1.本公开涉及电路技术领域，特别是涉及一种跨阻放大器和包括这样的跨阻放大器的光模块接收组件。
背景技术：2.单端输入跨阻放大器(tia)主要用于短距离传输中。对于具有差分输出的跨阻放大器而言，单端输入结构使跨阻放大器不具有对称性。当输入电流信号较大时，二阶谐波失真较大，而二阶谐波失真一直是制约跨阻放大器在大输入电流下保持其线性度的关键因素。
技术实现要素：3.提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
4.根据本公开的一方面，提供了一种跨阻放大器，包括：输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号，其中所述输入信号包括电流输入信号；输出端子，所述输出端子被配置为供应电压输出信号；跨阻放大电路，所述跨阻放大电路被配置为将所述电流输入信号转换成所述电压输出信号，所述跨阻放大电路包括第一晶体管，所述第一晶体管包括：控制端子，被配置为接收所述输入信号；第一端子；以及第二端子，被配置为经由上拉电阻连接至电源端子；谐波抑制电路，所述谐波抑制电路被配置为基于控制电压信号抑制所述第一晶体管的二阶谐波失真；以及控制电压调节电路，所述控制电压调节电路被配置为生成所述控制电压信号，并且与所述电流输入信号的变化负相关地调节所述控制电压信号。
5.根据本公开的另一方面，提供了一种光模块接收组件，包括如前所述的跨阻放大器或其变体。
6.根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
7.在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
8.图1是相关技术中的包括用于降低二阶谐波失真的退化电阻的跨阻放大器的示意性电路图；
9.图2是图示出根据本公开示例性实施例的跨阻放大器的示意性电路图；
10.图3是图示出根据本公开示例性实施例的控制电压调节电路的示意性电路图；并且
11.图4是图示出根据本公开另一示例性实施例的控制电压调节电路的示意性电路图。
具体实施方式
12.将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
13.本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“a和b中的至少一个”包括仅a、仅b、以及a和b两者。
14.将理解的是，当元件或层被称为“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”时，其可以直接连接到另一个元件或层、或直接耦合到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。术语“连接”和“耦合”在本文中可以互换地使用。
15.除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
16.图1是相关技术中的包括用于降低二阶谐波失真的退化电阻rd的跨阻放大器100的示意性电路图。单端输入跨阻放大器(tia)的二阶谐波失真一直是制约跨阻放大器在大输入电流下保持其线性度的关键因素。二阶谐波失真主要来自于输入级晶体管q0，如图所示。为了降低跨阻放大器的二阶谐波失真，在输入级晶体管q0与接地端子之间连接一退化电阻rd。然而，退化电阻rd会使q0的有效跨导减小，从而导致优化谐波失真难以避免地以牺牲q0的跨导为代价，进而使得跨阻放大器本身的增益降低。为了解决这一问题，通常的做法是增大q0的电流i
q0
或者退化电阻rd的阻值。但是，就退化电阻rd而言，其阻值也不能过大，否则便会引入不期望的热噪声。对于跨阻放大器而言，一个重要的性能指标是等效输入噪声电流，因而过多地提升退化电阻rd的阻值会引起跨阻放大器等效输入噪声电流的变大，从而影响跨阻放大器的灵敏度。
17.由此可知，通过提高rd的阻值来降低跨阻放大器的二阶谐波失真存在两个问题：首先，过大的rd会引入热噪声从而降低跨阻放大器的灵敏度，因而存在跨阻放大器的灵敏度与线性度的权衡，难以在这二者之间同时达到较优的折衷；其次，rd降低了q0的有效跨导，需要增大电流才能使放大器的环路增益达到理想值。
