專利名稱：放大信號通路和反饋信號通路彼此分開的反饋放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反饋放大器，尤其是涉及到一種諸如電流反饋放大器類的反饋放大器，其用于將光電二極管輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并且放大該電壓信號。
背景技術(shù)：
迄今為止，反饋放大器是根據(jù)反饋原理用于放大輸入信號的放大器。反饋放大器是一種用于放大輸入信號同時返回部分輸入信號到輸入端的電路，以便將返回的信號疊加在原始的輸入信號上，因而改善放大器的電特性。下面將詳細描述，近年來隨著信息通信技術(shù)的進步，已經(jīng)迅速發(fā)展的光通信系統(tǒng)中使用的常規(guī)電流反饋放大器(前置放大器)。
在光通信系統(tǒng)中使用的接收機內(nèi)，經(jīng)由光導(dǎo)纖維接收的光信號由充當(dāng)光電變換器的光電二極管等變換成弱電流信號。該電流信號變換成電壓信號，它通過前置放大器放大。前置放大器需要具有高靈敏度、高增益、寬頻帶和寬動態(tài)范圍這樣的特性。為了滿足這種需要，通常最慣用的作法是使用電流反饋放大器作為互阻抗前置放大器。
附圖中的圖1顯示了一種作為常規(guī)反饋放大器的使用場效應(yīng)晶體管(FET)的互阻抗放大器。如圖1所示，來自光電變換器的輸入電流405輸入到輸入端，而且通過前置放大器的阻抗轉(zhuǎn)換將其變成經(jīng)由放大信號通路403的放大的電壓信號。輸入到互阻抗放大器的輸入電流405與互阻抗放大器的放大電路410輸出的電壓彼此相關(guān)，而且與反饋電阻器401的電阻和輸入電流405的乘積成比例。根據(jù)常規(guī)配置，前置放大器的反饋電阻器401的阻抗具有較大的值，以便為了使前置放大器對弱輸入信號具有高靈敏度而提供高增益。
然而，因為在常規(guī)電路的增益與頻帶之間采用折衷方案，如果反饋電阻器的阻抗增加以致獲得高靈敏度，即高增益，則頻帶趨向于減小。反饋電阻器阻抗增加的另一個問題是由于輸入電流流過反饋電阻而使電壓幅度增加，使輸出幅度飽和，這容易使輸出波形變形而導(dǎo)致工作故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述問題做出的。本發(fā)明的目的是提供一種具有如高靈敏度、高增益、寬頻帶和寬動態(tài)范圍這樣特性的反饋放大器。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明第一方面的反饋放大器包括放大電路、反饋電路、信號分離電路，和輸出電路，以便解決上述問題。該放大電路包括用于放大輸入信號的晶體管和電阻元件，和用于將放大的信號連接到后續(xù)電路的電平調(diào)整電路。來自放大電路的電平調(diào)整電路的輸出信號連接到下一級的輸出電路和信號分離電路。信號分離電路具有連接到反饋電路的輸出端，而反饋電路的輸出被輸入到放大電路的晶體管。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明第二方面的反饋放大器包括放大電路、反饋電路、信號分離電路，和輸出電路。該放大電路包括用于放大輸入信號的晶體管和電阻元件和用于將放大的信號連接到后續(xù)電路的電平調(diào)整電路。來自放大電路的電平調(diào)整電路的輸出信號被連接到在下一級的輸出電路和信號分離電路。信號分離電路具有連接到反饋電路的輸出端，而反饋電路的輸出被輸入到放大電路的晶體管。該反饋放大器被用作電流反饋放大器。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明第三方面的反饋放大器包括放大電路、反饋電路、信號分離電路，和輸出電路。該放大電路包括用于放大輸入信號的晶體管和電阻元件以及用于將放大的信號連接到后續(xù)電路的電平調(diào)整電路。來自放大電路的電平調(diào)整電路的輸出信號連接到在下一級的輸出電路，而且還連接到具有電平轉(zhuǎn)移電路或晶體管、電阻元件和電平轉(zhuǎn)移電路的多級配置的信號分離電路。信號分離電路至少具有連接到反饋電路的兩個信號輸出端，而反饋電路至少具有輸入到放大電路的晶體管的兩個信號輸出。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明第四方面的反饋放大器包括放大電路、反饋電路、信號分離電路，和輸出電路。該放大電路包括用于放大輸入信號的晶體管和電阻元件和用于將放大的信號連接到后續(xù)電路的電平調(diào)整電路。