（电路与系统专业论文）018μm+cmos+10gbs激光驱动电路设计.pdf

摘要 i t 业在不断发展和革新的过程中，呈现出网络化、数字化、智能化、低功耗等几大特点和发展 趋势。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通信发展十分迅速，已成为信息高速公路的 主体。在光纤传输系统中，激光驱动器位于发射系统的末端其功能是将高速的数据信号放大，进 而去驱动激光二极管调制器工作。因此，激光驱动器是实现光纤通信系统的重要部分，其性能直接 影响到整个光纤通信系统。 本论文的主要目的是采用t s m co 1 8 t t mc m o s 工艺对1 0 g b s 激光驱动器电路进行研究。整个 激光驱动器的设计难点在于大信号输出，导致管子自身电容太大，从而限制了电路工作速度的提高。 为了提高电路的设计效率，本文采用了一种基于手工计算电路参数的方法：基于过驱动电压设计法。 先从理论上分析过驱动电压设计方法的可行性，而后采用实际的工艺模型对过驱动电压设计方法进 行验证。 本次设计的激光驱动器电路由预放大电路与输出级组成，其中预放大电路由两级直接耦合的差 分放大器构成。此外，电路中采用了电感并联峰化技术以扩展带宽。激光驱动器整体上采用逆向递 推设计法，利用基于过驱动电压设计法得到电路参数，并结合电路仿真软件来优化电路参数，得到 电路豹最佳性能。后仿真结果表明：激光驱动器芯片在1 g v 电源供电时，输入信号1 0 g b s ，单端晦 峰值为0 4 v 的信号时，在5 0q 负载上的输出电压摆幅为2 3 v 。电路功耗约为1 9 0 r o w ；芯片面积为 0 9 m m + 0 9 5 m m 。 【关键字】 光纤通信系统 电感并联峰化 激光驱动器基于过驱动电压设计法直接耦合 逆向递推 a b s t r a c t a b s t r a c t s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d s ，s u c ha sn e t w o r k , d i g i t a l ，i n t e l l i g e n c ea n dl o wp o w e rp r e s e n t d u r i n gt h ei n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi ti n d u s t r y r e c e n t , o p t i c a l - f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e v e l o p sv e r yq u i c k l y , a n db e c o m e st h ep r i n c i p a lp a r t so fi n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a y i no p t i c a l - f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ep u r p o s eo fl a s e rd r i v e r , a tt h ee n do ft r a n s c e i v e r , i st oa m p l i 母s i g n a la n d m a k e sl a s e rd i o d e m o d u l a t o rw o r k s o , l a s e rd r i v e ri st h ec r i t i c a lp a r ti no p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n di n f l u e n c e st h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o m a k e ar e s e a r c h o f l 0 g b s l a s e r d r i v e r , f a b r i c a t e d b y t s m c o 1 8 1 a n c m o s t e c h n o l o g y t h ed i f f i c u ro f t h ec i r c u i ti st h a t “n e e d sl a r g eo u t p u ts i g n a l ，t h e ni n t r o d u c e sl a r g e p a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c e ，s ol i m i tt h es p e e do f t h ec i r c u i t t h ec i r c