基于碳纳米管的跨组放大器及光接收机

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管的跨组放大器及光接收机。

背景技术

在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。这使得光接收机前端放大电路的设计尤为重要，而跨阻放大器TIA是前端放大电路中非常关键的模块，直接影响着光纤传输系统的速度和灵敏度。

CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺因其特征频率的限制，以及寄生电容、噪声等缺点，难以在高速电路中运用。但随着CMOS工艺发展，MOS器件的沟道长度可以做得越来越小，CMOS工艺的特征频率越来越高，甚至可以达到100GHz，使得基于CMOS工艺的高速芯片的设计变得可行。

现需设计一种基于CMOS工艺的合理电路，以要求设计的跨阻放大器具有较高的增益对检测到的光电流进行放大，同时需要将检测到的光电流转换成电压信号以供后级电路处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高增益、低噪声放大光电流，且具有单片集成特点的基于碳纳米管的跨组放大器及光接收机。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于碳纳米管的跨组放大器，包括：第一差分放大电路，其反相输入端作为跨阻放大器的反相输入端，并连接于一光电探测器的输出端，其同相输入端连接偏置电压Vin1+，其输出端输入放大的电压信号至第二差分放大电路；第二差分放大电路，其反相输入端连接于第一差分放大电路的输出端，其同相输入端连接偏置电压Vin2+，其输出端输入放大的电压信号至源极跟随器电路；源极跟随器电路，其输入端连接于第二差分放大电路的输出端，其输出端作为跨阻放大器的输出端；以及偏置电路，适于分别为第一、第二差分放大电路提供偏置电压。

进一步的，所述第一差分放大电路包括：第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4和第五PMOS晶体管M5；其中所述第一PMOS晶体管M1的栅极连接反相输入端，以接收光电探测器输出的光电流；所述第二PMOS晶体管M2的栅极连接同相输入端，以输入一个偏置电压Vin1+；所述第三NMOS晶体管M3和第四NMOS晶体管M4构成了电流镜，且各源极均接地Gnd；所述第五PMOS晶体管M5的漏极与第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2的源极连接，其源极连接电源电压VDD，其栅极电压由所述偏置电路提供。

进一步的，所述第一差分放大电路还包括：位于第一PMOS晶体管M1的栅极和第一差分放大电路的输出端之间的反馈电阻。

进一步的，所述第二差分放大电路包括：第十PMOS晶体管M10、第十一PMOS晶体管M11、第十二PMOS晶体管M12、第十三NMOS晶体管M13和第十四NMOS晶体管M14；其中所述第十一PMOS晶体管M11的栅极连接于第一差分放大电路的输出端；所述第十二PMOS晶体管M12的栅极连接同相输入端，以输入一个偏置电压Vin2+；所述第十三NMOS晶体管M13和第十四NMOS晶体管M14构成了电流镜，且各源极均接地Gnd；所述第十PMOS晶体管M10的漏极与第十一PMOS晶体管M11、第十二PMOS晶体管M12的源极连接，其源极接电源电压VDD，其栅极电压由所述偏置电路提供。

进一步的，所述源极跟随器电路包括：第六PMOS晶体管M6和第七PMOS晶体管M7；其中所述第六PMOS晶体管M6的栅极电压由所述偏置电路提供，其源极接电源电压VDD，其漏极与第七PMOS晶体管M7的源极连接；所述第七PMOS晶体管M7的栅极连接于第二差分放大电路的输出端，其漏极接地Gnd。

进一步的，所述偏置电路包括：第八PMOS晶体管M8和第九NMOS晶体管M9；其中所述第九NMOS晶体管M9的栅极连接一个偏置电压Vbiasn，其源极接地Gnd，其漏极与第八PMOS晶体管M8的漏极连接；所述第八PMOS晶体管M8的栅极、漏极与第九NMOS晶体管M9的漏极连接，其源极连接电源电压VDD，且第八PMOS晶体管M8的栅极、漏极还与第五PMOS晶体管M5和第六PMOS晶体管M6的栅极连接。