18.下面就包括用于降低二阶谐波失真的退化电阻的跨阻放大器作简单的电路分析。
19.在加入退化电阻rd之后，q0的电流电压关系可由下式表示：
[0020][0021]
其中v
be
表示q0的基极-发射极电压，vd表示电阻rd上的压降，v
t
表示热电压，其在室温下为一常数，is是与晶体管工艺相关的常数。
[0022]
同时，输入电压v
in
与v
be
和vd的关系如下式所示：
[0023]vin
＝v
be
+vdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
[0024]
根据式(1-1)以及(1-2)可得，q0电流与电压的二阶导数为：
[0025][0026]
从式(1-3)可知，加入rd之后，q0的二阶谐波失真反相关于r
d2
，对二阶谐波的抑制只能通过增大退化电阻rd的阻值或者增大i
q0
。
[0027]
需要指出的是，式(1-3)的二阶偏导(即，输入级晶体管q0的电流关于输入电压的二阶偏导)表示q0的二阶谐波失真。一般而言，q0的二阶谐波失真可视为跨阻放大器电路的谐波失真。
[0028]
下面将详细描述本公开的示例性实施例，其可以出于许多原因用来获益，例如，缓解或减轻这些不合期望的副作用。
[0029]
图2是图示出根据本公开示例性实施例的跨阻放大器200的示意性电路图。如图所示，跨阻放大器200包括输入端子，输入端子被配置为接收输入信号。输入信号包括电流输入信号i
in
。跨阻放大器200还包括输出端子，输出端子被配置为供应电压输出信号v
out
。
[0030]
跨阻放大器200还包括跨阻放大电路，其被配置为将电流输入信号i
in
转换成电压输出信号v
out
。跨阻放大电路包括第一晶体管q0，该第一晶体管q0包括控制端子、第一端子和第二端子。控制端子被配置为接收输入信号(包括电流输入信号i
in
)，并且第二端子被配置为经由上拉电阻连接至电源端子。
[0031]
需要说明的是，在第一晶体管q0为图示的npn晶体管的情况下，q0的控制端子即为基极，q1的第一端子即为发射极，并且q1的第二端子即为集电极。下文描述的q1、q2和q3亦同。
[0032]
跨阻放大器200还包括谐波抑制电路(图2中的n型场效应晶体管m1)和控制电压调节电路(图2中未示出)。谐波抑制电路被配置为基于控制电压信号v
gs
抑制第一晶体管的二阶谐波失真。控制电压调节电路被配置为生成控制电压信号v
gs
，并且与电流输入信号i
in
的变化负相关地调节控制电压信号v
gs
。由此，通过将相关技术中的退化电阻rd替换成谐波抑制电路以及相应的控制电压调节电路，可以在兼顾跨阻放大器灵敏度和环路增益的情况下消除二阶谐波失真，并进而改善跨阻放大器的线性度。
[0033]
需要注意的是，尽管图2将谐波抑制电路图示为n型场效应晶体管形式的晶体管m1，但是本领域技术人员可以理解其他实施例是可能的。可根据需要来采用其他形式的谐波抑制电路，例如，变阻器电路等。
[0034]
下面以n型场效应晶体管为例，就包括用于降低二阶谐波失真的谐波抑制电路的跨阻放大器作简单的电路分析。
[0035]
在加入m1之后，q0的电流电压关系可由下式表示：
[0036][0037]
同时，输入电压v
in
与v
be
和v
ds
的关系如下式所示：
[0038]vin
＝v
be
+v
ds
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-2)
[0039]
根据式(2-1)以及(2-2)可得，q0电流与电压的二阶导数为：
[0040][0041]
其中，v
be
表示q0的基极-发射极电压，v
ds
表示晶体管m1上的压降，v
t
表示热电压，其在室温下为一常数，is是与晶体管工艺相关的常数，v
th
表示晶体管m1的阈值电压，μn表示晶体管m1的迁移率，c
ox
表示晶体管m1栅极氧化层的介电常数，w/l表示晶体管m1的沟道的宽长比。