u i te m p l o y sam e t h o d , n a m e do v e rd r i v e v o l t a g eb a s e dd e s i g nm e t h o d , t oc a l c u l a t et h et m r m n e t e ro f c i r c u i t t h ep a p e ra n a l y s i st h ep o s s i b i l i t yo f o v e r d r i v e v o l t a g e b a s e d d e s i g n m e t h o d , t h e n d e m o n s t r a t e s t h e o v e r d r i v e v o l t a g e b a s e d d e s i g n m e t h o d b y u o f t e c h n o l o g ym o d e l t h el a s e rd r i v e rc o n s i s t so fp r e - a m p l i f i e ra n do u t p u t , w h e r ep r e ，a m p l i f i e ri sm a d eu po ft w os t a g e d i r e c tc o u p l e dd i f f e r e n t i a la m p l i f i e r b e s i d e s ，i n d u c t o rp e a k i n gi se m p l o y e dt ob r o a d e nb a n d w i d t h t h e c i r c u i ti sd e s i g n e db yt h em e t h o do f c o n v e r s er c c u r s i o n , e m p l o y so v e rd r i v ev o l t a g eb a s e dd e s i g nm e t h o dt o c a l c u l a t ec i r c u i tp a r a m e t e r , t h e nu s es i m u l a t i o ns o f t w a r et oo p t i m i z ec i r c u i tp a r a m e t e r t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ec i r c u i tc a nd e l i v e rav o l t a g eo f2 3 vt o5 0 f ll o a d 缸l o g b s , w i t hal 8 vs u p p l y v o l t a g e t h e d i s s i p a t i o n o f t h ec i r c u i t i s l 8 5 r o w t h ea r e a o f t h e l a y o u t i s 0 g r a m 4 0 。9 5 m m k e y w o r d s o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m l a s e rd r i v e r o v e rd r i v e rv o l t a g eb a s e dd e s i g nm e t h o d d i r e c tc o u p l e di n d u c t o rp e a k i n gc o n v e r s er e c u r s i o n n j 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：返过导师签名： 第一章绪论 1 1 光纤通讯系统介绍 第一章绪论 在整个通信技术发展过程中，人们一直围绕着如何增加信息传输的速率和距离，提高通信系统 的有效性、可靠性以及经济性等方面等问题，展开了非常多的工作。光通信则是当代通信技术的最 新成就【“。可以说，在过去2 0 余年问，通信领域最富有革新意义的莫过于光纤通信及其相关技术的 巨大进步1 2 1 。 1 1 1 光通信发展历史 光通信的发展可以追溯到“烽火台”报警、旗语等这些古老的方式。直到十九世纪四十年代， 法国物理学家j a c q u eb a b i n e t 证实了光能够沿水射流传播；十九世纪末，科学家发现了光可以在石 英棒内部传播，这是光纤的雏形；1 9 5 4 年a b r a h a mv a l lh e e l ，h a r o l dh o p k i n s 和n a r i n d e r 这三人独 自发表了用光纤传输图像的想法；与此同时，b r i a no b r i e n 意识到裸光纤将会把大部分能量消耗到 周围环境中，这激发a b r a h a mv a i lh e e l 新的想法：把光纤芯包裹起来以降低损耗，但是损耗依然很 高( 1 0 0 0 d a k m ) ，大大限制了应用。 