另一方面，本发明还提供了一种光接收机，包括：如前所述的跨阻放大器；光电探测器，与所述跨阻放大器集成在同一芯片上；所述光电探测器的输出端连接于跨阻放大器的反相输入端；以及所述跨阻放大器适于对光电探测器输出的光电流进行放大并将该光电流转换成电压信号以供后级电路处理。

进一步的，所述光电探测器适于采用光电二极管。

本发明的有益效果是，本发明提供了一种基于碳纳米管的跨阻放大器，该跨阻放大器采用三级电路结构：第一差分放大电路，其反相输入端作为跨阻放大器的反相输入端以接收光电探测器输出的光电流，输出放大的电压信号，同时具有反馈电阻，采用差分电路较高输入阻抗放大电路具有更高的动态范围；第二差分放大电路，其反相输入端连接第一差分放大电路的输出端以接收第一差分放大电路的输出电压信号，输出的是二次放大的电压信号，与高输入阻抗放大电路相比，本跨阻放大器的放大电路结构降低了共模噪声；源极跟随器电路，连接第二差分放大电路以追踪输出的放大电压信号，可以驱动非常小的负载，提高转换速率，采用前述的三级电路结构的跨阻放大器具有高增益、低噪声放大光电流的优点，且具有单片集成的特点。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于碳纳米管的跨阻放大器的优选实施例的电路原理图；

图2是本发明基于碳纳米管的光接收机的优选实施例的电路原理图；

图3是本发明涉及的晶体管结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种基于碳纳米管的跨阻放大器，包括：第一差分放大电路，其反相输入端作为跨阻放大器的反相输入端，并连接于一光电探测器的输出端，其同相输入端连接偏置电压Vin1+，其输出端输入放大的电压信号至第二差分放大电路；第二差分放大电路，其反相输入端连接于第一差分放大电路的输出端，其同相输入端连接偏置电压Vin2+，其输出端输入放大的电压信号至源极跟随器电路；源极跟随器电路，其输入端连接于第二差分放大电路的输出端，其输出端作为跨阻放大器的输出端；以及偏置电路，适于分别为第一、第二差分放大电路提供偏置电压。

在本实施方式中，跨阻放大器电路采用了三级电路。第一差分放大器，输入光电探测器的输出电流，同时具有反馈电阻，采用差分电路比具有比高输入阻抗放大电路具有更高的动态范围；第二差分放大器，输入第一差分放大器的输出电压，输出进一步放大的电压，比高输入阻抗放大器电路减少了共模噪声；源极跟随器电路，可以驱动非常小的负载，转换速率也会提高。

在本实施例中，所述第一差分放大电路包括：第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4和第五PMOS晶体管M5；其中所述第一PMOS晶体管M1的栅极连接反相输入端，以接收光电探测器输出的光电流，即经反相输入端输入光电探测器检测到的光电流至跨阻放大器，；所述第二PMOS晶体管M2的栅极连接同相输入端，以输入一个偏置电压Vin1+；所述第三NMOS晶体管M3和第四NMOS晶体管M4构成了电流镜，且各源极均接地Gnd；所述第五PMOS晶体管M5近似恒流源，其漏极与第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2的源极连接，其源极连接电源电压VDD，其栅极电压由所述偏置电路提供，以给第一差分放大电路提供稳定的偏置电流。

在本实施例中，所述第一差分放大电路还包括：位于第一PMOS晶体管M1的栅极和第一差分放大电路的输出端之间的反馈电阻。

在本实施方式中，所述反馈电阻连接在反相输入端和第一差分放大输出端之间。输入端耦合了设计的光电探测器以将检测到的光电流输入到跨阻放大器。

在本实施例中，所述第二差分放大电路包括：第十PMOS晶体管M10、第十一PMOS晶体管M11、第十二PMOS晶体管M12、第十三NMOS晶体管M13和第十四NMOS晶体管M14；其中所述第十一PMOS晶体管M11的栅极连接于第一差分放大电路的输出端；所述第十二PMOS晶体管M12的栅极连接同相输入端，以输入一个偏置电压Vin2+；所述第十三NMOS晶体管M13和第十四NMOS晶体管M14构成了电流镜，且各源极均接地Gnd；所述第十PMOS晶体管M10近似恒流源，其漏极与第十一PMOS晶体管M11、第十二PMOS晶体管M12的源极连接，其源极接电源电压VDD，其栅极电压由所述偏置电路提供，以给第二差分放大电路提供稳定的偏置电流。