來自放大電路的電平調(diào)整電路的輸出信號連接到下一級的輸出電路，而且還連接到具有電平轉(zhuǎn)移電路或晶體管、電阻元件和電平轉(zhuǎn)移電路的多級配置的信號分離電路。信號分離電路至少具有連接到包含至少一個二極管的反饋電路的兩個信號輸出端，而該反饋電路具有被輸入到放大電路的晶體管的一個輸出。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明第五方面的反饋放大器具有一種電路結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)本發(fā)明第一到第四方面的信號分離電路至少包括一個電平移位電路。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明第六方面的反饋放大器具有一種電路配置，其中根據(jù)本發(fā)明第一到第五方面的信號分離電路具有用于控制反饋信號的控制端。
從上面的描述顯而易見地看出，對于根據(jù)本發(fā)明的反饋放大器，因為放大信號通路和反饋信號通路是通過分離電路彼此分開的，所以分別施加在放大信號通路和反饋信號通路上的負載小于常規(guī)電路的負載，以便獲得寬帶特性。
調(diào)整由分離電路所增加的延遲時間，以便其中負反饋改變成正反饋的一個頻率范圍與其中負反饋放大部分的增益減小的頻率范圍相匹配，從而更進一步為該增益獲得較寬的頻帶。因為由輸入電流造成的電壓變化(反饋電阻和輸入電流的乘積)是與放大信號通路分開的，所以在寬動態(tài)范圍內(nèi)，由于大電流輸入引起的輸出波形畸變和工作故障減少。包括二極管的反饋電路能夠根據(jù)輸入電流自動切換反饋量，從而獲得寬動態(tài)范圍。
分離電路的控制端能夠根據(jù)光電探測器元件的特性調(diào)整放大器特性，形成具有一致輸出特性的接收機電路。


圖1是常規(guī)電流反饋放大器的電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的電路圖；圖3是顯示根據(jù)第一實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的電路圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的電路圖；圖6是顯示根據(jù)第三實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流10微安)；圖7是顯示根據(jù)第三實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流3毫安)；圖8是顯示根據(jù)第三實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流4毫安)；圖9是根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實施例的電路圖；圖10是顯示根據(jù)第四實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流10微安)；圖11是顯示根據(jù)第四實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流3毫安)；和圖12是顯示根據(jù)第四實施例和常規(guī)電路的增益頻率特性圖(輸入電流4毫安)。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的反饋放大器。圖2到圖12顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的反饋放大器。在下面將參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的使用場效應(yīng)晶體管(FET)的反饋放大器的電路。
第一實施例圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電路圖，根據(jù)本發(fā)明第一、第二和第五方面的反饋放大器的電路圖。圖2中顯示的反饋放大器包括用于放大輸入電流205的放大電路210，與放大電路210的輸出端連接的分離電路202和輸出電路211，和將分離電路202的輸出與(反饋放大器)輸入端連接的反饋電路201。圖2中顯示的反饋放大器其特征在于放大信號通路203與反饋信號通路204是由分離電路202彼此分開。根據(jù)本實施例的放大電路210包括借助于電阻負載的源極接地場效應(yīng)晶體管，電平調(diào)整二極管和源極跟隨器電路。分離電路202包括源極跟隨器電路而且具有一個以電阻形式連接到反饋電路201的輸出。反饋電路201經(jīng)由反饋信號通路204連接到放大電路210的輸入端。
