（电路与系统专业论文）10gbs+gaassige前置放大器设计.pdf

摘要 摘要 光纤通信是2 0 世纪7 0 年代问世的通信技术，它采用光波作为信息载体， 并采用光导纤维作为传输介质。这种通信方式以其巨大的可用带宽、传输距离 远、极低的传输损耗等优点，已经成为有线信道最主要的传输方式。 前置放大器位于光纤通信系统接收机的最前端，将光检测器产生的微弱电 流信号转换为电压信号，其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。因 此，一个合格的前置放大器必须满足各个性能方面的要求。电流模形式，即在 共栅( 共基) 级输入的跨阻放大器中采用电压并联反馈的作法。由于电流模形 式的前置放大器具有增益高、频带宽、噪声较小、灵敏度高等多项优点，因而 被广泛应用于高速及超高速光纤传输系统中。 本次课题分别利用0 2 岬g a a sp h e m t 工艺和0 3 5 u i lh b tb i c m o s 工艺设计 了用于工作速率为l o g b s 光纤通信系统的电流模形式前置放大器。这两种工艺 截止频率高、跨导高，是设计高速集成电路的首选。文中详细介绍了两种工艺 的器件构成及特点，分别分析了基于这两种工艺的不同电路结构，介绍了设计 过程和各项性能指标的仿真结果。之后对两个电路进行了版图设计，并已送交 芯片制造厂商流片。g a a sp h e m t 前置放大器经初步测试，性能良好。该芯片参 加了国家8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 3 0 ) “1 0 4 0 g b s 光收发关键器件芯片技术研究” 的成果验收，获得了专家组的好评。由于时间不足，s i g eb i c m o s 前置放大器 处于待测试中。 【关键字】前置放大器跨阻电流模g a a sp h e m t 工艺s i g eb i c m o s 工艺 a b s t r a c t o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o nw a si n v e n t e di n t h e19 7 0 s ，w h i c ht a k et h el i g h tw a v ea si t s d a t a c a r r i e ra n dt h eo p t i c a l f i b e ra si t st r a n s p o r t m e d i u m d u et oi t sm e r i t s ，s u c ha sg r e a tc a p a c i t y , l o n gt r a n s m i td i s t a n c e ，a n dt o wp o w e rd i s s i p a t i o ne t c ，o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e b e e nc o n s i d e r e dt h ep r i n c i p a lp a r to fi n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a y b e i n gt h ef o r e f r o n to ft h eo p t i c a lr e c e i v e r , p r e a m p l i f i e rc o n v e r t st h ew e a kc u r r e n ts i g n a l p r o d u c e db yp dd e t e c t i n gl i g h tw a v e t oa m p l i f i e dv o l t a g es i g n a l t os o m ee x t e n t ，t h ep e r f o r m a n c e o fap r e a m p l i f i e rd e c i d e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l eo p t i c a ir e c e i v e r t h e r e f o r et h ec a p a b i l i t yo f ac o m p e t e n tp r e a m p l i f i e rs h o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f a l ia s p e c t s c u r r e n t - m o d ep r e a m p l i f i e r s i sat r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e rw i t hac o m m o ng a t e ( o rc o n n n o nb a s e ) i n p u ts t a g eu s i n gc u r r e n t s h u n tf e e d b a c kt e c h n o l o g y b