1 9 6 0 年，美国人梅曼( m a i n m ) 发明了第一台红宝石激光器。同一时期，美国麻省理工学院利用 h e - n e 激光器和c 0 2 激光器进行了大气激光通信试验。 1 9 6 6 年，英籍华裔学者高锟( c k r , a o ) 和霍克哈姆( c a h o e k h a m ) 认为只要光纤损耗小于 2 0 d b k m 就可以用于通信。同时发表了关于传输介质新概念的论文，指出利用光纤( o p t i c a lf i b e r ) 进 行信息传输的可能性和技术途径，指明通过”原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光 纤”这一发展方向。 1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 公司研制成功损耗为2 0 d b k m 的石英光纤。1 9 7 2 年，该公司把光 纤损耗降低到4 d b k m 。随后两年时间内，美国贝尔( b e l l ) 实验室把光纤损耗降低到1 1 d b k m 。1 9 7 6 年，日本电报电话( n t l l 公司将光纤损耗降低到0 4 7 r i b k i n ( 波长1 2 t | = m ) 。在以后的1 0 年中，人们一 直追求光纤的低损耗。1 9 8 6 年，光纤损耗达到0 1 5 4d b k m ，接近了光纤最低损耗的理论极限。 在光纤发展同时，通信用光源也取得进展。1 9 7 0 年。美国贝尔实验室、日本电气公司( n e e ) 和 前苏联先后研制成功：室温下连续振荡的镓铝砷( g a a i a s ) 双异质结半导体激光器( 短波长) ，但它为 半导体激光器的发展莫定了基础。1 9 7 6 年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1 3pm 的铟镓 砷磷( i n g a a s p ) 激光器。1 9 7 7 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到l o 万小时。1 9 7 9 年美 国电报电话( a 1 d 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1 5 5p m 的连续振荡半导体激光 器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使得光纤通信成为了现实。 纵观光纤通信的发展。可以租略地分为三个阶段： ( ”基础研究到商业应用的开发时期( 1 9 6 6 - 1 9 7 6 ) ： ( 2 ) 提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期( 1 9 7 6 - 1 9 8 6 ) ； ( 3 ) 超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期( 1 9 8 6 - 1 9 9 6 ) 。 东南大学硕士学位论文 1 1 2s d h 系统 国际电信联盟电信委员会o t u - d 的前身国际电报咨询委员会( c c i t l ) 规定了两种基本复用标 准：前期为准同步数字序列p d h ( p l e s i o c h r o n o md i g i t a lh i e r a r c h y ) ；后期为适应通信传输网发展要 求。又提出同步数字序列s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y ) 。s d h 是从美国的光接口标准s o n e t 演化而来的，s o n e t 的提出是为了解决准同步数字系列p d h 的缺点。为了适应欧洲的接口速率， s d h 被c c i t t ( 现在的i t u t ) 采用为全球传输标准。到目前为止，s d h 晟基本的硬件以及软件标 准已经得到定义。c c i t t 定义了s d h 几个基本传输速率，其中最基本的传输速率是s t m 1 。它的 比特率是1 5 5 m b s 。更高速率的s t m - n 信号是通过n 个s t m - i 的字节交错获得的。目前c c i t t 标 准化了的n 值有1 ，4 ，1 6 ，6 4 ，1 2 8 等，它们各自对应的比特率如表1 1 所示。在传输速率上，s o n e t 的s t s 一3 、s t s - 1 2 、s t s - 4 8 、s t s 一1 9 2 分别与s t m 1 、s t m - 4 、s t m 一1 6 、s t m - 6 4 对应。