根據(jù)本實施例，放大信號通路203與反饋信號通路204是通過分離電路202彼此分開。因此，為了獲得寬帶特性而分別施加在放大信號通路203和反饋信號通路204上的負載小于圖1所示常規(guī)電路的負載。調(diào)整由分離電路202所增加的延遲時間，以便使其中與負反饋改變成正反饋相對應(yīng)的一頻率范圍與其中負反饋放大部分的增益減小的一頻率范圍相匹配，從而更進一步為該增益獲得較寬的頻帶。
由輸入電流205造成的電壓變化(反饋電阻器201與輸入電流205的乘積)是與放大信號通路203分開的。因此，在較寬動態(tài)范圍內(nèi)，由于大電流輸入而引起輸出波形的畸變和工作故障減少。圖3對比地顯示根據(jù)本實施例電路與圖1所示常規(guī)電路的增益頻率特性，其中利用了加到這些電路中的光電二極管模塊的250fF輸入電容和20歐姆輸入電阻。根據(jù)本發(fā)明電路的增益和頻帶兩方面與常規(guī)電路相比都得到改善。關(guān)于動態(tài)范圍，施加到根據(jù)本發(fā)明的電路的最大允許輸入電流大于施加到常規(guī)電路的5％。
利用上述配置，第一實施例可以獲得比常規(guī)電路更高的靈敏度、更高的增益、更寬的頻帶和更寬的動態(tài)范圍。
第二實施例圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電路圖，根據(jù)本發(fā)明第一、第二和第六方面的反饋放大器的電路圖。圖4中顯示的反饋放大器包括用于放大輸入電流305的放大電路310，與放大電路310的輸出連接的分離電路302和輸出電路311，和將分離電路404的輸出與反饋放大器輸入端連接的反饋電路301a、301b。圖4中顯示的反饋放大器其特征在于放大信號通路303與反饋信號通路304是由分離電路302彼此分開。
根據(jù)本實施例的放大電路310包括借助電阻負載的源極接地場效應(yīng)晶體管，電平調(diào)整二極管和源極跟隨器電路。分離電路302包含串級連接的源極跟隨器電路，而且其具有連接到反饋電路1(301a)和反饋電路2(301b)的兩個輸出端。反饋電路301a、301b經(jīng)由兩個反饋信號通路304連接到放大電路310的輸入端。
根據(jù)本實施例，放大信號通路303與反饋信號通路304是通過分離電路302彼此分開。因此，為了獲得寬帶特性而分別施加在放大信號通路303和反饋信號通路304上的負載小于圖1所示常規(guī)電路的負載。調(diào)整由分離電路302所增加的延遲時間，以便是在其中負反饋改變成正反饋的一頻率范圍與在其中負反饋放大部分的增益減小的一頻率范圍相匹配，從而更進一步為該增益獲得較寬的頻帶。
由輸入電流305引起的電壓變化(反饋電阻器301a/301b和輸入電流305的乘積)是與放大信號通路303分開的，而且它由兩個反饋電阻器分配。因此，在較寬動態(tài)范圍內(nèi)，由于大電流輸入而引起輸出波形的畸變和工作故障減少。分離電路302的控制端308用來改變端子309的電位，以便改變由輸入電流305引起的交叉反饋電阻器301a、301b的電壓變化，以及改變頻率特性，其中負反饋改變到正反饋。
根據(jù)本實施例，增益和頻帶兩者比常規(guī)電路改善超過5％。關(guān)于動態(tài)范圍，施加到根據(jù)本發(fā)明電路的最大允許輸入電流大于施加到常規(guī)電路的10％。該控制端調(diào)節(jié)具有不同特性的光電探測器元件的增益和頻帶，形成具有一致輸出特性的接收機電路。
第三實施例圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電路圖，根據(jù)本發(fā)明第一到第六方面的反饋放大器的電路圖。圖5中顯示的反饋放大器包括用于放大輸入電流105的放大電路110，與放大電路110輸出連接的分離電路102與輸出電路111，和與分離電路505的輸出端和反饋放大器的輸入端連接的反饋電路101a、101b。圖5中顯示的反饋放大器其特征在于放大信號通路103與反饋信號通路305是由分離電路102彼此分開。
