（电路与系统专业论文）155mbps622mbps限幅放大器系统设计.pdf

硕士论文 1 5 5 m b p s ，6 2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 摘要 随着社会的发展，信息交换量与日俱增，信息高速公路大规模建设正在蓬勃兴起。光纤 通信由于其容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，成为信息高速公 路的主体。其中，双m l 格式的中低速率光接收电路在接入网等方面有着广泛的应用，此 速率级电路并不一定需要诸如台积电( t s m c ) 等境外昂贵的工艺。因此，利用境内成熟而 且相对便宜、容易获得支持的工艺，如华晶上华( c s m c ) ，开发具有自主知识产权、用于 光纤传输的集成电路对我国信息高速公路的建设具有重大意义。 在用于光纤传输系统的几个功能电路中，主放大器是光接收机前端放大电路的关键电路 之一。主放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器a g c ( a 1 l t o m a a cg a j nc o n 廿试) 和 限幅放大器l a ( n l i 血g 加坤h 丘e r ) 。由于限幅放大器具有设计简单、功耗低、芯片面积小 和外接元件少的优点，我们选择采用限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。本设计 采用c s m c0 5 衄1 和o 6 岬c m o s 工艺流片实现了适用于光纤传输系统s 1 m 一1 ( 1 5 5 m b p s ) 速率级的限幅放大器系统，在此基础上，验证了用c s m co 5 ”mc m o s 工艺实现s t m 一4 ( 6 2 2 m b p s ) 限幅放大器的可行性。其中，对于1 5 5 m b p s 速率的限幅放大器系统，都是采用 p c m l 格式输出缓冲，0 6 哪工艺流片中，放大单元采用差分放大器与源极跟随器级联，电 阻负载，5 v 供电；o 5 岫工艺流片中，放大单元采用差分放大器，电阻负载，可以适用于 3 3 v 供电；此外，在两次流片中，考虑到产品应用，放大器系统中都采用了信号检测电路， p t a = r 电流源等辅助功能电路，并对其设计进行了阐述。对于欲工作于3 3 v 工作电压的 6 2 2 m b p s 速率的限幅放大器系统的设计，放大单元采用负电容拓展带宽，c m o s 格式输出 缓冲。 本文按照电路设计分析讨论、版图设计、芯片测试的顺序详细介绍了上述电路的设计过 程及最终的测试结果。两次流片的电路都是封装后在p ( 、b 板上测试。出于产品化保密考虑， 只给出了c s m co 5 u mc m o s 流片的测试结果，并对测试结果进行了分析。 关键词：光纤通信限幅放大器同步数字序列c m o s 工艺 硕士论文 5 5 m b p s ，6 2 2 m b p s 哩塑堕奎矍墨堕堡盐 a b s t r a c t w i t hf h em p i dd c v e l o p 哪朗to f t e l 饥m m m i 酬0 nn e t i 破s ，c 印叩u t e rn 咖o r k sa n db t 锄e t ， t t i sw 即tt ob u i l di 丑f o m 玲b 佃卯p 盱坷g h w a yo p d c - f j b 盯c 0 舶脚n i c 撕o ns y s t e n 塔耵et h e 曲d p a lp 积o fj n i 研m 鲥o n 如p 面g h w a y 勋i 乜m e r i 伍s u c ha s 笋c a tc 印a c i 坝l o n g 仃a n s i l l i t d i s 啪c c ，e o m 面z i n g 鲫螂鲫州倪，枷抽耐细c e 柚d 碰m d i 撕o ne t c a m o n g0 p 6 c a l r 谢v ，m eo n e sw i 也r c l a t i v e1 0 wo rm i d d l e 嘲l j l 亡es 1 m l ，h a v ew i d ea p p l i c 撕o ni nf i e l d s l j l ea c c 嘲n 咖。