除此以外 s o n e t 还允许更多的比特率，比如s t s 9 6 的速率为5 g w s j “。目前，s t m 1 6 ( 2 5 g b s ) 级的s d h 系统已成为我国干线通信的主流。 表l - ls d h s o n e t 的系统标准 s 聊s 】d l 吧t 系列 比特率( m b s ) 系列 比特率( m b s ) s t s 15 1 8 4 0 s i m 11 5 5 5 2 0s t s 31 5 5 5 2 0 s t s - 94 6 6 5 6 0 s 刑46 2 2 咖s t s - 1 26 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 1 2 0 譬嗍4 1 2 4 4 1 6 0 s t m - 1 62 4 8 3 3 2 0g r s 4 82 4 鼯3 2 0 滩9 64 9 7 6 6 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0s t s - 1 9 29 9 5 3 2 8 0 1 2 集成电路工艺介绍 目前，集成电路工艺主要分为双极性硅( b i p o l a r ) ，i i f v 族化合物以及c m o s 工艺。与前两种工 艺相比，c m o s 工艺噪声大，速率低，因此早期的模拟集成电路常采用双极性硅工艺和i i f v 族化合 物工艺实现，随着c m o s 工艺的进步，这些缺陷得到了改善。表1 2 9 l 歹“出了不同的半导体材料所 实现的集成电路工艺，不同类型的集成元彳牛 从而可以得到不同种类的集成电路和集成度。 表i 2 不同材料对应的工艺元件逻辑电路与规模 材料工艺元件电路形式电路规模 s i l i c o n ( 硅s i - b i p o l a r d ，b 玎，r ，c ，l r r l e c l c i v i ll s l c m o s d f n - m o s ，rc l c m o s s c l g s i b i c m o s d ，p n - m o s ，r ，c ，l ，b j t c m o s e c lu l s l s i g e ( 硅锗1 b i c m o s d ，p 小m o s ，r c l ，h b te c l s c l c m o sv l s l g a a s ( 砷化镓1m e s f e td ，l d ，p d ，m e s f e t ，r c ，l s c lv l s l 2 第一章绪论 g b a s ( 砷化钢 h e m t d ，l d ，p d ，h e m t r c ，ls c lv l s i h b t d ，l d ，p d , h b t r c le c l , c m l l s i i n p ( 磷化铟) h e m t d , l d ，p d ，h e m t , r c ，ls c l , c m lm s i 聃t d l d p d ，f i b t , c ，l s c l c m lm s l 从上表中可以看出，集成电路的种类是比较多的，但是哪种工艺比较好，这是很难定论的，实 际上每种工艺都是有各自的特点。一般在高速电路设计中，选择工艺种类时主要的是依据速度与功 耗这两个特性。图1 2 给出了几种l c 工艺的速度与功耗的图，从图中可以看出g a a s 潜在高速度， c m o s 工艺可以做到低功耗。 每个门功耗 田1 , 2 几种1 c 工艺速度功耗区位圈 随着c m o s 工艺的特征尺寸变小，其工作速度越来越快。此次设采用0 1 8 1 a ns ic m o s 工艺设计 1 0 g s 的激光调制器驱动电路，尽管国内已有人设计实现了1 0 g s 的激光调制器驱动电路【4 l ，但在输 出的驱动能力上远没达到要求。 1 3 论文组织 本文将对应用于光纤通信系统s d hs t m - 6 4 ( 1 0 g b s ) 速率级的光发射机中的激光驱动器进行研究。 第二章简要介绍光纤通信系统； 第三章简要叙述深亚微米c m o s 集成电路的特性； 第四章介绍一种用于c m o s 电路设计的方法； 第五章激光驱动器的具体模块电路设计和模拟结果； 第六章激光驱动器的实现 第七章总结； 3 东南大学硕士学位论文 参考文献 1 】杨祥林光纤通信系统【m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 0 1 2 】王志功光纤通信集成电路设计【m 】北京：高等教育出版社，2 0 0 3 6 【3 】王志功集成电路设计基础北京：电子工业出版社，2 0 0 4 5 【4 】雷凯o 1 8 r ac m o s o g b s 激光驱动器及单片集成光发射芯片设计硕士论文2 0 0 5 3 第二章光纤通信系统 第二章光纤通信系统 本章首先给出光纤通信系统的框图。