根據(jù)本實施例的放大電路110包括借助于電阻負載的源極接地場效應(yīng)晶體管，電平調(diào)整二極管和源極跟隨器電路。分離電路102包括串級連接的源極跟隨器電路，而且其具有連接到包含電阻的反饋電路1(101a)與包含二極管和電阻的反饋電路2(107/101b)的輸出端。反饋電路101a、101b經(jīng)由兩個反饋信號通路104連接到放大電路110的輸入端。
根據(jù)本實施例，放大信號通路103與反饋信號通路104是通過分離電路102彼此分開。因此，為了獲得寬帶特性而分別施加在放大信號通路103和反饋信號通路104上的負載小于圖1所示常規(guī)電路的負載。調(diào)整由分離電路102所增加的延遲時間，以便使在其中負反饋改變成正反饋的一頻率范圍與在其中負反饋放大部分的增益減小的一頻率范圍相匹配，從而更進一步為該增益獲得較寬的頻帶。此外，由于輸入電流105引起的電壓變化(反饋電阻器101a與輸入電流105的乘積)是與放大信號通路103分開的。因此，在較寬動態(tài)范圍內(nèi)，由于大電流輸入而引起輸出波形的畸變和工作故障減少。
此外，因為反饋量自動地根據(jù)增益切換，其取決于主要由二極管107截止區(qū)域內(nèi)反饋電阻器101a確定的增益，或者取決于主要由二極管107導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)的反饋電阻器101a與101b和輸入電流的量確定的增益，所以實現(xiàn)預(yù)防輸入電流增加到極限。分離電路102的控制端108用來改變端子109的電位，以便調(diào)節(jié)輸入電流105用來導(dǎo)通反饋電路2的二極管107。
圖6對比地顯示根據(jù)本實施例電路與圖1所示常規(guī)電路的增益頻率特性，利用作為光電二極管模塊增加的280fF的輸入電容和20歐姆的輸入電阻加到這些電路中。圖7和圖8對比地顯示根據(jù)本實施例的電路與圖1所示常規(guī)電路的增益頻率特性，利用上述添加到這些電路的光電二極管模塊，所繪制的是在提供3mA和4mA輸入電流105時的頻率特性圖。
例如可以從圖6看到，根據(jù)本實施例，在較低頻率區(qū)的增益和在平坦性上比常規(guī)電路的有改善，而且根據(jù)本實施例的頻帶等于或大于常規(guī)電路的10％。例如可以從圖7和圖8看到，即使在輸入電流是3mA和4mA時，增益的頻率特性也基本上沒有變壞，而且獲得了非常寬的動態(tài)范圍。
此外，控制端108可以用來控制端子109的電位，用來調(diào)節(jié)輸入電流以便導(dǎo)通二極管，而增益和頻帶取決于光電探測器元件，形成具有一致輸出特性的接收機電路系統(tǒng)。
第四實施例圖9是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的電路圖，根據(jù)本發(fā)明第一到第六方面的反饋放大器的電路圖。圖9中顯示的反饋放大器包括用于放大輸入電流505的放大電路510，與放大電路510輸出連接的分離電路502和輸出電路511，和與分離電路502的輸出和反饋放大器輸入端連接的反饋電路501a、501b、501c。圖9中顯示的反饋放大器其特征在于放大信號通路與反饋信號通路是由分離電路502彼此分開。
根據(jù)本實施例的放大電路510包括借助于電阻負載的源極接地場效應(yīng)晶體管，電平調(diào)整二極管和源極跟隨器電路。分離電路502包括串級連接的源極跟隨器電路，而且其具有連接到包括電阻的反饋電路1(501a)和包括二極管和電阻的反饋電路2(501b)和反饋電路3(501c)的三個輸出端。反饋電路501a、501b、501c經(jīng)由三個反饋信號通路510連接到放大電路510的輸入端。
根據(jù)本實施例，放大信號通路與反饋信號通路是通過分離電路502彼此分開的。因此，為了獲得寬帶特性而分別施加在放大信號通路和反饋信號通路上的負載小于圖1所示常規(guī)電路的負載。調(diào)整由分離電路502所增加的延遲時間，以便使其中負反饋改變成正反饋的一頻率范圍與其中負反饋放大部分的增益減小的一頻率范圍相匹配，從而更進一步為該增益獲得較寬的頻帶。由輸入電流505引起的電壓變化(反饋電阻器與輸入電流505的乘積)是與放大信號通路503分開的。因此，在較寬動態(tài)范圍內(nèi)，由于大電流輸入而引起輸出波形的畸變和工作故障減少。
此外，反饋電路501b、501c的二極管的截止與導(dǎo)通是根據(jù)輸入電流的量自動地切換，而由反饋電路501a、501b、501c產(chǎn)生的反饋量自動地變化。分離電路502的控制端508用來改變端子509的電位，以便細致地調(diào)節(jié)輸入電流505的量以致導(dǎo)通反饋電路3(501c)的二極管。利用這種配置，實現(xiàn)了為輸入電流的增加提供操作余量的特性，和增益/帶寬特性與最大容許輸入電流可以通過控制端508控制。