e c a u s et h ec u r r e n t - m o d ep r e a m p l i f i e r sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a shj 【g hg a i n ，w i d eb a n d ，l o wn o i s e ，a n dh i 【曲s e n s i t i v i t ye t c ，t h e ya r ew i d e l yu s e di nh i g h - s p e e d a n du l t r a - h i g h - s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s i nt h i sp r o j e c t ，w ed e s i g n e dt h ec u r r e n t - m o d ep r e a m p l i f i e rf o rs d hs t m - 6 4 ( 10 g b p s ) i na 0 2 h mg a a sp h e m tt e c h n o l o g ya n dao 3 5 u mh b tb i c m o st e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y d u et o h i g hv a n s i tf r e q u e n c ya n dh i 曲t r a n s c o n d u c t a n c e ，t h e s e t 、v ok i n d so ft e c h n o l o g ya r ea l w a y st h e f i r s tc h o i c ei nt h e d e s i g no fh i g h - s p e e dl c s i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l y i n t r o d u c et h ed e v i c e c o m p o s i t i o na n dt h ec h a r a c t e r so ft h e s et w ok i n d so ft e c h n o l o g y ；s u b s e q u e n t l yw ea n a l y z et h e s t i m c t u r eo f t h ec i r c u i t sa n dd e s c r i b et h ed e s i g np r o c e d u r ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nd i f f e r e n t t e c h n o l o g y l a y o u t so f t w oc i r c u i t sa r ed e s i g n e da f t e rs i m u l a t i o n ，a n dt h e yh a v eb e e nd e l i v e r e d t o t h ec h i pm a n u f a c t u r e ra n ds u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d t h em e a s o r er e s u l t so ft h eg a a sp h e m t p r e a m p l i f i e rv a l i d a t eo u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s t h i sc h i ph a ss u c c e s s f u l l yp a s s e dt h ea c h i e v e m e n t e x a m i n a t i o no f t h e8 6 3p r o g r a m ( 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 3 0 ) ”r e s e a r c ho nc h i pt e c h n o l o g yo f k e yd e v i c e o f1 0 4 0 g b so p t i c a lt r a n s c e i v e r ”a n dg a i n e dah i g hc o m m e n tf r o mt h ee x p e r t s b e c a u s eo ft h e t i m el i m i t a t i o n ，t h es i g eb i c m o sp r e a m p l i f i e ri ss t i l lw a i t i n gf o rt h et e s t 【k e y w o r d 】p r e a m p l i f i e r , t r a n s i m p e d a n c e ，c u r r e n tm o d e ，g a a sp h e m tt e c h n o l o g y , s i g e b i c m o s t e c h n o l o g y 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 料。