出f 0 r 也鼬，也ee 】c p 锄i v e 胛懈蝤1 0 c a 血培b e y o n d 也e l l l a “柚d ，1 i k et s m c ， i sn o tn e c e s 鼢r yt h 堪，i ti sv e f yi n l p 0 姗tt oa p p l yt h em a t l i r c 龃dr c l a 6 v e l yi n e x p e n s i v e ，e 硒i l y 鲫p p o n e dp r o c e 龉，l i k ec s m cc m o sp r e 龉t od c s i 扣h i 曲s p e e di n t 铝砷t e dc i r 惬f o r 叩6 c a l t r a n s n l i s s i o ns y s t e 瞄w 弛i n d 印e n d 舶t 椰 a m o n g 血es 钾e m lb u i l d i n gb 1 0 c k so fo 硼c a lc o m m i l n i c a 石o ns y s 魄璐，t h em a j n 锄印l i f i c ri s 趾岫舳d t 蛐e 砌c h c a n b e 枷z e d j n 雠劬o f 卸劬t d g a i n c o n 的l ( a g c ) 锄p 蛐盯a l i 加i t i n g 舭l p l i 6 e r ( l a ) g 朗e r a l l y1 kl 蝴啪sc h o s j na 叶d 嚣i 乒细i 谯悒l t u r 嚣s u c h 舔 s 蛔叫et o p o l o g y f e wc x 钯c a lc o i n p o n t s 锄d 血s t ”s p o n s i b 丑i t y kt b _ i sd e s i g n ，m el j m i h n g 缸甲l 俯盯矗) rs d hs t m - l ( 1 5 5 m b p s ) w 笛d e s j 印e d 缸c s m co 6 p m 锄d0 5 岬c m o s t e c h n o l o 鼢r e s 萨c t i v e l y b a s e d0 n l i sw 咄n 艟触i b 丑时o f 印p l y i | 瞎c s m co 5 邺1c m o s 刚m o l o g y t o t h ed e s 嘲o f s l m 4 ( 6 2 2 m b p s ) 岫a 印h 妇i sd i s c i i s 斑 f o rm ch m i 血g 缸n p l i 6 e rw o r l ( i n ga t l 5 5 m i 秘，船p c 鹰a d 叩缸km e0 6 岫c m o s i c ，ac a s d eo fab 鸽i cd i 彘r 石a l 卸叩l 墒盯龃das o l 戤f o l l o w c ri su s e d 舔n l eb a s i c 蜘，u 丘c 撕o no 吼a n dm ed 姗i tw o r k s 珊d e r 蹦砌1 ej n 位o 5 岫c m o si c ，也cb a s i c d j 岱糯n t i a l 唧h f i 盯啊u s c d 粕d 廿1 ec i 陀u i tw o r i c su n d e r3 3 vb 嚣i d e s ，t o h i e v cl h ep r o d u c t 删锣i n2i c s ，如丑c 6 0 n a lb l o c k sl 龇p 1 娴僦螂f c e ，s i 弘ld 蝴嘶u s e d 缸也e l i i n i d n g 船】p h 丘e fs y s t e 札n e i rd 锱i 印i sd i s c l i s s e di n 廿l i st h 幽f 0 rn 地h l i l i 血g 锄p h 丘e rw h i c h i s h 印e d t o w o r k a t6 2 2 m b p s 瑚d e r3 3 v g 蜘v ec a p a c i t d r j s l l s e d i n i 毽b 豁i c 缸l p h f i c a t i c e n t oa c h i 亡v cb f o a d b a n 正 t kc o n t to ft h i sp a p 盯i sa n 彻g e dj nt h eo r d 盯o fc 栅nd e s i 印锄dd i s c s i o n ，l a y o u t d e s i g 姐d 吐砖t e s tr e 锄l lt h ec 如u 地o f 2 出p sa r c b a c l lp a c k a g 酣删t 嘲e d p c b f o r t t 圮 c o 凼d