[发明专利]高精度光电流监视电路及前置放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电流监视电路及利用该监视电路制成的前置放大器。

背景技术

在现代通信系统中，由于光纤通信具有通信容量大，性能稳定，保密性强等优点，在接入网中光纤通信技术扮演着重要角色，光纤接入将成为发展的重点。在光纤通信中，跨阻放大器TIA作为光接收机前置放大器(pre_amplifier)的核心电路模块，决定了光接收机传输速率和距离等关键参数。在电性能上，TIA具有跨阻增益(dB)较高，带宽较宽，等效噪声电流较低的优点；在结构上，采用直接耦合，省去电抗元件，缩小芯片面积。

图1中给出了光电二极管和前置放大器的应用原理图。光电二极管D0的阳极连接前置放大器芯片中的跨阻放大器TIA电路模块的输入端PINA，光电二极管D0的阴极连接前置放大器芯片中的光电流的输出端PINK，确保光电二极管D0工作在反向偏置的条件下。光电二极管D0产生的光电流I_PD通过PINA端流入前置放大器芯片。电流源I0镜像光电二极管D0的电流I_PD，同时根据光电流I_PD通过电阻R1复制输出电压V_MON，从而达到监测PINA端的输入电流平均值的目的。即在前置放大器芯片中的光电流监视电路模块的输出端MON端可以对光电二极管的电流进行镜像检测即光电流监视，此设计电路称为接收信号强度指示(Receives Signal Strength Indication，RSSI)。

图2给出了常用的光电流监视电路结构。图2中，运算放大器A1和PMOS晶体管MP1形成了一个两级放大器，可以确保节点VN的电压和节点PINK的电压相等。同时，运算放大器A1的反相输入端的节点VN的电压V_VN可以表示为：

V_VN＝R1×I₀(1)

其中，I₀为电流源I0的电流大小；

PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的栅源电压相等，为：

V_{GS_MP1}＝V_{GS_MP2}＝V_VO-VDD(2)

其中V_{GS_MP1}是PMOS晶体管MP1的栅源电压，V_{GS_MP2}是晶体管MP2的栅源电压，V_VO为运算放大器A1的输出电压。因此，PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的过驱动电压相等，为：

|V_{OD_MP1}|＝|V_{OD_MP2}|＝|VO-VDD|-|V_TH0| (3)

其中V_{OD_MP1}是PMOS晶体管MP1的过驱动电压，V_{OD_MP2}是PMOS晶体管MP2的过驱动电压，V_TH0是晶体管在PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2的源端S和衬底端B短接，即V_SB＝0时的阈值电压。当PMOS晶体管MP1和PMOS晶体管MP2都工作在饱和区时，不考虑沟道长度调制效应的情况下，PMOS晶体管MP1的电流和PMOS晶体管MP2的电流相等，为：

其中，I_MP1是PMOS晶体管MP1的漏端电流，I_MP2是PMOS晶体管MP2的漏端电流，μ_p是沟道空穴的迁移率，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，是晶体管的宽长比，|V_TH0|是晶体管的源端和衬底短接，即源衬电压V_SB＝0时的阈值电压。

考虑沟道长度调制效应，PMOS晶体管的电流为：

λ是沟道长度调制系数，V_DS是PMOS晶体管的漏源电压。