而后重点讨论了与本课题相关的几个通信光器件对电路设 计的影响：( 1 ) 光纤通信传输媒质( 光纤) 的性质及对系统带来的影响；( 2 ) 光纤通信的信息载体( 光 源) ，给出光纤通信系统用光源的操作原理以及关键的性能参数，分析了光源在系统应用中对电路设 计造成的影响，比较了不同光源各自的特点。在本章的最后讨论了光纤通信在系统设计上的一些考 虑，重点在频率方面。 2 1 光纤通信系统结构i l i 图2 1 为一个完整的光纤通信系统。系统主要由三部分组成：发射系统、传输系统、接收系统。 ( 1 ) 发射系统：主要由复接器、激光驱动器、发光器件三部分组成。图中的频率综合主要是为复接器 提供时钟。发射系统的主要任务是将电学的数字信号转变为数字光信号。 ( 2 惜输系统：主要由光纤组成。传输系统的主要任务是引导光信号从一端稳定可靠的传到另一端。 ( 3 ) 接收系统：主要由光电检测器、跨阻放大器、限幅放大器、数据判决电路、时钟恢复电路、分接 器组成。接收系统的主要任务是将接收到的光信号转变为电信号。 聋一掣尸 切+ 降习 图2 i 光纤通信系统框图 东南大学硕士学位论文 2 2 光纤 光纤作为光纤通信的信道，其功能就是将发射系统发出的光信号无失真地传送到接收系统，其 性能决定了信息传输距离与质量。按传输模式，光纤可以分为多模与单模两种。光纤的基本特性参 数是损耗( d b k m ) 以及色散( p s ( n m k m ) ) 。 光纤作为光纤通信的媒质在1 9 6 6 年被提出之后，其卓越的特性导致了光纤通信的巨大发展。伴 随着光纤的发展，也可以将光纤通信系统划分为第一、二、三代等删。在早期的光纤通信中，由于 缺乏长波长光源，系统通常采用短波长( 0 8 r t m ) 的光纤，其色散与损耗比较大，主要用于短距离、低 速通信系统中，即第一代光波系统；在1 3 岬的光波系统中。光波长靠近零色散波长处，光纤色散 比较低，由此形成第二代光波系统：用于1 5 岫光波系统的光纤为单模光纤，色散较大，一般在1 6 2 0p s ( n m k m ) ，但损耗很低，可以用于长距离、高速光纤通信中，即是所谓第三代光波系统；针对 第三代光波系统色散较大的特点，人们经过努力发展了一种新的单模光纤，称为色散位移光纤( d s f ) ， 其损耗约为0 2 5 d b l l u n ，色散参数在i p s ( n m k m ) ，此种光纤具有更大的吸引力b ”。 2 3 光源 光源器件的性能直接影响着光发射机的性能指标。为了保证通信的可靠性，光纤通信系统对光 源的波长、输出光功率、可靠性、光谱宽度、光源与光纤耦合效率等提出了一系列要求。另外光源 的调制模式也在一定程度影响着通信系统的性能。 在目前的光纤通信系统中，常用的光源有( 1 ) 发光二极管( l e d ) ；( 2 ) 激光二极管( l d ) ；( 3 ) 垂直 腔面发射激光器v c s e l ( v e r t i c a l - c a v i t y - s m f a c e - e m i t t i n gl a s e r ) ；( 4 ) 光调制器等。这几种器件具有不 同的工作原理，在性能上具有各自的优缺点。从电路角度来看，光源是驱动器的负载。为了获得更 好的系统性能，驱动器的设计在很大程度上需要考虑光源的特点，即是根据光源的自身特点，在电 路技术上加以补偿。当然为了获锝最佳的通信性能，还可以在光源器件上做出一定的努力，但这不 是本论文所讨论的内容。 2 3 1 发光二极管 发光二极管是一个正向偏置的p n 同质结，n 区中的多子电子注入p 区，并与其间多子空穴复合而 发光。同理，p 区中的多子空穴注入n 区，并与其间的多子电子符合而发光。即是所谓电致发光。其 产生的功率由正向偏置电压产生的注入电流提供。发光二极管结构简单，发射出的光波是非相干光， 具有较宽的谱宽( 典型值是几十到几百哪) 和较大的发射角( = 1 0 0 。) ，适合于低速、短距离光波系统中 1 4 】。 2 3 2 激光二极管 半导体激光二极管通过受激辐射发光，由于受激辐射与自发辐射的本质不同。决定了半导体激 光器不仅能产生大的输出功率，而且输出光发射角窄，与单模光纤的耦合效率高( 可达到5 0 0 , 4 左右) 载流子复合寿命短，可以直接进行高速直接调制，适合用作高速长距离光纤通信系统的光源【4 l 。 半导体激光器的特性主要包括阙值电流、输出功率、微分转化效率、峰值波长、光束发射角等。 p i 特性是选择半导体激光器最重要的依据。 6 第二章光纤通信系统 p o 憩 采 丑 臻 南1 l i m 电流 图2 2 激光二极管电流、正向电压以及输出光功率之闻的关系 图2 2 给出了激光二极管正向电压与电流关系以及激光器输出光功率与电流关系，在图中给出 了温度对激光器的影响。需要指出的是，激光二极管是一种阈值器件。闽值电流i - m 表示激光二极 管能够激励发射光量子的最小电流。为了使激光器快速开关、避免开关延迟，需要用稍大于阈值电 流h l 的电流对激光器进行偏置。