圖10對比地顯示根據(jù)本實施例電路與圖1所示常規(guī)電路的增益頻率特性，其中利用了添加到這些電路中的光電二極管模塊的270fF輸入電容和20歐姆輸入電阻。圖11和12對比的顯示根據(jù)本實施例與圖1所示常規(guī)電路的電路增益頻率特性，其中利用了上述添加到這些電路的光電二極管模塊，所繪制的是在提供3mA和4mA的輸入電流505時的頻率特性。
例如可以從圖10看到，根據(jù)本實施例的頻帶比常規(guī)電路的大5％。例如可以從圖11和圖12看到，即使在輸入電流是3mA和4mA時，增益的頻率特性也基本上沒有變壞，而且獲得了非常寬的動態(tài)范圍。此外，控制端508可以用來控制端子509的電位，用于調(diào)節(jié)輸入電流以便導(dǎo)通二極管，而較寬范圍內(nèi)的增益和頻帶取決于光電探測器元件，從而提供了具有一致輸出特性的接收機電路系統(tǒng)。
在第一到第四實施例中，圖解說明了使用場效應(yīng)晶體管(FET)的電路。然而，在根據(jù)本發(fā)明的反饋放大器中使用的電路元件可以是雙極晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
在第一到第四實施例中，圖解說明了具有源極跟隨器電路的分離電路。然而，分離電路可以是包括源跟隨器和包含負載和晶體管的放大器的多組的組合。
第一到第四實施例是本發(fā)明優(yōu)選實施例的例子。本發(fā)明不局限于這些實施例，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)的情況下是能夠做出各種各樣的變化和修改的。
權(quán)利要求
1.一種反饋放大器，其特征在于包括放大電路，其包括用于放大輸入信號的晶體管和電阻元件和用于將放大信號連接到后續(xù)電路的電平調(diào)整電路；反饋電路，其輸出端與所述放大電路的所述晶體管連接；信號分離電路，其輸出端與所述反饋電路連接和與所述放大電路的所述電平調(diào)整電路的輸出信號相連；和輸出電路，其連接到所述放大電路的所述電平調(diào)整電路的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋放大器，其特征在于使用電流-反饋放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反饋放大器，其特征在于所述信號分離電路具有包含電平轉(zhuǎn)移電路或晶體管、電阻元件和電平轉(zhuǎn)移電路的多級配置，所述信號分離電路具有連接到所述反饋電路的至少兩個信號輸出端，而至少兩個所述反饋電路具有與所述放大電路的所述晶體管連接的信號輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反饋放大器，其特征在于在與所述信號分離電路的至少兩個信號輸出端連接的至少一個反饋電路中插接二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一項所述的反饋放大器，其特征在于所述信號分離電路包括至少一個電平轉(zhuǎn)移電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個所述的反饋放大器，其特征在于所述信號分離電路具有用于控制反饋信號的控制端。
全文摘要
一種用于將放大信號通路與反饋信號通路分開的分離電路部分。放大電路部分包括電阻負載的共源極場效應(yīng)晶體管、電平調(diào)整二極管和源極跟隨器電路。分離電路部分包括源極跟隨器電路，它的輸出部分與包含電阻的反饋電路部分連接，從而形成一個到放大電路部分輸入端的反饋信號通路。信號分離電路用來分離放大信號通路和反饋信號通路，從而減小信號通路的負載。因此，放大信號通路和反饋信號通路的負載減小。調(diào)整分離電路部分增加的延時時間，使其中負反饋變化到正反饋的頻率范圍將與其中負反饋放大器部分增益減小的頻率范圍相一致，從而實現(xiàn)寬頻帶的增益。
文檔編號H03F1/48GK1672323SQ0381814
公開日2005年9月21日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月30日
發(fā)明者和田茂己, 渡邊泰弘 申請人:日本電氣株式會社, Nec化合物半導(dǎo)體器件株式會社