[0042]
根据示例性实施例，第一晶体管q0是npn晶体管，并且谐波抑制电路包括n型场效应晶体管m1。n型场效应晶体管m1包括控制端子、第一端子和第二端子。控制端子被配置为接收控制电压信号v
gs
。第一端子连接至接地端子。此外，第二端子连接至第一晶体管q0的第一端子(在第一晶体管为图示的npn晶体管的情况下，q0的第一端子即为q0的发射极)。
[0043]
通过观察式(2-3)可知，通过合理选择m1的栅极电压vgs以及宽长比w/l，可将q0引入的二阶谐波失真至少部分地消除乃至完全消除。与式(1-3)的构造不同，式(2-3)的分子包含两项，前一项表征n型场效应晶体管m1的非线性度，而后一项则表征第一晶体管q0的线性度。因此，通过给定m1的宽长比w/l来选择控制电压信号v
gs
(即，通过合理的偏压)，或者通过给定控制电压信号v
gs
来选择m1的宽长比w/l，抑或是通过同时对w/l和v
gs
进行选择，能够容易地使式(2-3)分子上的两项之差为零，从而完全消除二阶谐波失真。相比于在式(1-3)中只能通过增大退化电阻rd的阻值或者增大i
q0
来使分母变大从而使整个分式的值变小，这使得有效且彻底地消除跨阻放大器的二阶谐波失真成为可能，同时又避免了跨阻放大器的灵敏度和有效跨导的降低，从而实现了跨阻放大器的灵敏度与线性度之间的良好折衷并且整个电路的环路增益没有被降低。
[0044]
需要进一步说明的是，当输入电流很小时，跨阻放大器电路的线性度良好，此时对跨阻放大器的性能构成约束的主要因素是噪声。作为跨阻放大器电路的额外器件，需要最小化m1所贡献的噪声，因而m1的导通电阻需要被降得很低。为此目的，在考虑到m1所能够承受的最大电压的情况下，v
gs
应被尽可能地抬高。而当输入电流不断增大时，此时影响跨阻放大器性能的因素逐渐从噪声转变为谐波失真(尤其是二阶谐波失真)。为降低谐波失真，可以与电流输入信号i
in
的变化(即，逐渐变大)成负相关地降低控制电压信号v
gs
以使m1的导通电阻增大，从而抑制跨阻放大器的二阶谐波失真。前述过程可由下面更一般化的表达式解说。
[0045]
hd2
改进
＝hd2
原始
/(1+gm*r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
其中，hd2表示二阶谐波失真，gm表示q0的本征跨导，r表示退化电阻rd或m1的导通电阻的阻值。
[0047]
需要注意的是，假设r的取值(即，退化电阻rd和m1的导通电阻的阻值)相等且两者都非常大(例如，都能使式(3)右侧趋于零)，考虑到式(2-3)，有源器件m1的抑制作用相比电
阻而言对谐波失真的抑制效果仍更强(例如，可通过调整式(2-3)的分子中的不涉及m1导通电阻阻值大小的其余参数，以使分子变为零)。
[0048]
从上述分析可知，为降低谐波失真，可以与电流输入信号i
in
的变化(即，逐渐变大)成负相关地降低控制电压信号v
gs
以使m1的导通电阻增大，从而抑制跨阻放大器的二阶谐波失真。为此，需要获得用于调节控制电压信号v
gs
的机制。
[0049]
图3是图示出根据本公开示例性实施例的控制电压调节电路300的示意性电路图。如图所示，控制电压调节电路300包括峰值检波电路310和比较器320。跨阻放大器的差分输出信号被峰值检波电路读出作为tia输入电流大小的表征。作为示例，检波输出结果vo与参考电位vref进行比较，如果vo大于vref则调低v
gs
，反之则升高vgs。尽管图3图示出将vo馈送至比较器320的
“‑”
端子且将参考电位vref馈送至“+”端子，但是本领域技术人员可以理解其他实施例是可能的，图示的电路布置对本公开的保护范围不构成限制。
[0050]
根据示例性实施例，控制电压调节电路300包括峰值检波电路310和比较器320。峰值检波电路310被配置为检测电压输出信号v
out
的峰值作为所述电流输入信号i
in
的峰值的表征，并输出表示电流输入信号i
in
的峰值的表征电压信号vo。比较器320被配置为将表征电压信号vo与参考电压信号vref进行比较，并基于参考电压信号vref与表征电压信号vo的差值来调节所述控制电压信号v
