阅读说明：本技术 跨阻放大器电路 (transimpedance amplifier circuit ) 是由 约翰·克里斯托弗·斯谢特 谢尔吉·古德里耶夫 于 2018-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种包括用于将两个输入电流转换成两个输出电压的跨阻放大器的电路,所述电路具有包括第一输入电压被施加到的以及第一输入电流流入的第一输入的第一放大器部件,并且具有包括第二输入电压被施加到的以及第二输入电流流入的第二输入的第二放大器部件,其中,第一放大器部件和第二放大器部件连接到公共电源电压,第一放大器部件和第二放大器部件连接到公共电流源,第一放大器部件的输入和第二放大器部件的输入具有不同的直流电压,并且第一放大器部件和第二放大器部件被设计为使得第一放大器部件的输出电压与第一放大器部件的输入电流成比例,并且第二放大器部件的输出电压与第二放大器部件的输入电流成比例。(The invention relates to a circuit comprising a transimpedance amplifier for converting two input currents into two output voltages, the circuit has a first amplifier section comprising a first input to which a first input voltage is applied and into which a first input current flows, and has a second amplifier section including a second input to which a second input voltage is applied and into which a second input current flows, wherein the first amplifier section and the second amplifier section are connected to a common supply voltage, the first amplifier section and the second amplifier section are connected to a common current source, an input of the first amplifier section and an input of the second amplifier section have different direct current voltages, and the first amplifier means and the second amplifier means are designed such that the output voltage of the first amplifier means is proportional to the input current of the first amplifier means, and the output voltage of the second amplifier component is proportional to the input current of the second amplifier component.)

跨阻放大器电路

技术领域

本发明涉及一种包括用于将两个输入电流转换成两个输出电压的跨阻放大器的电路，所述电路包含包括第一输入电压被施加到的以及第一输入电流流入的第一输入的第一放大器部件，并且包含包括第二输入电压被施加到的以及第二输入电流流入的第二输入的第二放大器部件。

背景技术

跨阻放大器尤其用于将输入电流信号转换为输出电压信号。输入电流信号可以例如是光电二极管的电流。跨阻放大器接收由光电二极管输出的电流信号，将该电流信号转换为相应的电压信号，并输出电压信号。电压信号可以可选地借助于放大器被放大。

US 5 345 073A公开了一种包含跨阻放大器的电路，光电二极管对称地连接到该跨阻放大器的输入。在这种情况下，光电二极管的阴极和阳极直接连接到跨阻放大器的输入。跨阻放大器包含两个并联的电流分支，为了放大的目的，在每个分支中安排了多个晶体管。电路的优点在于，光电二极管直接连接到放大器输入，即，无需耦合电容器，因为其结果是，信号路径中没有附加的组件，从而高频特性和噪声被改善，并且成本被降低。光电二极管被对称地连接，从而一方面光电二极管的差分操作是可行的，并且因此，一方面，共模抑制比被提高，并且另一方面，二极管的阳极的电流和阴极的电流两者可以用作放大器的输入电流。可以使用合适的操作点电压来偏置光电二极管。跨阻放大器的已知电路的一个缺点是在其输入处需要附加的放大器(晶体管和电流源晶体管)，使电路更加复杂并降低了噪声性能。附加的缺点是，在输入处的附加的放大器使至少两个集电极-发射极电压(特别是电流源晶体管的集电极-发射极电压和共基极电路中的晶体管的集电极-发射极电压)所需的，包括二极管的操作点电压的电源电压的增加。

发明内容

本发明的目的是开发一种包含跨阻放大器的电路，在输入侧上光电二极管对称地连接到该跨阻放大器，而没有耦合电容器，并且该电路使设置光电二极管的操作点电压是可行的，使得噪声、电源电压和电路复杂性被降低。

为了实现该目的，与专利权利要求1相关的本发明的特征在于，第一放大器部件和第二放大器部件连接到公共电源电压，第一放大器部件和第二放大器部件连接到公共电流源，第一放大器部件的输入和第二放大器部件的输入具有不同的DC电压，并且第一放大器部件和第二放大器部件以下述方式配置，所述方式使得第一放大器部件的输出电压与第一放大器部件的输入电流成比例，并且第二放大器部件的输出电压与第二放大器部件的输入电流成比例。

根据本发明，提供了一种具有相对小的噪声行为、低电源电压和更低的电路复杂度的跨阻放大器。它可以以多种方式使用，尤其是用于例如光电检测器、霍尔传感器、压力传感器或温度传感器的高频范围内的检测器或传感器的电流信号的低噪声放大。