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。 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：逝导师签名： 日期： 第一章概论 1 1 光纤通信 第一章概论 光纤通信是以光作为信息载体，以光纡作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近 3 0 年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来 了巨大变革。 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ( 1 ) 传输频带极宽，通信容量很大： ( 2 ) 由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远： ( 3 ) 串扰小，信号传输质量高； ( 4 ) 光纤抗电磁干扰，保密性好； ( 5 ) 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； ( 6 ) 耐化学腐蚀： ( 7 ) 光纤是石英玻璃拉制成形，原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。 由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、空 航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、 矿井等区域内的通信。 1 2 光纤传输系统简介瞄1 高速光纤传输系统的基本结构如图卜l 所示。它包含一个光发射机、一条光纤信道和一 个光接收机。在光发射机中，低速的数据信号被复接成一路的高速信号。通过光发射器件， 这个高速信号被调制成光波。载有信号的光波经过光纤信道的传输，到达光接收机。首先通 过一个光检测器被变化为电信号，然后被放大、再生，最后分接成原始的低速数据信号。 图1 1 光纤传输系统框图 东南大学硬士学位论文 各模块功能如下所示： 复接器将多路低速数据信号复接成一路高速数据信号，以提高光纤通信容量的利用率。 激光驱动器在复接器输出信号的激励下，产生足够强度的电压电流，从而驱动激光二极 管正常工作。 激光二极管将电信号转换为光信号，送入光纤传输。 光检测器光电转换器件，将接收到的光脉冲信号转换为电流脉冲信号。 前置放大器将光检测器输出的微弱电流脉冲信号转换成电压脉冲信号，同时在引入较少 的噪声的情况下进行一定量的放大。 主放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至一个足够大且恒定的幅度，以便于驱动 后续的时钟恢复和数据判决电路。 时钟恢复电路产生一个时钟信号，该时钟信号与输入数据信号相关联的时钟信号同步。 该时钟信号可作为数据判决电路和分接器的时钟信号。 数据恢复电路去除数据的噪声和干扰，实现数据再生。 分接器将一路高速数据信号分为多路低速数据信号，供后继信号处理电路使用。 其中前置放大器为本论文研究的对象。 1 3 光接收机性能指标 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将经光纤传输衰减和畸变后的微弱 光脉冲信号通过光电转换变为电脉冲信号，经过放大、均衡和定时再生，还原为与发射端一 致的数字脉冲信号。 光接收机的输出特一陛综合反映了整个光纤通信系统的性能，衡量光接收机性能的主要指 标有接收灵敏度、动态范围、比特率穿透性、响应时间”。等。 接收灵敏度是指在规定的误码率条件下，光接收机正常工作所需要的最小入射光功率。 反映了光接收机检测微弱信号的能力。影响接收灵敏度的主要因素是光信号检测过程中产生 的噪声及光接收机的内部噪声。灵敏度是确定中继器之间最大延伸距离的关键因素，不同的 通信系统对灵敏度的要求也不同，海底光纤通信系统要求具有极高的接收灵敏度，从而达到 延长中继距离，减少中继站数目的目的以提高系统可靠性，而陆上通信系统及数据网对灵敏 度的要求就不像海底光纤通信系统那么苛刻。但不管怎样，接收灵敏度是光接收机最重要的 一个性能指标，也是光接收机设计中最基本的问题。 光接收机的动态范围是指最大允许输入光功率与最小可检测光功率的比值，它反映了光 接收机适应输入信号变化的能力。在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器损耗 不同，发送功率随温度变化及老化等原因，光接收机实际接收到的光功率有一定的范围。最 大光功率决定于非线性失真及前置放大器的饱和电平，最小功率则决定于接收灵敏度。宽的 动态范围对系统结构来说更方便灵活，使同一接收机可用于不同长度的中继距离。因此动态 范围是光接收机又一个重要的性能指标。 第一章概论 比特率穿透性是指接收机能 作于不同码速的能力。