gs
的大小。
[0051]
图4是图示出根据本公开另一示例性实施例的控制电压调节电路400的示意性电路图。如图所示，控制电压调节电路400包括收到信号强度检测电路rssi 410和比较器420。将rssi的输出电压vrssi与参考电位vref进行比较，如果vo大于vref则调低vgs，反之则升高vgs。尽管图3图示出将vrssi馈送至比较器420的
“‑”
端子且将参考电位vref馈送至“+”端子，但是本领域技术人员可以理解其他实施例是可能的，图示的电路布置对本公开的保护范围不构成限制。
[0052]
根据示例性实施例，控制电压调节电路400包括输入信号强度检测电路410和比较器420。输入信号强度检测电路410被配置为检测电流输入信号的大小并输出表示电流输入信号的大小的表征电压信号。比较器420被配置为将表征电压信号与参考电压信号进行比较，并基于参考电压信号与表征电压信号的差值来调节控制电压信号v
gs
的大小。
[0053]
在一些实施例中，信号强度检测电路410可包括限幅放大器、直流失调电路和全波整流器。在又一些实施例中，信号强度检测电路410可包括限幅放大器、全波整流器、失调减法器、直流失调提取电路和输出缓冲器。需要指出的是，本领域技术人员可以理解关于信号强度检测电路410的其他实现方式也是可能的。
[0054]
返回参考图2，根据示例性实施例，跨阻放大电路还包括电流源电路以及第二晶体管(如图2所示的q2)。第二晶体管连接在所述电源端子与所述电流源电路之间。第二晶体管包括控制端子、第一端子和第二端子。控制端子连接到跨阻放大器的输出端子，第一端子连接至电流源电路，并且第二端子连接至电源端子。第一晶体管的控制端子经由反馈电阻(如图2中的rf)连接至第二晶体管的第一端子。
[0055]
在一些实施例中，可根据整体电路的功耗要求将电流源电路设置成可编程电流源。
[0056]
根据示例性实施例，电流源电路包括第三晶体管(如图2所示的q3)。该第三晶体管包括控制端子、第一端子和第二端子。控制端子被配置为接收第一偏置电压(如图2中的
vb)，第一端子连接至接地端子，并且第二端子连接至第二晶体管的第一端子。
[0057]
根据示例性实施例，跨阻放大电路还包括第四晶体管(如图2所示的q1)。第四晶体管包括控制端子、第一端子和第二端子。控制端子被配置为接收第二偏置电压(如图2中的v
cas
)，第一端子连接至第一晶体管的第二端子，并且第二端子连接到第二晶体管的控制端子并经由上拉电阻(如图2所示的r
l
)连接至电源端子。需要指出的是，第四晶体管q1是可任选的。
[0058]
根据示例性实施例，第二晶体管q2、第三晶体管q3和第四晶体管q1中的一者或多者可以是npn晶体管。当第三晶体管q3是npn晶体管时，第三晶体管q3的发射极经由下拉电阻(如图2所示的rb)连接至接地端子。
[0059]
根据示例性实施例，第二晶体管q2、第三晶体管q3和第四晶体管q1中的一者或多者可以是n型场效应晶体管。
[0060]
还提供了一种光模块接收组件，包括如前述实施例中任一项所述的跨阻放大器200。
[0061]
虽然在附图和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，术语“多个”是指两个或两个以上，并且术语“基于”应解释为“至少部分地基于”。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。