根据本发明的优选实施例，光电二极管在输入侧对称地连接到跨阻放大器，其中，光电二极管的阳极和阴极直接连接到跨阻放大器的输入端子。在跨阻放大器的输入处，不需要诸如电容器和电阻器的附加的组件，其会降低跨阻放大器的带宽和灵敏度，或者使噪声变差。本发明实现以有成本效益的方式提供跨阻放大器。跨阻放大器包括操作点调节部件，借助于该操作点调节部件，例如使光电二极管的阻断电压的调节是可行的。有利地，作为其结果，可以以简单的方式将不同类型的光电二极管连接到跨阻放大器的输入，或者可以设置光电二极管的操作点使得暗电流可以被最小化或带宽可以被最大化。由于在跨阻放大器的输入侧上没有布置附加的组件，因此可以将跨阻放大器的噪声保持为低，并将带宽保持为高。

根据本发明的一个改进，在跨阻放大器的输出侧上设置有差分电压比较单元，借助于该差分电压比较单元，跨阻放大器的正输出端子与负输出端子之间的DC电压差可以被减小为零。

根据本发明的优选实施例，差分电压平衡单元由无源高通滤波器形成。所述高通滤波器由连接到输出端子的电容器构成。有利地，在正输出端子处和在负输出端子处的电压信号分布可以因此被设置为共同的DC电压电平。

根据本发明的改进，差分电压平衡单元由反馈电路部件形成。所述部件包含低通滤波器、误差校正放大器以及晶体管电路部件，从而在跨阻放大器的输入侧上，差分电流的自动达成的流动使得在正输出端子和在负输出端子处的电压信号分布被设置为共同的DC电压电平。与上述的改进相比，由此也可以实现RSSI(接收信号强度指示器)、突发模式操作和信道故障监视。

本发明尤其实现了放大因子的低电源电压倒数(高电源抑制比，PSRR)，具有由于跨阻放大器的完全差分输入电平和完全差分设计的同时地高差分模式增益的低共模增益。由于光电二极管直接连接到跨阻放大器的输入处的输入端子，因此不存在附加的寄生电容。本发明可以优选地用于例如，基于硅光子技术的单片多通道接收器中。

附图说明

基于附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

描述如下：

图1：本发明的框图

图2：本发明的示例性详细实施例

图3：包含没有反馈的差分电压平衡单元的根据本发明的电路的替选实施例

图4：包含具有反馈的差分电压平衡单元的根据本发明的电路的替选实施例

具体实施方式

根据图1，根据本发明的电路包含具有第一放大器部件30和第二放大器部件31的跨阻放大器20。第一放大器部件30和第二放大器部件31连接到公共电源电压9。为了设置操作点，第一放大器部件30和第二放大器部件31各自连接到相同或公共电流源11。电路20被配置为跨阻放大器。

第一放大器部件30具有第一输入电压U_in+被施加到的以及第一输入电流I_in+流入的第一输入端子32。此外，第一放大器部件30具有第一输出端子33，在第一输出端子33处存在输出电压U_vo-。

第二放大器部件31具有第二输入电压U_in-被施加到的以及第二输入电流I_in-流入的第二输入端子34。此外，第二放大器部件31具有第二输出端子35，在第二输出端子35处存在第二输出电压U_vo+。

根据未示出的电路20的替选实施例，可以省略电流源11，使得第一放大器部件30和第二放大器部件31各自连接到接地端子。电流源11的省略对于这样的使用情况是有利的，在这种情况下，电路以相对低的电源电压进行操作。更高的放大系数的电源电压倒数(更低的电源抑制比，PSRR)是不利的。

第一放大器部件30和第二放大器部件31可以各自被配置为单级或多级晶体管布置。有利地，它们包含相同的晶体管或晶体管的数量。第一放大器部件30和第二放大器部件31各自被配置为使得第一输出电压U_vo-与第一输入电流I_in+成比例，并且第二输出电压U_vo+与第二输入电流I_in-成比例。有利地，由此提供了与US 5 345 073A中描述的跨阻放大器相比具有显着更低的噪声和更低的电源电压的跨阻放大器。电路20还可以用作不具有附接的传感器的纯电压放大器。替选地，传感器或检测器，例如霍尔传感器或光电二极管，可以连接到第一放大器部件30和第二放大器部件31的输入32、34。在图1中，通过示例，光电二极管2连接在第一放大器部件30的第一输入端子32和第二放大器部件31的第二输入端子34之间。