在数据传输系统及局域网等应用 中，码速通常根据用户要求而定。比特率穿透能力允许同一接收机用在不同码速的几个网中， 它使用户能提高网络容量以适应终端数据及业务的增长，而不需要改变主要的硬件设备。 响应时间是指光接收机从空闲状态到接收突发输入数据后达到稳定状态所需的时间，该 指标在点到点连接和局域网中应用较为广泛。我们希望光接收机对突发的输入数据能够有快 速的响应，使输入码流前的引导序列尽可能的短，从而提高传输效率。 此外，功耗、电源电压、可靠性、尺寸及价格也是在设计光接收机时需要考虑的重要因 素，因此在设计光接收机前端放大电路时需要综合考虑各种因素，使整个光接收机的性能达 到最优。 1 4 工艺选择 本论文所研究的内容为l o g b s 光接收机前置放大电路的设计，选择适合的工艺是成功 完成超高速电路设计的前提和保证。表1 1 定性给出几种常见工艺的各项性能比较。 表1 1 工艺比较 g a a sp h e m t b i p o f a r c m o s 驱动能力较强最强 较低 速度 最高 较高 较低 噪声最低较低较高 功耗 较高较高较低 成本 较高较高较低 集成度较低较低最高 寻求代工服务困难困难容易 目前，国外已发布的工作速度在2 5 g b s 以上的前置放大器芯片，大部分采用s i b i p o l a r 、o a a s 、s i g e 和i n p 等工艺实现。从表1 1 中可以看出，o a a s 和b i p o l a r 工艺具有 较强的驱动能力、速度快，并且噪声性能良好，因此一直是设计高速前置放大器的首选工艺。 但是由于这两种工艺成本高、成品率低、工艺不易获得，因此在国内，其应用受到了极大的 限制。 随着c m o s 工艺向亚微米、深亚微米方向的发展，c m o s 器件的特征尺寸不断减小，特征 频率再不断提高，c m o s 工艺得到了广泛的应用。目前，利用深亚微米c m o s 工艺设计超高速 单片集成电路已成为全球i c 界研究的热点。东南大学射频与光电集成电路研究所在成立的 短短几年内，已经成功利用深亚微米c , 、f o s 工艺设计了几款高速前置放大器电路。然而，基 于c m o s 工艺的前置放大器在放大能力和噪声性能上，始终不能令人满意。因此，研究采用 性能更加优越的工艺设计前置放大器，已经成为当务之急。 由于法国多项目晶圆工程( c m p ) 的成功实施，东南大学射频与光电集成电路研究所可 3 东南大学硕士学位论文 以使用法国o m m i c 公司的0 2u g a a sp h e m t ( 赝品高电子迁移率晶体管) 工艺流片。因此， 高频性能极佳的g a a sp h e m t 工艺成为设计l o g b s 级前置放大器所采用的工艺之一。 另外，从产业化角度看，采用s i g e 工艺是最有前途的，但是sj g e 工艺只有极少数厂家 才有。射频与光电集成电路设计研究所在2 0 0 4 年初，经过多次谈判后获得03 5 p ms i g eh b t b i e m o s 工艺。h b tb i c m o s 既有h b t 基极电阻小、发射结电容小、跨导高、速度快等优点， 同时又综合了c m o s 的可集成度高的优点，是此次课题选用的另一个工艺。 1 5 论文组织 本文将对用于光纤通信系统s t m 一6 4 ( 1 0 c b s ) 速率级的光接收机前置放大器进行研究。 本文对其工作原理和设计方法作出阐述，并介绍了两种利用不同工艺实现的跨阻放大器设计 过程。 第二章从光检测器和前置放大器的基本概念入手，着重分析了前置放大器中的噪声来源 和常用的分析方法。之后，相继从理论上分析了开环共栅共基放大级的低频、高频特性， 以及利用电压并联负反馈实现的闭环跨阻放大器的各种特性。由于电流模形式的跨阻前置放 大器具有增益稳定、频带较宽、噪声小、无需均衡、动态范围大等多项优点，因而被广泛应 用于高速及超高速光纤传输系统中。 第三章和第四章分别论述了基于0 2umg a a sp h e m t 工艺和基于0 3 5umt t b tb i c m o s 工艺的电流模形式前置放大器的设计过程。两章结构相似，皆从工艺库分析介绍入手，继而 介绍基于此工艺的常见闭巧前置放大器电路原型。在具体电路设计时，需要结合所采用工艺 的特点，对电路原型进行改进优化，使得电路满足系统性能要求。因此，这两块芯片在具体 电路结构上有所区别，但是均采用了电容补偿技术来拓展频宽。接着，文章给出了两个电路 的各种仿真结果，以及各自版图。g a a sp h e n t 工艺前置放大器流片后经测试，工作正常， 性能良好。s i g e b i c ) i o s 工艺前置放大器由于流片较晚，暂时无法测试。另外，在第三章中， 穿插介绍了版图设计，电路测试等重要步骤的注意点和设计技巧。 第五章给出总结。 第二章前置放大器原理及特性分析 第二章前置放大器原理及特性分析 2 1 光检溯器 光检测器是光电转换器件，其作用是将接收到的光脉冲信号转换成电流脉冲信号。在经 历了光纤衰减后，信号到达接收端时已经很微弱，因而光检测器产生的光电流也非常微弱( 叶 数量级) 。理想的光检测器应该能检测所有的入射光子，并以最快的速度和最大的量子效率 完成光电转换，而不产生额外的噪声。换句话说，对光检测器的基本要求是高光电转换效率、 低附加噪声和快速响应。 