在本实施例中，所述源极跟随器电路包括：第六PMOS晶体管M6和第七PMOS晶体管M7；其中所述第六PMOS晶体管M6是一个有源负载管，其栅极电压由所述偏置电路提供，其源极接电源电压VDD，其漏极与第七PMOS晶体管M7的源极连接，并连接了Vout，可以检测输出的电压信号；所述第七PMOS晶体管M7的栅极连接于第二差分放大电路的输出端，其漏极接地Gnd。

在本实施例中，所述偏置电路包括：第八PMOS晶体管M8和第九NMOS晶体管M9；其中所述第九NMOS晶体管M9的栅极连接一个偏置电压Vbiasn，其源极接地Gnd，其漏极与第八PMOS晶体管M8的漏极连接；所述第八PMOS晶体管M8的栅极、漏极与第九NMOS晶体管M9的漏极连接，其源极连接电源电压VDD，且由于偏置电路要给两级差分放大电路提供偏置电压，所以第八PMOS晶体管M8的栅极、漏极还与第五PMOS晶体管M5和第六PMOS晶体管M6的栅极连接。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，本实施例2提供了一种基于碳纳米管的光接收机，包括：如实施例1所述的跨阻放大器；光电探测器，与所述跨阻放大器集成在同一芯片上；所述光电探测器的输出端连接于跨阻放大器的反相输入端；以及所述跨阻放大器适于对光电探测器输出的光电流进行放大并将该光电流转换成电压信号以供后级电路处理。

具体的，如图3所示，本实施例的组成跨阻放大器的PMOS晶体管和NMOS晶体管都是使用碳纳米管材料制作，其沟道材料使用了碳纳米管，且晶体管都是顶栅结构，当管径小于6nm时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。晶体管的栅介质采用了氧化铪，氧化铪在常温常压下性质稳定。

具体的，本方案中所采用的晶体管在硅衬底上长有一层很薄的碳纳米管，碳纳米管不仅具有导电特性，而且具有很好的光学特性，这方便了光电探测器和跨阻放大器能够集成在同一个芯片上，光电探测器使用光电二极管，实现了单片集成。

在本实施例中，所述光电探测器适于采用光电二极管。

综上所述，本发明提供了一种基于碳纳米管的跨阻放大器及光接收机，使用碳纳米管材料代替传统的硅基材料，采用CMOS工艺制作跨阻放大器的晶体管，在常温常压下性质更稳定，提升了导电性能。其次，跨阻放大器与设计的光电探测器耦合在一起实现了单片集成，结构更简单，通过光电探测器和跨阻放大器结合制作一个光接收机，在系统上输入光信号来实现光信号的放大。且本基于碳纳米管的跨阻放大器采用三级电路结构：第一差分放大电路，其反相输入端作为跨阻放大器的反相输入端以接收光电探测器输出的光电流，输出放大的电压信号，同时具有反馈电阻，采用差分电路较高输入阻抗放大电路具有更高的动态范围；第二差分放大电路，其反相输入端连接第一差分放大电路的输出端以接收第一差分放大电路的输出电压信号，输出的是二次放大的电压信号，与高输入阻抗放大电路相比，本跨阻放大器的放大电路结构降低了共模噪声；源极跟随器电路，连接第二差分放大电路以追踪输出的放大电压信号，可以驱动非常小的负载，提高转换速率，采用前述的三级电路结构的跨阻放大器具有高增益、低噪声放大光电流的优点，且具有单片集成的特点。

本申请中选用的各个器件(未说明具体结构的部件)均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。