一种用于驱动级差分放大器的偏置电路的制作方法

1.本实用新型涉及微电子技术领域，具体而言涉及一种用于驱动差分放大器的偏置电路。


背景技术：

2.在5g光模块的应用场景中，功耗和链路信号质量是非常核心的指标，甚至会影响整个模块的商业化应用。在系统级的设计中，保持信号带宽和摆幅不变的情况下，降低功耗的最直接的方法是降低供电电压，但对于信号放大链路，每个器件都有最小的工作电压范围，想要减小供电电压必须在电路结构上进行优化，减小最低所需电源电压的值。而对于链路信号传输质量，受带宽、增益、失真等多重因素影响。
3.当前5g前传网络的光收发芯片，接受端的输出级和发射端的输出级都采用了差分的电流模逻辑(cml)，尾电流源的电流范围最大可达到0~150ma，且差分放大器需在传输28gbps的信号时保持眼图畸变在约束范围内。传统的晶体管源端接电阻的可变电流镜架构，为满足匹配要求所需电压域无法做低，且大面积的晶体管产生的寄生电容过大会影响差分放大器的上升下降沿的平衡，导致输出信号眼图的畸变恶化。因此需要一种新架构来对此电路进行优化。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种用于驱动级差分放大器的偏置电路，以解决现有技术中的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种用于驱动级差分放大器的偏置电路，用于接收光模块发射的电信号，并通过差分放大器将偏置电流输出至外部激光器，所述偏置电路包括放大电路、电流检测电路、目标电流设定电路、以及放大级链路；
7.所述放大级链路的第一输入端构成偏置电路的输入端，所述放大级链路的输出端分别与放大电路的输入端、电流检测电路的输入端相连，电流检测电路的输出端与目标电流设定电路的输入端相连，所述目标电流设定电路的输出端与放大级链路的第二输入端相连形成负反馈回路，用于对输入的正负电压进行调节，所述放大电路的输出端构成偏置电路的输出端，用于控制输出至外部激光器的电流大小。
8.进一步地，前述的放大级链路包括电阻r5、电阻r6、晶体管q8、晶体管q9、晶体管q10、晶体管q11、电流源i1、电流源i2、电流源i3，晶体管q8的基极与晶体管q9的基极构成放大级链路的第一输入端，晶体管q8的发射极与晶体管q9的发射极接入电流源i1的正极，晶体管q8的集电极分别与电阻r5的一端、晶体管q10的基极连接，晶体管q9的集电极分别与电阻r6的一端、晶体管q11的基极连接，电阻r5的另一端与电阻r6的另一端构成放大级链路的第二输入端；
9.所述晶体管q10的发射极与电流源i2的正极连接，构成放大级链路的第一输出端，
所述晶体管q11的发射极与电流源i3的正极连接，构成放大级链路的第二输出端，所述第一输出端与第二输出端分别均与放大电路的输入端、电流检测电路的输入端相连；
10.所述晶体管q10的集电极与晶体管q11的集电极相连，并接电源vdd，电流源i1的负极、电流源i2的负极、电流源i3的负极分别均接地。
11.进一步地，前述的电流检测电路包括晶体管q3、晶体管q4、晶体管q6、电阻r2、电阻r3，晶体管q3的发射极分别与晶体管q4的发射极、电阻r2的一端相连，晶体管q3的基极构成电流检测电路的第一输入端，晶体管q3的集电极分别与晶体管q4的集电极、晶体管q6的发射极相连，晶体管q4的基极构成电流检测电路的第二输入端，晶体管q6的集电极构成电流检测电路的第一输出端，晶体管q6的基极构成电流检测电路的第二输出端，所述电流检测电路的第一输出端与第二输出端分别与目标电流设定电路的输入端连接，电阻r3的另一端接电源vdd，电阻r2的另一端接地。
12.进一步地，前述的目标电流设定电路包括晶体管q7、可变电阻r4、运算放大器op1、以及电流源i4，所述晶体管q7的基极与电流检测电路的第二输出端连接，运算放大器op1的反相输入端与晶体管q7的集电极、可变电阻r4的一端连接，运算放大器op1的同相输入端与电流检测电路的的第一输入端连接，运算放大器op1的同相输入端与反相输入端构成目标电流设定电路的输入端，晶体管q7的发射极与电流源i4的正极连接，运算放大器的输出端构成目标电流设定电路的输出端，用于形成负反馈回路，可变电阻r4的另一端接电源vdd，电流源i4的负极接地。