常用的光检测器有雪崩二极管( a p d ) 、p i n 二极管和m s m 二极管。雪崩二极管对注入光 电子有倍增作用，可用于高灵敏度光电接收。p i n 二极管具有频带宽、噪声系数小，使用条 件相对简单的特点，适用于超高速信号的接收。m s m 二极管具有工艺简单的特点，广泛应用 于光电单片集成电路中”。 为了更好得将光检溺器与前置放大器结合起来进行电路分析常常采用其等效电路。光 检测器的等效电路如图2 - 1 所示。其中 i s ；光检测器的输出电流，电流强度为皿数量级 c s ：光检测器的寄生电容，是影响前置放大器带宽的重要因素。前置放大器设计的重点 之一就是要使前置放大器对光检测器的寄生电容不敏感，郎在一定范围内，c s 的 变化不影响前置放大器的性能。光检测器的寄生电容从0 1 p f ( p i n 二极管，未封 装，加有较大的反偏电压) 至几个p f ( p i n 二极管，己封装，加有适度的反偏电 压) 不等，根据其封装和连接形式不同而不同。 l ，c ，r 1 ，r 2 ：光检测器的连线电感，连线电容和连线电阻。 一i s 2 2 前置放大器概述 图21 光检测器的等效电路 前置放大器必须具备以下三个功能 将电流转换为电压； 提供放大； 东南大学硕士学位论文 提供一个合适的传输函数； 第一个功能可以通过一个电阻作为光检测器的负载电路或用一个跨阻放大器实现。第二 个功能可以通过一个放大器实现。第三个功能可以通过均衡器、滤波器和放大器的频率特性 来实现。根据以上不同形式的解决办法，前置放大器主要有以下三种类型：低阻前置放大器、 高阻前置放大器和跨阻前置放大器。 低阻前置放大器和高阻前置放大器的工作原理是用一个电阻将光检测器输出的微弱电 流转换为小电压，然后再对小电压进一步放大。这两类前置放大器适合于混合集成电路和那 些对速率要求不高但对灵敏度要求很高的通信系统。因此本次设计中将采用跨阻放大器作为 前置放大器。通过低阻值的反馈电阻给放大器的输八端提供负反馈用以实现具有一定增益、 低输入阻抗的放大器，从而既可以保证低噪声，又有大的带宽和动态范围。 跨阻前置放大器是将光检测器产生的微弱电流信号。转换为电压信号圪。的放大器。 其跨阻增益定义为岛= 圪。l 。若跨阻放大器在输入信号变化为1ua 时，输出信号变 化为1 m y ，则代表跨阻增益为l kq 。由于跨阻放大器位于光纤通信系统接收机的最前端，性 能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。因此，一个合格的跨阻放大器必须满足各个性 能方面的要求。5 ” 噪声 光信号在经历了长距离的光纤传输后，到达接收端时已经非常微弱，如果放大器本身又 引入很大的噪声，后一级放大器会对前一级放大器输出的信号和引入的噪声同时进行放大， 因此，信噪比不会得到改善。为了克服上述问题，需要一个低噪声、高增益的前置放大器， 以获得较高的信噪比。等效输入噪声电流l 。决定了在给定误码率要求内，可接收的最小电 流输入。例如，误码率为1 0 _ 1 2 时，要求乇，p l 。，“1 4 ，即屉小电流输入信号的峰峰值 为总等效输入噪声电流的1 4 倍。通常情况下，一个高性能的跨阻放大器的总等效输入噪声 电流在0 5 至2 卢4 。之间。 由于跨阻放大器的噪声性能直接制约了光纤通信系统的资源配嚣，因此在设计电路时， 必须给予噪声性能足够的关注要求前置放大器等效输入电流噪声尽量低，这样我们在采用普 通的p i n 二极管时，也可以获得较高的灵敏度。 带宽 跨阻放大器的总等效输入噪声电流l 是由等效输入噪声电流功率谱密度在一定带 宽内积分而得的，为了减小总等效输入噪声，就要尽量缩小带宽。另一方面，光接收机的工 作速度决定着前置放大器的工作带宽，前置放大器带宽的限制增大了低通滤波器的时间常 数，导致码间干扰( i s l ) 严重，眼图恶化。为此，带宽的确定需要一个折衷值。通常情况 下，跨阻放大器的带宽取值约为伪随机码比特率的0 7 倍。 6 第一章前置放大器原理及特性分析 增益 跨阻放大器的增益必须足够大，使输出电压信号能够克服峨声，驱动后级电路。而跨阻 增益往往受到带宽和电源电压的限制，高速高增益的跨阻放大器通常需要高电源电压工艺支 持。 这几个要求是相互矛盾和相互影响的，例如带宽的增加将导致噪声的增加和增益的下 降。此外，当温度变化时，前置放大器的增益、带宽和灵敏度应该保持相对稳定。 目前，比较常见的跨阻放大器大致包括：共源( 共发) 结构、共栅( 共基) 结构、r g c 结构。共源( 共发) 结构的跨阻放大器的增益、带宽、噪声和稳定度之间存在着很严重的矛 盾，其主要原因是反馈电阻r ，在各项性能指标中均起了决定性的作用。因此单纯调节反馈 电阻r ，很难达到整个跨阻放大器的最优化，共源( 共发) 结构的跨阻放大器不再适于超高 速宽带前置放大器的应用场合。而r g c 结构的跨阻放大器的噪声性能比较差。因此，主要针 对低输入阻抗，高增益的共栅( 共基) 结构的跨阻放大器进行分析。 2 3 前置放大器的噪声 放大器的内部噪声主要是由电阻等有耗元件和晶体三极管、场效应管等电子器件产生 的。显然，对于这种起伏变化的噪声波形，它在每一瞬间的数值是无法确定的，但是表示噪 声能量的均方僮却是一定的。