传感器2经由第一端子直接连接到第一放大器部件30的输入32，并且经由第二端子连接到第二放大器部件31的输入34。优选地，传感器2被采用具有对称的电特性，以便实现跨阻放大器的最佳性能。对于这个目的，放大器部件30、31的输入端子32、34具有相同的特性和充电条件。替选地，电路20还运行为具有不对称的电特性。

在本发明的另一实施例中，传感器2可以仅连接至一个输入，即，仅连接至第一放大器部件30的输入32或第二放大器部件31的输入34。各个其他输入则保持，例如未连接。在这种情况下，传感器不对称地操作，并且跨阻放大器20供应与传感器电流成比例的差分输出信号。此外，两个传感器2也可以连接到输入32、34使得一个传感器2连接到第一放大器部件30的输入32，并且另一个传感器2连接到第二放大器部件31的输入34。跨阻放大器20然后输出与传感器电流之间的差成比例的差分电压。

在图2中示出了跨阻放大器20的一个可能的详细实施例。跨阻放大器20具有在电源电压端子9和接地端子10之间延伸的两个并联的电流分支7、8。电流源11设置在接地端子侧上。

第一电流分支7具有被构造为NPN晶体管的第一放大晶体管T1。第一放大晶体管T1具有经由电阻器R_fp连接到跨阻放大器20的正输入端子32，并且经由电阻器R_dp连接到电源电压的集电极。放大晶体管T1的基极直接连接到正输入端子32。在第二电流分支8中，布置了也被配置为NPN晶体管的第二放大晶体管T2。该放大晶体管T2具有经由电阻器Rfn连接到跨阻放大器20的负输入端子34的集电极。放大晶体管T2的基极也连接到负输入端子34。放大晶体管T1和T2形成差分放大器。如果电阻对R_fn和R_fp与电阻对R_dp和R_dn是相同的，则值R_fn＝R_fp＝R_f近似代表放大或跨阻Z，通过该放大或跨阻Z输入电流I_in被放大为输出电压U_o。获得输入电流I_in作为输入电流I_in+和I_in-之间的差。从电压U_vo+和U_vo-之间的差加上恒定偏移电压获得输出电压U_o。

另外，跨阻放大器20包含用于调节放大晶体管T1的输入和输出电压的第一电流分支7中的操作点调节部件12。同时，通过调节放大晶体管T1的输入处的操作点电压来设置光电二极管2的阴极5处的操作点电压。在本示例性实施例中，假设有其中期望的操作点是大约1V的阻断电压的锗光电二极管。对于此目的，操作点调节部件12具有在二极管连接，即，基极和集电极的短路中的晶体管T3。在第一电流分支7中，第一晶体管T3布置成二极管连接，其中，晶体管T3的集电极连接至放大晶体管T1的发射极。晶体管T3的发射极连接到电流源11。

另外，跨阻放大器20具有用于调节放大器晶体管T2的输入和输出电压的第二电流分支8中的操作点调节部件12’。同时，通过调节放大晶体管T2的输入处的操作点电压来设置光电二极管2的阳极3处的操作点电压。对于这个目的，操作点调节部件12’包含在二极管连接中，即，具有基极和集电极的短路的第二电流分支8中的晶体管T4。在这种情况下，晶体管T4的发射极连接到放大晶体管T2的集电极，并且晶体管T4的集电极和基极经由电阻器R_dn连接到电源端子9。

晶体管T1的集电极经由电阻器R_dp连接到电源端子9。晶体管T1、T2利用放大率R_f实现输入侧差分信号I_in＝I_in+-I_in-到输出电压Uo的放大，其中，另外，U_o中包括恒定的偏移电压。晶体管T3、T4实现根据光电二极管2的期望操作点电压的差分输入和输出电压的偏移。

差分输出电压的偏移如图3所示。电压U_vo+和U_vo-存在于图3所示电路的输出端子V_o+和V_o-35、33处，并且具有不同的DC分量以及具有就大小而言的相同的AC分量，使得差分输出电压U_o＝U_vo+-U_vo-具有恒定的偏移电压。

