杨朋博，罗　萍，李世文，王　荣

（电子科技大学微电子与固体电子学院，成都610054）

一种跨阻放大器的设计*

杨朋博，罗萍*，李世文，王荣

（电子科技大学微电子与固体电子学院，成都610054）

利用调节型共源共栅电路结构（RGC）可以使跨阻放大器得到较高的带宽，并且通过级联并联-并联负反馈电路可以使增益得到提高。采用0.5 μm的标准互补型金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行设计，仿真。测试结果表明，该电路具有69.93 dB的跨阻增益，830 MHz的-3 dB带宽。在输入电流为1 μA时，其输出电压的动态摆幅达到4.5 mV，在5 V电源电压下功耗仅为63.16 mW。

跨阻放大器；高增益；高带宽；RGC；CMOS

随着互联网、多媒体通讯以及数字播放设备的快速发展，要求有更高速的光电信号处理和通讯系统。在典型的光接收器中，其关键部件是非常灵敏的电流输入型前置运算放大器。此类前置放大器要求：低输入电流噪声，高而精确的跨阻增益，良好的闭环稳定性和足够的带宽。但是，这些要求通常是互相矛盾的，必须针对不同的应用需要，进行优化设计［1］。而现在国内的一些共源共栅结构的设计往往不能对两者同时做到一个优化［2］，或者是在对两者取一个很好的优化时，功耗却又相对较高［3］。文章致力于设计一种对跨阻增益、功耗和-3 dB带宽三者一体做成一个很好的优化的跨阻放大器。

1　电路结构及原理

1.1RGC结构

为了增大带宽，需确保输入管能够很好地隔离输入电容的影响，就要求跨阻放大器输入级的输入电阻尽可能小。小信号等效电路分析表明，调节型共源共栅电路结构结构RGC（Regulated Cascode）［4］具有非常低的输入阻抗。其电路原理图如图1所示。

图1RGC跨组放大电路

此RGC跨组放大电路的转移特性函数表达式为：

因此，可得到其闭环增益：

与-3 dB带宽：R1、M1和M7构成了共栅结构，R2和M2构成反馈部分，该结构不仅具有极低的输入阻抗，同时具有稳定电流的特点。可以计算得到输入阻抗为1/gm1（1+gm2R2），与共栅级跨组放大电路输入阻抗1/gm比小（1+gm2R2）倍，所以带宽增加了（1+gm2R2）倍。当M1管的漏源电流增大时，M7管的漏源电压增大，使M2管的栅源电压增大，漏源电流增大，R2上压降增大，使M1管的栅电压下降，从而使M1管漏源电流降低。从而形成负反馈并使电流稳定。

RGC结构本身具有一个零点，其峰值频率为［4］

为避免该峰值点的出现，电阻R2阻值和M1管宽度不宜过大。

RGC结构极低的输入电阻近似于提供了一个虚地输入，因此它对光电二极管结电容的隔离效果更好，可以提供很高的带宽。

1.2并联-并联负反馈放大电路

RGC结构相当于一个电流缓冲级，能够提供的电压增益有限［4-5］，而并联-并联负反馈结构往往能提供一个很高的增益［6-7］。因此本文设计了一种并联-并联负反馈放大电路作为第2级电路进一步对信号进行放大，并且此结构内部有一个局部负反馈，在不增加功耗的情况下扩展了带宽与增益。其电路原理图如图2所示。

图2RGC结构及并联负反馈放大电路

图2中，R4与M6构成了并联—并联负反馈结构，而M3、M4和M5将第1级输出的电压信号放大并传输给R4与M6构成的放大结构。同时，M3、M4、M5、R4和M6作为一个整体与R3构成并联—并联负反馈结构。由电路图推导可知二级电路增益为：

可知第2级增益主要与R3和R4的阻值有关。

2　仿真结果及分析

本文使用HSPICE仿真软件，对RGC跨阻放大器和二级电路幅频特性及其他特性进行了仿真，仿真采用0.5 μm CMOS工艺，电源电压VDD为5 V，VSS为-5 V；光电二极管用一个微小电流源并联一个电容代替。