技术特征：1.一种跨阻放大器，包括：输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号，其中所述输入信号包括电流输入信号；输出端子，所述输出端子被配置为供应电压输出信号；跨阻放大电路，所述跨阻放大电路被配置为将所述电流输入信号转换成所述电压输出信号，所述跨阻放大电路包括第一晶体管，所述第一晶体管包括：控制端子，被配置为接收所述输入信号；第一端子；以及第二端子，被配置为经由上拉电阻连接至电源端子；谐波抑制电路，所述谐波抑制电路被配置为基于控制电压信号抑制所述第一晶体管的二阶谐波失真；以及控制电压调节电路，所述控制电压调节电路被配置为生成所述控制电压信号，并且与所述电流输入信号的变化负相关地调节所述控制电压信号。2.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中，所述第一晶体管是npn晶体管，并且所述谐波抑制电路包括n型场效应晶体管，所述n型场效应晶体管包括：控制端子，被配置为接收所述控制电压信号；第一端子，连接至接地端子；以及第二端子，连接至所述第一晶体管的第一端子。3.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中，所述控制电压调节电路包括：峰值检波电路，所述峰值检波电路被配置为检测所述电压输出信号的峰值作为所述电流输入信号的峰值的表征，并输出表示所述电流输入信号的峰值的表征电压信号；以及比较器，所述比较器被配置为将所述表征电压信号与参考电压信号进行比较，并基于所述参考电压信号与所述表征电压信号的差值来调节所述控制电压信号的大小。4.如权利要求1所述的跨阻放大器，其中，所述控制电压调节电路包括：输入信号强度检测电路，所述输入信号强度检测电路被配置为检测所述电流输入信号的大小并输出表示所述电流输入信号的大小的表征电压信号；以及比较器，所述比较器被配置为将所述表征电压信号与参考电压信号进行比较，并基于所述参考电压信号与所述表征电压信号的差值来调节所述控制电压信号的大小。5.如前述权利要求中任一项所述的跨阻放大器，其中，所述跨阻放大电路还包括：电流源电路；以及第二晶体管，所述第二晶体管连接在所述电源端子与所述电流源电路之间，并且包括：控制端子，连接到所述输出端子；第一端子，连接至所述电流源电路；以及第二端子，连接至所述电源端子，其中，所述第一晶体管的控制端子经由反馈电阻连接至所述第二晶体管的第一端子。6.如权利要求5所述的跨阻放大器，其中，所述电流源电路包括第三晶体管，所述第三晶体管包括：控制端子，被配置为接收第一偏置电压；第一端子，连接至接地端子；以及第二端子，连接至所述第二晶体管的第一端子。7.如权利要求6所述的跨阻放大器，其中，所述跨阻放大电路还包括第四晶体管，所述第四晶体管包括：控制端子，被配置为接收第二偏置电压；第一端子，连接至所述第一晶体管的第二端子；以及第二端子，连接到所述第二晶体管的控制端子，并经由所述上拉电阻连接至所述电源端子。8.如权利要求7所述的跨阻放大器，其中，所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第
四晶体管中的一者或多者为npn晶体管，其中，当所述第三晶体管是npn晶体管时，所述第三晶体管的发射极经由下拉电阻连接至所述接地端子。9.如权利要求7所述的跨阻放大器，其中，所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管中的一者或多者为n型场效应晶体管。10.一种光模块接收组件，包括如前述权利要求中任一项所述的跨阻放大器。
技术总结提供了一种跨阻放大器，包括：输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号，其中所述输入信号包括电流输入信号；输出端子，所述输出端子被配置为供应电压输出信号；跨阻放大电路，所述跨阻放大电路被配置为将所述电流输入信号转换成所述电压输出信号，所述跨阻放大电路包括第一晶体管，所述第一晶体管包括：控制端子，被配置为接收所述输入信号；第一端子；以及第二端子，被配置为经由上拉电阻连接至电源端子；谐波抑制电路，所述谐波抑制电路被配置为基于控制电压信号抑制所述第一晶体管的二阶谐波失真；以及控制电压调节电路，所述控制电压调节电路被配置为生成所述控制电压信号，并且与所述电流输入信号的变化负相关地调节所述控制电压信号。所述控制电压信号。所述控制电压信号。
技术研发人员：曹谊 祁韵 肖家伟
受保护的技术使用者：玏芯科技（广州）有限公司
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