激光二极管的输出光功率取决于驱动电流的幅度以及电流到光功 率的转换效率( 有时也叫做斜率效率：激光器输出光功率( 单位是m w ) 与驱动电流( n 认) 之比) 。斜 率效率和阈值电流都与激光二极管的结构、制造流程、材料和工作温度都有关1 7 月。 2 3 3 垂直腔面发射激光器 垂直腔面发射激光器是一种新型的半导体激光器，具有许多边发射激光器无法比拟的优良特性， 主要包括以下几点：由于其腔长比较短，垂直于衬底方向有较大的纵膜间距，可动态单膜工作；适 合长距离相干光通信；适合制成高密度二维光互联和信息处理：适合制成光电子集成组件；有发射 角小的圆形光束，便于光纤耦合；阙值比较低p ，一o i ；而且由于工艺上的特别氧隔离方式，使得其具有 高速和高转换效率的特点；它的发射波长通常在8 5 0 h m 左右。 2 3 4 光调制器 光调制器具有阈值电流低，对温度不敏感等优点。在过去几十年中，几种不同类型的外调制器 已经被发展，包括l i n b 0 3 ( l i t h i u mn i o b a t e ) 调制器、半导体电吸收调制器( e a m s ) ，半导体 m a c h - z e h n d e r i 周$ 器等。与激光二极管直接调制相比，采用光调制器对光波进行调制在啁啾可控制 性、高速适用性等方面显得更有竞争力”w 。 当前的大多数宽带调制器都基于两种物理特性：一种是线性光电效应( e o ) 也被称为p o c k e l s 效 应；另外一种是电吸收( e a ) 效应。这两种效应都依赖于电场，这也就是光调制器通常被称为压控器 件的原因”。线性e o 效应是指非线性光晶体的折射率由于电场的存在而改变的效应。折射率的改变 引起光波相位的改变，这可以在m a c h - z e h a n d e r 干涉仪中转化为强度调制。电吸收( e a ) 效应是指材料 在电场作用下，光吸收系数改变的效应。当通过e a 调制材料时。光信号按照所加电场的强度成一定 7 东南大学硕士学位论文 比例地被吸收。对各种调制器而言，其性能主要体现于以下的参数：调制效率、偏振的敏感度、频 率啁啾、光损耗、饱和功率、消光比、偏置的稳定性、光带宽、线性度等。这些参数在一定程度上 决定了调制器的使用范围。 调制器未来的发展是进一步降低驱动电压与制造成本，进一步提高集成度。把驱动电压降低到 3 v ，既能提高驱动器的效率同时降低驱动器的造价。如果把驱动电压降低到0 7v ，则将完全排除驱 动器1 1 2 】。 2 4 光纤通信系统设计 2 4 1 系统带宽对随机信号的影响”l 在设计高速电路时，需要对电路的带宽增益与功耗进行折衷。我们知道光纤通信中的信号源是 一系列的二进制伪随机码，为了确定光纤通信中电路需要的带宽我们需要对低频特性与高频特性进 行说明。 ( a ) 低通滤波器的影响 ( a ) 图2 3 低通滤波器对信号影响( ”周期信号( c ) 随机信号 图2 3 ( a ) 为一个低通滤波器的简单电路，图2 3 为一个周期信号的方波经过低通滤波器后的波 形，从输出波形可以看出，低通滤波器抑制了信号中的高频量，这表现在有限的上升与下降时间。 图2 3 ( c ) 为一串随机的二进制信号经过低通滤波器后的波形，从图中可以看出，当信号“1 ”与信号 “0 ”交替出现时，由于没有足够的时间，输出不能够达到稳定值0 或v o 。这种现象对于电路来说 是很严重的问题，给电路的判决电压设定带来困难。比如图2 3 ( c ) 中的t l 与t 2 时刻，输出电压值在 v o 2 附近，如果判决电压设定的为v o 2 ，则在这两个时刻的电压对噪声很敏感，会增加整个系统的 误码率。在工程设计中，一般我们要求电路的带宽为( o 7 加8 ) n ，其中n 为通信速度。 8 第二章光纤通信系统 c a ) 高通滤波器的影响 在电路设计中，经常会采用大电容来隔直通交，在引入这种电容的同时会给电路的低频特性带 来不良影响，如图2 4 所示： o 一 兀厂 f 1 几 。一 f 飞 - = 一 m h 一 一 圈2 4 高通滤波器对随机信号的影响 2 皿 电路的此种特性主要表现在那些长时间连“0 ”或连“”信号，使得他们输出会下降，称为直 流漂移。如果直流漂移过大，将会给电路的判决电压设定带来困难。为了减小直流漂移的影响，工 程上一般要求直流漂移量小于0 2 d b 。 假如，l o g b s 的光纤通信系统要求高通特性的转角频率小于2 5 0 k h z ，那么连续码最长的时间 应为多少，使得直流漂移为0 2 d b 。如图2 4 b ) 所示，图中为连续码的个数，死为码宽。则有： k = e ) 【p ( 二盟) f m r + = o 0 2 3 r ，其中f = ( 2 厅+ 2 5 0 k h z ) = 6 3 6 6 n s ，瓦= o 1 n s 因此，m = 1 4 7 2 4 2 光源发光功率的要求( 功率预算) 功率预算的目的在于保证整个光纤通信系统在整个寿命期间有足够的光功率到达光接收机，使 得系统的性能稳定可靠。