e r 撕o bo fs e 嘶o f p r o d u 乩n l et e s tr e 锄l 毽o f c s m co 5 “mc m o sl ci sp r 吖i d e d 埘t h 也e a n a l y s i so f t h em i l l t i i i 硕士论文 超高逮光接收机前端放大电路的设计 k e y 霄o r 出：0 p 石c a lc o 珊u i c 面姐l 砌研a 唧埔盯s d h c m o st k l m o l 嘧r 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：遮i ! ! 导师签名： 吧睁 ：3 期片 日一汝 第一章概述 1 1 光接收机功能描述 光纤通信是以光波作为载体、光纤作为传输介质的一种先进的通信方式。与电缆和微波 信道相比，光纤具有容量大、安全性好、抗干扰以及抗腐蚀等优点，从而成为骨干网乃至接 入网的主要传输媒介。信息通过光纤传播，在电子电路中获得处理。整个光纤通信收发系统 如图1 1 所示。 j 1 轩b o r 4 9 5m c c _ 0 9 v = 旬9 v 耽c - o 9 v ：4 i v 输出( v ) 1 一广 舅 图2 1 7 负电容的形成原理 1 8 硕士论文1 5 5 m b p s ，6 2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 由于增益一肯定大于1 ，则在图2 1 7 ( b ) 中，由c f 在输入端造成的m i l l 目电容必然是负值， 从而减小了总的输入电容值。在级联放大器中，可以减小级间互连电容，从而增大整个系统 带宽。这种采用负电容补偿的方案，也被称为“中和”( n 咖l i z 撕) 。 实现c f 有两种方法一采用工艺自带电容，如p 口和加m ；利用漏源互连的m o s 管 形成电容。后者由于m o s 管模型准确而应用很多。但是，m o s 电容只有在p 时才能 产生，所以在负电容的有效应用环境中( 差分放大器级联) ，前一级的输出工作点就是下一级 的输入工作点，这意味着为使m o s 电容正常工作，每级的输出工作点应该越来越高，或者 越来越低。当然，也可以考虑先正接m o s 电容，再反接m o s 电容，使工作点先抬高再降 低。但无论是上述哪一种方法，各级放大器应该都是不同的，与系统方案不符。考虑到所需 电容面积不大，在o 5 u mc m o s 工艺中，采用p p 电容应是可行方案。放大单元如图2 1 7 所示。 需要指出，图2 1 7 所示意的放大单元并不含源极跟随器。事实上，当每级放大器采用 源极跟随器时，主极点往往是在输出极点，而不是输入极点。在本文所提到的优化方法( 1 ) 增大电阻，同时减小输入管尺寸情况下，差分放大器的输出点r c 大于输入点，即差分放大 器电阻负载与输出点的负载电容( 源极跟随器输入电容，差分放大器源衬电容，c d 的m m e r 等效电容) 之积，大于差分放大器输入点电容与源极跟随器输出电容和电阻乘积。既然主极 点不在差分放大器输入端，加电容后( 无论是m o s 电容还是真实电容) ，对带宽的扩大都无 效果。相反，在输入节点加上了电容，反而进一步减小了带宽。 所以当采用差分放大器直接级联时，主极点就是输入极点，此时加负电容补偿可以有效 的扩大带宽。与有源电感一样，负电容补偿方案同样存在过补偿问题。当电容过大时，零点 移动到了主极点之前，造成输出增益幅频增益曲线出现突起。如图2 1 8 所示，差分对 输入管的c 0 为l o 3 5 8 2 母时， 分别取补偿电容为o ，o 2 5 c 0 ， o 5 c 擘d 到1 7 5 c 罾d ，2 0 行， 2 5 印，3 0 币做a c 分析。当补偿电容大于2 0 伍后，输出曲线出现上突现象，减小了实际有 效的平带带宽。所以应当控制补偿电容的大小。 1 9 硕士论文第二章主信号通路的分析与设计 采用真实电容( 0 5 m 中由p o l y l 和p o l y 2 层构造) ，在实际工程中是可行的3 0 伍的电 容面积约为6 4 嵌6 4 吼。但需要考虑电容随工艺角的变化，以及该变化对电路性能的影响。 2 3 5 有源电感 “ 有源电感是常用的频带拓宽方案。由于片上电感所占面积巨大且难于获得准确的模型， m o s 管与电阻形成电感替代它，可以节省芯片面积。介绍它的论文较多，但是其稳定性， 实用性等并没有得到任何验证。有源电感拓展带宽的原理，又称为并联峰化( s h u 呲p k i n g ) 【4 】。 r 。二z ：_ ”；j 。