如果对它进行频谱分解，则它在单位频带内的均方值即噪声谱 密度也是确定的。 下面简要介绍电阻、晶体三极管和场效应管中噪声的来源和相应的噪声模型。“7 1 2 3 1 电阻热噪声 电阻热噪声是由电子作杂乱无章的热骚动雨造成的，可以用电流噪声源或电压噪声源来 表示。 一个阻值为r 的电阻，产生的噪声电流，其功率谱密度为： s ( ) = 4 k t r = 4 k t g( 2 1 ) 单位为a 2 h z 。如果等效为噪声电压，其功率谱密度为： 品( ，) = 4 k t r( 2 2 ) 单位为v 2 m z 。式中，k 为玻尔兹曼常数，丁为热力学温度。 从式( 2 】) 和( 2 2 ) 可以看出，电阻热噪声的功率谱密度为常数，与频率无关。通常将具有 这种性质的噪声称为白噪声。 东南大学硕士学位论文 2 3 2 晶体三极管噪声 晶体三极管的噪声般比电阻热噪声大，它有以下三种来源： ( 1 ) 散弹噪声 散弹噪声是晶体三极管的主耍噪声源。它是由于单位时间内通过p n 结的载流子数目随 机起伏而造成的。人们将这种现象比拟成靶场上大量射击时对靶中心的偏离，故称为散弹噪 声，散弹噪声本质上与电阻热噪声类似，属于频谱均匀的白噪声。当通过p n 结的静态电流 为，。时，其功率谱密度 墨( f ) = 2 q i e ( 2 3 ) 式中，4 为电子电荷量。 值得提出的是，在双极性晶体管中，通过发射结的非平衡载流子，大部分到达集电区， 形成集电极电流，而小部分在基区内复合，形成基极电流。这两部分电流的分配比例是随机 的，因而造成通过集电结的电流在静态值上起伏变化，产生噪声，通常称为分配噪声，分配 噪声实际上也是一种散弹噪声。 ( 2 ) 闪烁噪声 闪烁噪声又称为低频噪声或1 ，噪声，这种噪声的特点是频谱集中在低频段，且功率谱 密度随频率的降低而增大，一般认为这种噪声是由于半导体晶格结构的缺陷所造成的载流子 在晶体表面的产生和复合引起的。闪烁噪声也存在于电阻等耗能器件中。低频时，晶体管的 噪声主要由它决定。 闪烁噪声的数学表达式如下 巧= 丽k w l 琴 q 7 、 k 是和器件相关的经验参数，a f 为噪声带宽。 ( 3 ) 热噪声 双极性晶体管三个中性区的体电阻及相应的引线电阻都会产生热噪声，其中尤以6 - 的 影响最大，其余电阻热噪声可以忽略不计。 2 3 3 场效应管噪声 场效应管也有热噪声，最大的噪声源是在沟道中产生的。沟道中多子的不规则运动会在 场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声。当场效应管工作在饱和区时，其沟道热噪声 电流功率谱密度为： r 第二章前置放大器原理及特性分析 s ( f ) = 4 k t t g 。 ( 25 ) 对于长沟道器件，z2 3 ，对于短沟道器件，y z 2 3 。 除了沟道热噪声，沟道热噪声的扰动引起另一个很重要的现象：栅极热噪声。沟道电压 的扰动容性耦台到栅极，导致栅极电流噪声。这个噪声在低频处可以忽略，但是在高频处影 响很大。 场效应管的其它噪声源有栅极漏电流的载流子随机起伏造成的散弹噪声，由于场效应管 的栅极漏电流很小，所以由其引起的散弹噪声相对也较小。均方值电流为 坛2 = 2 9 v ( 2 6 ) 式中g 是每个载流子所载的电荷量，为栅极漏电流，a f 为噪声带宽。 2 3 4 前置放大器噪声分析 在前置放大器中，必然存在多个相互独立的噪声源，噪声的计算遵循均方叠加原理。根 据这个原理，先分别求出各个噪声源在前置放大器输出端产生的均方值电压( 或电流) ，而 后将各均方值电压( 或电流) 叠加，便得到前置放大器总输出均方值电压( 或电流) 。”3 在表示前置放大器噪声性能时，为了便于与输入电流信号进行比较，一般都将前置放大 器中的噪声折算到输入端，用等效输入噪声电流源表示。假设s 。( ，) 为前置放大器等效输 入电流噪声功率谱密度函数，那么在前置放大器输入端、功率谱密度函数为s 。( ，) 的电流 噪声源在输出端产生的噪声功率与前置放大器电路内部噪声在输出端产生的噪声功率相等。 等效输入电流噪声由下式给定： 乏= r 9 s 。( 厂) a f ( 2 7 ) 这里b 。表示理想带通滤波器情况下等效噪声的带宽。 s 。( ) 主要来自于前置放大器的第一级，后续电路的噪声影响可以忽略不计。 2 4 开环共栅共基放大级电路 在研究电流模形式跨阻放大器之前，我们需要对开环共栅共基放大级电路的各种特性 进行分析。 东南大学硕士学位论文 2 4 ，l 共栅放大级 低频特性 共栅放大级，如图2 2 所示，呈现低的输入阻抗。如果忽略二阶效应，其输入阻抗近似为 1 g 卅，其中为输入级晶体管的跨导。 厶。 图2 - 2 共栅级电路 考虑到体效应和沟道长度调制效应，并且假设1 8 是理想的电流源，画出共栅放大器的 小信号等效模型，如图23 所示。因为乇全部流入月d ，所以跨阻增益为 m = r d 。 ( 2 ，8 ) 得到 因此 k u 图2 3 共栅级的小信号模型 我们观察到通过的电流等于气+ k + g 。6 k 。饧上和r d 上的电压和为一k ，因此 ( 。+ g 。k + g 。6 v , ) r o + l r d = 一k 。 ( 2 9 ) 如2 = 丽r o + r d 通常情况下，( 岛+ g 。6 ) 1 ，r o = 。