在图3中示出了用于消除差分输出电压U_o的偏移的本发明的附加实施例。它包含在输入侧上对称地连接至光电二极管2的跨阻放大器20。光电二极管2的阳极3连接至跨阻放大器20的负输入端子34，并且光电二极管2的阴极5连接至跨阻放大器20的正输入端子32。从图3可以明显看出，跨阻放大器20具有正输出端子35或V_o+，以及负输出端子33或V_o-。这两个电压相移了180°，并且具有不同的DC电压分量，使得可获得偏移电压U_dif。通常，U_dif是恒定的或缓慢地变化。为了将偏移电压U_dif减小到零，提供了根据图3的差分电压平衡单元13，借助该差分电压平衡单元13在跨阻放大器20的正输出端子V_o+与负输出端子V_o-之间的偏移电压或DC电压差U_dif被减小到零。该差分电压平衡单元13被配置为包含各自连接至输出端子V_o+、V_o-的电容器C的无源高通滤波器，使得在具有相同的DC电压分量的修改的输出端子V_o+’和V_o-’处，获得与存在于输出端子V_o+、V_o-处的电压U_vo+、U_vo-不同的输出信号U_vo+’和U_vo-’。

根据根据图4的替选实施例，可以提供由反馈电路部件14形成的差分电压平衡单元13’。该反馈电路部件14具有直接连接到跨阻放大器20或被布置在跨阻放大器20的输出侧上的附加放大器级16的差分低通滤波器15。在反馈分支中，误差校正放大器17连接到低通滤波器15。A/D转换器19、寄存器22以及D/A转换器18连接到误差校正放大器17。在D/A转换器19的输出侧，提供由两个晶体管T5、T6构成的晶体管电路部件21。

晶体管T5、T6的集电极各自连接到跨阻放大器20的负输入端子34和正输入端子32。在操作状态下，晶体管T5、T6的集电极电流I_osp、I_osn流向输入端34和32，并且电流I_ph流过光电二极管2。经由反馈电路部件14，借助于产生的偏移电流，在跨阻放大器20处，输入电流I_in的DC分量的变化，导致输出电压信号U_vo+’和U_vo-’具有相同的DC电压分量。使用A/D转换器19、寄存器22和D/A转换器18的一个优点是，可以根据需要激活或禁用寄存器22的时钟。如果激活了时钟，则会精确且连续地重新调节电流I_osp和I_osn。另一方面，如果禁用时钟，则保留用于电流I_osp和I_osn的最新检测到的设置，并且不再更改。如果例如反馈电路部件14的动态控制行为不利地影响跨阻放大器20的输出信号，则这可能是有利的。在这种情况下，可能需要I_osp和I_osn的固定设置。

根据未示出的本发明的替选实施例，可以省略A/D转换器19、寄存器22和D/A转换器18，并且误差校正放大器17的输出可以直接连接至晶体管T5和T6的输入。

不言而喻，上述晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6可以被配置为双极型晶体管以外的其他类型，例如，场效应晶体管。尽管在本文描述的实施例中提供了双极型晶体管，但是本领域技术人员清楚的是，在替选实施例中，任何双极型晶体管都可以由各种其他类型的晶体管代替，例如场效应晶体管。在这方面，这里描述的双极型晶体管的发射极、集电极和基极端子对应于包含场效应晶体管的实施例中的源极端子、漏极端子和栅极端子，并且在描述实施例时可以互换使用。因此，术语发射极、集电极和基极端子的使用不以限制方式作用于实施例或本发明。类似地，对于本领域技术人员而言清楚的是，在晶体管的操作点电压和电流的适当设置的情况下，可以使用PNP晶体管代替NPN晶体管，或者可以使用P场效应晶体管代替N场效应晶体管。

本文所述的框图图像仅是示例。在不脱离本发明的精神的情况下，这些框图图像或本文描述的操作的许多修改是可行的。例如，电路可以以不同的顺序被布置，或者电路可以被添加、删除或修改。所有这些修改被认为是所要求保护的发明的必不可少的部分。

在附加的实施例中，由放大晶体管T1和T2形成的放大器也可以由多级放大器电路代替。这可以例如实现更高的带宽。

在附加的实施例中，操作点调节部件12和12’也可以由V_BE乘法器形成(参见例如Crecraft,David中的“VBE-Multiplier”；Gergely,Stephen(2002年5月21日).AnalogElectronics.Butterworth-Heinemann.p.188.ISBN 0080475833)。在V_BE乘法器的情况下，与二极管相比有利的是，可以由此产生具有大小k*V_BE的电压，其中，k不必是整数。