得跨阻放大器的输出噪声电压为 6.03 m V, 与仿真结果 5.37 m V 比较吻合。静态电流大小为 2 m A, 计算得功耗为 10 m W。图 8 跨阻放大器输出噪声
24、测试 下载原图表 1 给出其他文献与本文跨阻放大器参数对比, 本文的设计的跨阻放大器通过RGC 结构与多级反相放大器的级联, 在保证带宽的前提下获得较高的增益, 符合设计指标要求, 可用于微弱光信号探测领域。表 1 参数指标对比 下载原表 3 结论本文基于 SMIC 0.35m 标准 CMOS 工艺设计了一种新型高增益、大带宽多级级联跨阻放大电路, 通过版图设计、后仿真, 经调整优化, 达到技术指标后, 交付版图数据进行流片。对流片后的电路芯片进行测试, 结果表明该跨阻放大器的增益约为 109.3d B, 带宽约为 44.8 MHz, 输出电压信号上升时间约为 7.8 ns, 输出噪声电压为
25、6.03 m V。静态工作电流大小为 2 m A, 功耗为 10 m W。仿真与测试结果基本一致, 测试 PCB 电路和探头引入的寄生参数, 对指标略有衰减影响, 该跨阻放大器跨阻增益、带宽和噪声满足应用要求, 适用于远距离微弱光信号探测。参考文献1杨朋博, 罗萍, 李世文, 等.一种跨阻放大器的设计J.电子器件, 2016, 39 (5) :1073-1075. 2唐立田, 张海英, 黄清华, 等.一种高增益低噪声低功耗跨阻放大器设计与实现J.电子器件, 2009, 32 (3) :566-569. 3Chien Fengtso, Chan Yijen.Bandwidth Enhanceme
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