2.1增益及带宽

根据前面的分析，M1、M2、R1、R2是影响RGC结构增益、带宽的关键器件。当M1宽长比（W/L）为80，M2宽长比（W/L）为24、R1为1 kΩ和R2为1.5 kΩ时，其跨阻增益为 58.05 dBΩ、-3 dB带宽达到1.056 GHz，如图3所示。一般共源放大器增益只有45 dBΩ、-3 dB带宽仅有200 MHz［8］。

图3RGC电路频率特性

在级联了并联-并联负反馈结构后，带宽虽然有所降低，但是增益显著增加：增益为69.94 dBΩ，-3 dB带宽为845 MHz，如图4所示。

图4　总电路频率特性

2.2瞬态响应及其它特性分析

瞬态仿真结果如图所示。在输入电流幅值为200 μA、周期2 ns的脉冲下，输出电压的摆幅达到820 mV，其功耗仅为63.16 mW。如图5所示。

图5RGC跨阻放大器的瞬态响应

3　结论

本文介绍一种RGC跨阻放大电路，它由RGC前置电路与并联-并联负反馈二级电路构成，它的增益为69.94 dBΩ，-3 dB带宽为845 MHz，在5 V电源电压下功耗仅为63.16 mW。与普通的共源放大电路相比，它具有更好的增益、带宽，更低的功耗，可以满足光纤通讯系统中光信号高速、低误比特率的传输和处理要求。如表1所示，本文与近年发表的放大器相比较，对频率、增益和功耗做了更好的优化。

表1　本文电路与近年发表的放大器的性能比较

［1］易长根，明鑫，周泽坤，等.一种基于高压工艺的高精度电流采样电路［J］.微电子学，2010，40（2）：195-198.

［2］金杰，王春华，余飞.2.4 GHz可变增益CMOS跨阻放大器设计［J］.微电子学，2010，40（4）：556-560.

［3］刘帅锋，梁远军，李磊.单片集成CMOS光接收前端电路设计［J］.微电子学与计算机，2011，28（3）：99-107.

［4］Park S M，Yoo H J.1.25-Gbit/s Rregulated Cascade CMOS Transimpedance Amplifier for Gigabit Ethernet Applications［J］. IEEE Journal ofSolid-State Circuits，2004，39（1）：112-121.

［5］Behazad Razavi.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安：西安交通大学出版社，2003：70-77.

［6］Gray P R，Hurst P J，Lewis S H.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits［M］.Wiley，2001：145-153.

［7］朱正涌，张海洋，朱元红.半导体集成电路（第二版）［M］.北京：清华大学出版社，2009：177-186.

［8］杨仕强，方健，张波，等.一种高增益宽带共栅CMOS电流模跨阻放大器［J］.微电子学，2005，35（3）：308-310.

杨朋博（1994-），男，汉族，四川遂宁人，电子科技大学本科生，主要研究方向为微电子科学与技术，ypbqaz@163.com；

罗萍（1968-），女，汉族，四川广汉人，电子科技大学教授，主要研究方向为微电子科学与技术，pingl@uestc.edu.cn；

李世文（1994-），男，汉族，内蒙古呼和浩特人，电子科技大学本科生，主要研究方向为微电子科学与技术，shiwen_li@ foxmail.com；

王荣（1993-），男，汉族，安徽铜陵人，电子科技大学本科生，主要研究方向为集成电路设计与集成系统，wangrongifly@ qq.com。

A Cross Transimpedance Amplifier Design*

YANG Pengbo，LUO Ping*，LI Shiwen，WANG Rong
（University of Electronic Science and Technology of Microelectronics，Chengdu 610054，China）

The bandwidth and the parallel and parallel negative feedback and the transimpedance gain of transimpedance amplifier is improved by using the regulated cascode circuit configuration（RGC）.The transimpedance amplifier was designed with using 0.5 μm standard complementary metal-oxide semiconductor（CMOS）process.Test results show that the circuit has a transimpedance gain 69.93 dB，830 MHz-3 dB bandwidth.The input current is 1 μA，its dynamic output voltage swing reaches 4.5 mV at 5 V supply voltage and its consume power only 63.16 mW.

transimpedance amplifier；high-gain；high-bandwidth；RGC；CMOS

TN492

A

1005-9490（2016）05-1073-03

项目来源：电子科技大学创新基金项目

2015-10-10修改日期：2015-10-30

EEACC:122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.011