o ，得到 1 0 ( 2 1 0 ) 第二章前置放大器原理及特性分析 五。 r 。= 赢1 = 。g 。+ g m s ( 2 ) 最。 - ( b ) 图2 4( a ) 带电流源偏置的共栅放大级；( b ) 图( a ) 的等效电路；( c ) m 2 的噪声电流 效应；( d ) m 2 的噪声电流效应；( e ) r d 的噪声。 现在分析一个简单的共栅级的低频噪声特性。电路结构如图2 4 ( a ) 所示。和图2 - 2 不 同的是，电流源l 由m 2 代替。如图2 - 4 ( b ) 所示，加入噪声源，并忽略沟道长度调制和体 效应后，我们分别计算每个噪声源的贡献。( 1 ) 如图2 - 4 ( c ) 所示，t k 流经屹，产生输 出噪声赡如2 ；( 2 ) 如图2 4 ( d ) 所示，厶必然等于l ，因此岛l 并不流经r d ，不产生 噪声；( 3 ) 如图2 4 ( e ) 所示，由于从 如漏极看进去的阻抗为无穷大，因此譬全部流经r d 。 因此，每单位带宽输出噪声为 瑶。，= ( 焉，2 + e ) 霹 ( 2 1 2 ) 两边同除以跨阻增益，得到等效输入噪声电流： 屯= i ：m 2 + j j ， q1 3 ) 东南大学硕士学位论文 = 4 k t ( y g m + ) “d ( 2 1 4 ) 可以看出共栅放大级的等效输入噪声电流等于m 2 沟道热噪声电流加上r d 的热噪声电 流。因此，减小m 2 和r d 的噪声电流是减小整个电路噪声电流的关键。 高频特性 厶 图2 - 5 高频时的共栅放大级 接下来，分析共栅放大级的高频特性。如图2 - 5 所示， c 。= c 岛+ c 基1 + ( 0 ，+ c - 6 d ：+ ( 2 ，其中c d 表示光电二极管的电容。c o 。包括( 1 g d l 、 ( 1 以及后级电路的输入电容。为了简化计算，忽略沟道长度调制效应，观察到m 源极到 地的电阻等于( g ，。十g 。m ) ，得到 l ( 专”i 杀) = 比 ( 21 5 ) m 的漏极电流等于( g ，+ g m ) 比，输出电压 吃：= ( g 。1 + g m ) ( 】| ；一) ( 2 1 6 ) 1 l d s 利用式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) ，得到 生：! ! 弛! 鱼 ( 2 17 ) l( l + 岛6 1 + 巳j ) ( c o 。s + 1 ) 当s = 0 时，圪。乇= 。通常情况下，由于光电二极管电容很大，在0 1 p f 至0 5 p f 之 间，所以输入极点( g m + g m 。) 巴比输出极点( e 。) 。更接近原点。 共栅放大级中的噪声、带宽、电源电压存在着矛盾。为了使输入极点的幅值变大，必须 第二章前置放火器原理及特性分析 增加g 。+ g m 的值。这就必须通过增加m 的宽度或者增加偏置电流米实现。但是品体管 宽度的增加导致( k 】迅速增加，最终限制了带宽。如果偏置电流增加，那么s 。、月d 上的 电压降、p 矗2 也相应增加，因此需要较高的电源电压。如果为了增加偏置电流，而使r d 减 小，那么电路的嗓声电流将会增加，跨阻增益将会降低。如果想要得到较小的p k 2 ，而增 加m 2 的宽度，那么噪声电流和漏极电容将会增加。 图2 - 6 共栅级高频噪声模型 现在分析共栅放大级高频的噪声特性，如图2 - 6 。由于埘2 得噪声电流。m2 ，直接叠加 在输入信号上，我们先暂时不汁入它。忽略沟道长度调制效应，我们得到 ( 厶埘，+ 兽1 k + g 州k ) ( c 0 j ) = 一k ，即k = 一l 川1 ，( c s + g 。m + g ，1 ) 。同样，将l ，肋和 流过c 0 。，、得电流相加，经过变换得到 矿 一 二鱼鱼些坐! + 生：竺鱼( 2 1 8 ) 。“。“ ( c m s + g 。1 + g 。6 i ) ( c 。“s + 1 ) 。l 乙r s + 1 式( 2 1 8 ) 除以跨阻增益表达式( 2 1 7 ) ，得到 k 。一彘+ ( 羔+ 1 ) b 埘 式( 2 1 9 ) 揭示了共栅放大级的两个重要特性。首先，m 对噪声的贡献与g 和频率成正向 变化；其次，当l g s i 与岛。+ g ，机值接近时，r 。对噪声的贡献也随之增加。 为了分析总噪声电流，就必须计算输出端总噪声，并且除以中频增益。因此，要将下式 从f = 0 到厂= 。进行积分。 i i q a r 。c j ，f pi ：m i 址曲 c ：( 2 e r f ) 2 + ( 鲁】+ g ，6 ，) 2 ( c 三，( 2 万厂) 2 + 1 东南大学硕士学位论文 。r 2 12 ， 1 吒，( 2 石厂) 2 + 1 +； i 坠垫罂；! l 一。一。 ( 2 2 0 ) ( 2 7 r f ) 2 + ( g + g m b l ) 2 ( 月；c 。2 。( 2 e r f ) 2 + 1 其中最后一项代表m 2 的噪声电流和增益的乘积。 当输入极点为主极点时，c _ ( g 。+ g m m ) r d c o 对上式的积分，得到 磊。盟学业+ 丝虹警选。 ( 22 1 ) v d w 对于短沟道m o s 管而言， 1 ，可以假定g i n l r d 7 1 。