13.进一步地，前述的放大电路包括晶体管q1、晶体管q2、电阻r1、晶体管q5、电感l1、电阻r7，所述晶体管q1的基极与放大级链路的第二输出端连接，所述晶体管q2的基极与放大级链路的第一输出端连接，晶体管q1相连后的基极与晶体管q2相连后的基极构成放大电路的输入端，所述晶体管q1的发射极和晶体管q2的发射极分别与电阻r1的一端连接，晶体管q1的集电极与晶体管q5的发射极连接，晶体管q5的集电极构成放大电路的输出端touta，晶体管q5的集电极分别连接电感l1的一端、电阻r7的一端、以及外部激光器的正极，晶体管q2的集电极构成放大电路的输出端toutc，晶体管q2的集电极与外部激光器的负极连接，所述输出端touta与输出端toutc构成偏置电路的输出端，电阻r7的另一端与电感l1连接并接电源vdd，电阻r1的另一端接地。
14.进一步地，前述的放大电路还包括至少一个差分对，所述差分对分别均包括晶体管q1、晶体管q2、电阻r1，各个差分对中包含的晶体管q1的基极、集电极分别相连，晶体管q2的基极、集电极分别相连。
15.本实用新型所述一种用于驱动级差分放大器的偏置电路，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
16.提出了在驱动级差分放大器中采用单电阻和反馈环的方式产生偏置电流的架构，并用分布式匹配的方式提高检测偏置电流的精度。在拓展了驱动级输出电压的最小工作范围的同时减小了驱动级输出瞬态波形的畸变。
附图说明
17.图1为本实用新型示例性实施例的一种偏置电路的示意图；
18.图2为本实用新型示例性实施例的一种驱动级放大器实现结构示意图；
19.图3为常规架构驱动级电路的示意图；
20.图4为电流源的寄生电容对输出波形的影响的示意图。
具体实施方式
21.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
22.在本实用新型中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本实用新型的实施例不局限于附图所示。应当理解，本实用新型通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
23.结合图1所示的示例性偏置电路的示意图，本技术提出一种提升驱动差分放大器工作电压范围和减小信号输出畸变的电路，通过采用单电阻和反馈环路的方式产生偏置电流，并用分布式匹配的方式提高检测偏置电流的精度，结合图1-图4，更加具体的描述偏置电路的详细工作过程。
24.如图1所示的示例性偏置电路的结构示意图，一种用于驱动级差分放大器的偏置电路，用于接收光模块发射的电信号，并通过差分放大器将偏置电流输出至外部激光器，该偏置电路包括放大电路、电流检测电路、目标电流设定电路、以及放大级链路；
25.所述放大级链路的第一输入端构成偏置电路的输入端，所述放大级链路的输出端分别与放大电路的输入端、电流检测电路的输入端相连，电流检测电路的输出端与目标电流设定电路的输入端相连，所述目标电流设定电路的输出端与放大级链路的第二输入端相连形成负反馈回路，用于对输入的正负电压进行调节，所述放大电路的输出端构成偏置电路的输出端，用于控制输出至外部激光器的电流大小。
26.作为优选方案，放大级链路包括电阻r5、电阻r6、晶体管q8、晶体管q9、晶体管q10、晶体管q11、电流源i1、电流源i2、电流源i3，晶体管q8的基极与晶体管q9的基极构成放大级链路的第一输入端，晶体管q8的发射极与晶体管q9的发射极接入电流源i1的正极，晶体管q8的集电极分别与电阻r5的一端、晶体管q10的基极连接，晶体管q9的集电极分别与电阻r6的一端、晶体管q11的基极连接，电阻r5的另一端与电阻r6的另一端构成放大级链路的第二输入端；
27.所述晶体管q10的发射极与电流源i2的正极连接，构成放大级链路的第一输出端，所述晶体管q11的发射极与电流源i3的正极连接，构成放大级链路的第二输出端，所述第一输出端与第二输出端分别均与放大电路的输入端、电流检测电路的输入端相连；
28.所述晶体管q10的集电极与晶体管q11的集电极相连，并接电源vdd，电流源i1的负极、电流源i2的负极、电流源i3的负极分别均接地。
29.作为优选方案，电流检测电路包括晶体管q3、晶体管q4、晶体管q6、电阻r2、电阻r3，晶体管q3的发射极分别与晶体管q4的发射极、电阻r2的一端相连，晶体管q3的基极构成电流检测电路的第一输入端，晶体管q3的集电极分别与晶体管q4的集电极、晶体管q6的发射极相连，晶体管q4的基极构成电流检测电路的第二输入端，晶体管q6的集电极构成电流检测电路的第一输出端，晶体管q6的基极构成电流检测电路的第二输出端，所述电流检测电路的第一输出端与第二输出端分别与目标电流设定电路的输入端连接，电阻r3的另一端
接电源vdd，电阻r2的另一端接地。