接收机的最小光功率斥，发射机输出光功率p t 对特定的光发射机而言都是 既定的。将功率用d b m 来表示的话，则功率预算可以表示为：只= 只+ 只+ 匕 式中的心为信道总损耗，包括所有可能的功率损耗源：比如光纤的分布损耗、连接器损耗等。为 系统裕量，其意义在于分配一定量的功率，克服系统在整个寿命期间由于元器件退化或其它不可预 知的事件而引起的功率亏损，可以取为6 s d b 。在选好系统元器件后，可以根据式上式估计最大的 传输距离，并确定相应的工作波长以及光纤。然后根据工作波长确定合适的光发射机以及接收机。 当然还要考虑光发射机以及接收机的响应速度是否满足系统的要求，也就是上升时间预算的问题。 2 4 3 系统带宽( 上升时间预算) 上升时间预算的目的在于检验选用的光源、光纤以及检梗0 器的响应速度是否满足系统设计的要 求，以确保系统在预定的比特率上能够正常工作。有时即使系统各个部分的带宽都超过既定比特率 的信号带宽，但整个系统还是有可能不能在该比特率下工作，那么上升时间预算提出的意义就是用 来在各个系统组成部分间分配带宽。一个线性系统的上升时间定义为在输入端加入阶跃信号时， 系统响应从最终输出值的1 0 上升到9 0 所需要的时间。 9 东南大学硕士学位论文 例如由船电路组成的简单线性系统，其上升时嗣以表魏i = 等 该关系对任何的线性系统均成立，但乃可的乘积不一定为0 3 5 。对于光波系统取z v = o 3 5 仅作为保守指标。带宽肖与比特率b 之间的关系则取决于数字码型，上升时间的容限一般可以确 定为： r _ 0 3 5 b 勉码 t r n 肥码 光波系统总的上升时间决定于系统各组成单元的上升时间，可表示为： 乎= 露+ 巧+ 霉 上式中，、卿硝 别为光发射机、光纤、光接收机相应的上升时间。乃决定于光发射机的电系 统以及与光源相关的寄生参数；驻要决定于接收机前端的3 m 带宽；露主要由色散参数决定。 参考文献 【1 1 b e h z a d r a z a v i d e s i g n o f i n t e g r a l e d c i r c u i t s f o r o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s m c g l o w h i l l 【2 】李玉权译光纤通信( 第三版) 北京：电子工业出版社，2 0 0 2 7 【3 】杨祥林光纤通信系统【m 】北京：国防工业出版社，2 0 0 0 1 【4 】董孝义，王廷尧新一代光纤通信与同步网 m i 天津；天津科学技术出版社，1 9 9 4 5 】徐国昌，凌一鸣光电子物理基础【m 】南京：东南大学出版社，2 0 0 0 1 0 【6 】雷凯0 1 8 i n nc m o s1 0 g b s 激光驱动器及单片集成光发射芯片设计硕士论文2 0 0 5 3 【7 】王志功光纤通信集成电路设计【m 】- | e 京：高等教育出版社，2 0 0 3 6 【8 】刘颖等分布布拉格反射镜中具有渐变层的垂直腔面发射半导体激光器中国激光 第2 3 卷第一期 【9 】高洪海垂直腔面发射激光器热特性的实验研究光子学报1 9 9 7 年6 月第六期 【1 0 】周洁g a a s g a a n s 单量子阱光调制器电学行为红外与毫米波学报第1 3 卷第一期 【l l 】g l l i ，p k l y u , o p t i c a li n t e n s i t ym o d u l a t o r sf o rd i g i t a la n da n a l o ga p p l i c a t i o n s j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，v o l 2 1 ，n o 9 ，p p 2 0 1 0 - 2 0 3 0 ，s e p 2 0 0 3 f 1 2 1 g l l i , e k l v u , o 州c a ii n t e n s i t ym o d u l a t o r sf o rd i g i t a ja n da n l o ga p p l i c a t i o n s ，j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y , v o l 2 1 ，n o 9 ，l a p 2 0 1 0 - 2 0 3 0 ，s e p 2 0 0 3 【1 3 b e h z a dr a z m v i d e s i g no f i n t e g r a t e dc i r c u i t sf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s m cg r a wh i l l 0 第三章c m o s - - 艺及其高速电路设计流程 第三章c m o s 工艺及其高速电路设计流程 本章主要介绍t c m o s z 艺q a m o s 管特性，进而简要的说明了短沟道效应对m o s 管特性的影 响。