等式两边同除以聪得到总等效输 入端噪声电流： 石“甓+ ! 坚丛逸2 兰 ( 2 2 2 ) c j 。 z 4 k t r ( 1 一吉) 。 ( 2 ，2 3 ) 此结果可以看作m 1 的噪声在o g p ，。4 带宽内的积分加上m 2 的噪声在，。1 2 带宽内的积 分。其中。，= ( 其。c o 。) 一，( - 0 。= ( g 。，+ g 。) 巳，并且决定了整个电路的带宽。这个 值通常由标准决定，一般不会改变。对于设计者来说，唯一能够控制的参数是g m 2 。在设计 中，要尽量减小g 。2 。 2 4 2 共基放大级 低频特性 五。 1 4 第二章前置放大器原理及特性分析 图2 7( a ) 带输出电阻的共基放大级；( b ) 图( a ) 的等效电路。 隆l2 7 ( a ) 是共基放大级电路图，图2 7 ( b ) 是其等效电路，其中 为三极管基极电阻，注 意到比= 一圪( 1 + r b 0 ) 。同时，( l + 0 ) r c = 屹加上r o 上的压降等于圪 因此得到跨阻增益： 堡：! ! 堑匕垒 r (224)c 。( 1 + g 。饧) 0 + r b + 十r o 由于( 1 + g 。r o ) r 。饧，所以( 1 + g ，饧) 名+ r c + r o ，得到 r r ( 2 2 5 ) 同样，当口值较大时，我们可以得到电路的输入阻抗 五。 吃= 孥= i 1 + 去 ( a ) r 。 瑶q l ( 2 2 6 ) = ( c ) 图2 - 8( a ) 带电流源偏置的共基放大级；( b ) 带噪声源的等效电路；( c ) 小信号等效电路。 现在开始分析共基放大级的噪声特性，如图2 8 ( a ) 所示。图2 8 ( b ) 是等效电路，包括 。i 一 ( 1 ) q 】集电极电流散弹噪声，鬈。】= 4 k t ( g “2 ) ；( 2 ) q l 基极电阻热噪声， 1 j 东南大学硕士学位论文 嘭m ，= = 4 巩l ；( 3 ) g 集电极电流散弹噪声和基极电阻热噪声 甓。2 = 4 k t ( g 。2 2 ) + ( 4 k t r h 2 2 ，2 ；( 4 ) 心热噪声，露，耳= 4 k t r c 。忽略厄尔利效应 并假设p 值很大，从图4 - 6 ( c ) 所示的等效电路可以推算得出 弦锄磁枷磁( 去) ( 2 2 7 ) 和共栅放大级类似，输出噪声主要来自9 2 和，而噪声电压的圪对此没有贡献。原因 是，不考虑厄尔利效应时，q 基极到输出端的电压增益为零。 式( 2 2 7 ) 两边同除以霹= ，得到每单位带宽等效输入电流噪声 高频特性 五。 五2 百4 k t + 4 灯o z g , 。2 ) 厶。 ( 2 2 8 ) 圪。t ( a )( b ) 图2 - 9 ( a ) 高频时的共基放大级；( b ) 图( a ) 的简化模型。 现在开始讨论高频时的共基放大级的特性。如图2 - 9 ( a ) 所示，电路包含以下电容：( i ) ，包括光电二极管电容，q 2 的集电极一基极电容和集电极一衬底电容以及c m ；( 2 ) 乞 包括g 的集电极一基极电容和集电极一衬底电容以及下一级的输入电容。为了简化计算， 忽略厄尔利效应和基极电阻，得到如图2 - 9 ( b ) 所示的等效电路。该结构近似于共栅级，当 1 时，其传输函数为： 监：坠整 。 ( 2 2 9 ) l ， g 。1 + ( c ，。+ c 州) s 】( r c c 珊，s + 1 ) 。 萋一 厂上一 第二章前置放大嚣原理及特性分析 共基和共栅极有类似的属性。为了获得高带宽，g 。l ( g 。+ c 。) 和( 心c 。) “必须最大化。 对于给定的c 。来说，较高的集电极偏置电流将带来较高的输入极点，但是这意味着r c 上 将有更大的压降。然后减小咚将减小增益，著且心贡献的噪声电流将增大。 g ：，瑶。 ( a )( b ) 图2 - 1 0( a ) 共基放大级中的噪声源；( b ) 基极电阻噪声的另一种表现形式。 为了计算噪声忽略c ：ie 虽然这样做，不能得到准确的结果，但是却帮助我们更加直 观的理解了共基级的某些特性。如图2 - 1 0 ( a ) 所示，噪声等效电路类似图2 - 6 ，不同的是加 入了珞。及其噪声电压。为了将噪声电压源咯，转化为q 1 的集电极和发射极之间连接的电流 源，于是将其乘以9 2 如果1 ，那么也可以忽略，于是从共栅放大级中分析得到 的结果可以直接应用到此电路。特别指出的是，图2 1 0 ( b ) 中的譬印及丘q l + 或1 咯1 分别 与图3 - 6 中的瑶m 及瑶。起着相同的作用。 现在利用式( 2 2 3 ) 估算共基级的输出噪声。由于1 。2 ，q 2 = 2 k t g 。2 + 4 丁2 ，因此，必 须将式( 2 2 3 ) 中的g m 2 ，替换为g 。2 + 2 ，i 2 e同样，由于 1 q 21 + g ：l 咯l = 2 k t g 。1 + 4 k t g ：l ，就要将式( 2 2 3 ) 中第一项分子中的，y 替换成 g 。，+ 盛1 巧l 2 。因此， 歹广：丝! ! 呈篓! 型生刍+ 旦 ”e 。( g ，+ g m ，如c 。)e 。 + ! 丝! ! 亟! 鱼2 整。( 2 3 0 ) 0 。+