30.作为优选方案，目标电流设定电路包括晶体管q7、可变电阻r4、运算放大器op1、以及电流源i4，所述晶体管q7的基极与电流检测电路的第二输出端连接，运算放大器op1的反相输入端与晶体管q7的集电极、可变电阻r4的一端连接，运算放大器op1的同相输入端与电流检测电路的的第一输入端连接，运算放大器op1的同相输入端与反相输入端构成目标电流设定电路的输入端，晶体管q7的发射极与电流源i4的正极连接，运算放大器的输出端构成目标电流设定电路的输出端，用于形成负反馈回路，可变电阻r4的另一端接电源vdd，电流源i4的负极接地。
31.作为优选方案，放大电路包括晶体管q1、晶体管q2、电阻r1、晶体管q5、电感l1、电阻r7，所述晶体管q1的基极与放大级链路的第二输出端连接，所述晶体管q2的基极与放大级链路的第一输出端连接，晶体管q1相连后的基极与晶体管q2相连后的基极构成放大电路的输入端，所述晶体管q1的发射极和晶体管q2的发射极分别与电阻r1的一端连接，晶体管q1的集电极与晶体管q5的发射极连接，晶体管q5的集电极构成放大电路的输出端touta，晶体管q5的集电极分别连接电感l1的一端、电阻r7的一端、以及外部激光器的正极，晶体管q2的集电极构成放大电路的输出端toutc，晶体管q2的集电极与外部激光器的负极连接，所述输出端touta与输出端toutc构成偏置电路的输出端，电阻r7的另一端与电感l1连接并接电源vdd，电阻r1的另一端接地。
32.作为优选方案，放大电路还包括至少一个差分对，所述差分对分别均包括晶体管q1、晶体管q2、电阻r1，各个差分对中包含的晶体管q1的基极、集电极分别相连，晶体管q2的基极、集电极分别相连。
33.本实用新型的工作原理如下：
34.放大器由晶体管q1和晶体管q2形成差分对输入，晶体管q5采用共基级接法减少晶体管q1的电容米勒效应，电感l1和电阻r7构成输出负载的电源偏压，电感l1的作用是在低频提供电压高频提供摆幅以减小r7的直流电压消耗，电阻r1提供差分对的偏置电流，其电流值由晶体管q1和晶体管q2的源级电压的平均值决定。在电流检测电路中q3、q4和晶体管q1、q2的尺寸比例为m：1，电阻r2和电阻r1的阻值比例为1：m，通过这个电路可以将差分对的偏置电流以m：1的比例镜像到检测电路，并由电阻r3转换成电压，在目标电流设定电路中，经过运算放大器op1构成的反馈将输入端两点电压调节至等电位，则电阻r3和电阻r4上通过的电流值就由电阻值决定，保持r3电阻值不变，改变电阻r4的值就可以改变晶体管q3、晶体管q4和电阻r2上的电流值。进一步的，由于晶体管q3、q4与晶体管q1、q2的尺寸比例是1：m，而电阻r2和电阻r1的阻值比例是m：1，所以电阻r1上流过的电流就是电阻r2上电流的m倍，即通过设置电阻r4的值可设置电阻r1的电流。
35.对于放大级链路，在交流上形成信号通路，在直流上构成了电阻r1偏置电流反馈网络的一部分。当运算放大器op1的输入端正极电压未调节至与负极电压一致时，由于运放op1的高增益其输出端电压v
cmfb
会相应变化，继而改变晶体管q8和晶体管q9的集电极电压，继而改变晶体管q10和晶体管q11的发射极电压，继而改变电阻r2的电流导致运放放大器op1的正极电压更接近负极电压，形成一套完整的负反馈环路。
36.将驱动差分对的晶体管q1、晶体管q2和电阻r1设置成分布式结构，如图2所示，q1和q2分成m个与图1中晶体管q3、q4尺寸一致，r1分为m个电阻与图1中电阻r2尺寸一致，通过
这样的架构可以有效的提高驱动级和电流检测级的匹配精度。
37.图3提供了传统的通过电流镜方案形成偏置的结构，本专利提出的架构相比传统结构中驱动级发射极电压vc相比将会省下一个晶体管的v
ce
。进一步的减小vc可以减小驱动管q1和q2的最小工作电压，故本架构可有效提高输出级的工作电压范围。
38.同时在信号传输的瞬态响应方面，传统架构中产生偏置电流的晶体管q2的集电极端到地之间会有一个寄生电容c
t
，由于驱动级的偏置电流最多可达到100ma以上导致晶体管q2尺寸非常大相应的寄生电容c
t
也较大，对于一个伪随机码的输入方波信号，若不考虑寄生电容c
t
的影响，晶体管q3和晶体管q4的瞬态电流的变化如图4曲线所示，上升和下降沿保持平衡。而考虑寄生电容c
t
影响后，在上升沿电容c
t
会额外抽一定时间的电流，导致上升沿先提升至i
ss
+i
ct
后降至i
ss
，在输出波形上表现出一个过冲，如图4曲线所示，这个过冲对于激光器驱动器是不希望存在的。而经过本专利提出的电路，可以避免此电容的产生，起到改善瞬态波形的作用。
39.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。