在本章的最后给出了c m o s t 艺设计电路的步骤。 3 1c m o s 工艺特点 一般来说，为了实现高速工作，电路中的器件通常需要工作在特定工艺的最佳工作区域。这就 意味着在超高速电路的设计中，不但要在电路技术上具有较好的认识，也要对所用工艺的优点与缺 点具有较为全面的理解，这样才有可能发掘工艺的潜力，设计出较好性能的电路。 与i i j v 化合物器件、s ib i p o l a r 器件相比，c m o s i 艺具有较低的而值、寄生参数高、噪声大等 特点，这导致c m o s 高速电路的设计非常困难，但是c m o s i 艺也具有它自身的优势：一是c m o s 工艺容易获得；二是c m o s 流片成本比其它工艺低；三是c m o s 电路集成度高；还有一点需要指出的 时，伴随着特征尺寸的缩小，其工作速度越来越快，如今的o 1 8 9 mc m o s t 艺已经完全有可能应用 于高速电路的设计。 3 2c m o s 有源器件 3 2 1c m o s 器件的一阶v 特性 载有电流珀q 半导体棒，其电流值可以表示为： ，：安：q s v ，* d r ：( q s ) v ：q v ( 3 1 ) 破西 其中q 为半导体的体电荷密度，v 为电荷移动速度，幺为沿电荷方向的电流密度。 当m o s 管开始导通时，沿沟道内x 点处的电荷密度可以写为：q ( = w c o a v g s y ( 力一p 石) 因此可以写出电流方程( 3 1 ) 式：l o = 一q o ) v = 卅( ( 吃s v 协) 一) v 其中v ：e ：( 一_ d v - ) ，f 为载流子迁移率。结合边值条件：矿( o ) ：o 和矿( 三) ：s 可得：，d 西r = f 阡7 c 。，【k 嚣一矿( x ) 一v m d v 所以： 易= 1 2 以c 靠等【2 ( 一) 一嗑】 当= 一，电压有最大值： 厶一= j 1 心i w ( 一) 2 ( 3 。2 ) ( 3 - 3 ) 东南大学硕士学位论文 式( 3 2 ) 与( 3 3 ) 称为m o s 管的萨式方程，其中吃= p 矗一称为m o s 管的过驱动电压萨式方程 是c m o s 模拟集成电路设计的基础，它们描述了如与工艺常数胁、c 。，器件尺寸和工以及栅与 漏相对于源的电位之间关系。给定在一个过驱动电压值，对y o s 进行扫描，这样可以得到c m o s 管的输出特性曲线，如图3 1 所示： v d s 圉3 1m o s 管的电流特性图 3 2 2c m o s 器件的二阶效应 体效应【” 如果n m o s 管的源极没有接到衬底，也就是最低电位，n m o s 管的开启电压会发生变化，这就 是体效应。考虑体效应后，巧变为： = 。+ ，( 扫五了习一正习) ( 3 4 ) 式中：，= 夏瓦j 吒- c 矗称为体效应系数。p 岛是源衬电势差吖取值一般在o 3 v v 2 到o 4 v 啦之 间。由于体校应的存在，使得器件不再理想，增加了设计的复杂度与难度，这是设计中需要注意的 地方。 沟道长度调制效应 图3 2 给出了沟道长度调制效应的示意图。当m o s 管的沟道夹断后，如果p 瓠继续增加。夹断点 会略向源极方向移动，导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，相应的沟道电阻也就略有减小， 从而而略有增加。一般采用沟道长度调制系数2 来表示口】，则考虑了沟道长度调制效应后漏极电流为： 1 易= 寺以q 二 ( 珞一) 印+ 五) ( 3 5 ) zl 其输出特性如图3 3 所示，在饱和区具有有限斜率。 i l g a t e i 匕i = 一i i d 图3 2 沟遵长度调制效应 2 v v s 图3 3 沟道长度调制引起的电流输出特性图 第三章c m o s 工艺及其高速电路设计流程 亚阈值导电性雕1 ( s u b t h r e s h o l dc o n d u c t i o n ) 一般我们认为，v g s v m 时，器件会突然关断然而实际并非如此当v g s 州t h 时，一个弱 的反型层仍然存在，并有漏电流；当吃一y 掰时，1 d 也并非无限小，而是与雌现指数关系，这种 效应称为“亚阈值导电性”。 3 2 3c m o s 器件的电容 上面的几个小节分析主要是针对c m o s 管的直流特性。然而c m o s 管的交流特性在实际应用中也 很重要，对交流特性占主导地位的是c m o s 管自身的电容。图3 4 为c m o s 管的等效电容分析。 d ( a )( c ) 图3 4c m o s 管的等效电容 我们认为电容存在与m o s f e t 的四个端口中的任意两个之间，这些电容值由晶体管的偏置情况 决定。考虑图3 4