f ： 4 “= i 。 一。一= 。一”? c 。 一一- 一 一一一一一- 一o 一 图2 1 9 有源电感示意图与高频等效电路 电1 双l 。祷：s c g ，g s + g ，g s = 一i x 由k v l ，得：s 也+ 2 叱 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 硕士论文 1 5 5 m b p 啪2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 有源电感部分的等效阻抗为： 瓦= = 菩罂= 型坚轰挚 w t = g 。 c s 。，w 1 + ( w 崎) 2 = r 晤+ s l 西 生一1 _ 当w “w ，时，k = 彘箫噜一去 = 1 + ( w w ，) 2s 吉+ b ( 笥。l w r 从而得化简后差分放大单元的半边等效电路模型( 图2 2 0 ) ： ， _ ”“ 一。一一 ，w。 己c 行 露e 行 o 一 一- k n l ：“： 图2 2 0 有源电感示意图与高频等效电路 邵，= 训i i 去= 蒜燃 可以看到，该r i c 网络阻抗表达式包含了2 个极点( 可能是复数) 和一个零点。 陬帏酬咆居磊 ( 2 2 6 ) ( 2 3 0 ) 上述传输表达式与普通r c 网络的传输函数相比，分子( n m 删中第一项随频率增大而 增大，分母中的( 1 一o c l r 当频率小于l c 谐振频率时，也使阻抗绝对值随频率增大而 2 1 蒜 s + 硕士论文第二章主信号通路的分析与设计 增大。引入参数m 来定义时间常数的比值：聊= 簏 胝阻抗函皴为，掣= 从而得：兰： w ( 2 3 1 ) ( 2 _ 3 2 ) 粥是原r c 网络的3 d b 带宽，而是新的i 江c 网络的3 d b 带宽。 几种优化所得m 参数及说明【1 ，4 】： ( 1 ) 获取最大带宽：聊= 2 ；1 4 1 4 将带宽增大1 8 5 倍，但幅频响应有2 0 的尖峰 ( 2 ) 减小尖峰使得在原未优化带宽频率处( 此处为l 2 月霞c ) ，阻抗绝对值为r ： 朋= 2 ，此时，带宽为w = m 1 l + 5z 1 8 m ，造成约3 的尖峰。 ( 3 ) 在无峰值突起时获得最大带宽建立一个幅频响应的式子，最大化在d c 状态下值为 。的导数的数目。埘= 1 + 2 = 2 4 1 4 ，带宽增大1 7 2 倍，无尖峰突起。( 图2 2 l ( a ) ) ( 4 ) 考虑到时域响应，仅仅应当象通常那样，在尽可能大的带宽内放大信号的各个组成频 域成分，而且必须尽可能保持其各个傅立叶分量之间的相位关系。如果频域分量的延 时不一致( 用绝对时间而不是角度计算延时) ，可能会造成波形的严重失真。这样的相 位失真会在数字通信系统中造成误码，影响了模拟器件的可靠性。如果所有的频率分 量延时相同，则相位偏移将随频率增大而线性增大。距离该理想线性相位偏移差距越 小，则相位失真越小。设置参数( w ) = 一害，通过最大化乃( w ) 在直流状态时 ( 乎硎 l z ) ，值为。的导数数目，可获得最小相位失真。所得解是方程矿一3 肌2 1 = o 魄枷+ 降卜阐班懒。嗍 硕士论文 1 5 5 m b p 舶2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 ， 蒜 ： f f 刁r 十一 删 等卜= p 1 育十 图2 2 l 有源电感扩大带宽的波特示意图( a ) 并联峰化的根轨迹示意图( b ) 并联峰化扩大带宽的更直观的解释是：随着频率的增大，当幅频特性曲线由于输出极点的存 在而要下降的时候，输出阻抗表现出电感特性，从而弥补了增益的下降。从零极点解释可见 于图2 2 1 ( b ) 中的根轨迹示意图。如电感值为o ，则只有一个实数极点；电感值较小时， 则在高频处出现一对零极点对。当q = o 6 3 时，可获得最大的平带增益响应。此外，零点进 一步增大了带宽。当值更大时，补偿过渡，幅频特性会在拐点出现一个突起，造成平带频 率范围的减小。 需要特别指出的是，如果采用m o s 管与电阻构成有源电感( 如图2 1 9 所示) ，则该有 源电感负载上会消耗大量的电压裕度，从而不再适用于低电压设计。在文献中有采用“折叠 式有源电感( f o l d e da 商v ej n d u c t ) ”实现低电压设计的【l q ，但是引入了新的电流尾管，设 计进一步复杂化不适用于产品设计的稳定性要求。 2 4m o s 工艺的噪声特性 由于不同速率的应用，需要采用不同的工艺，因此在讨论晶体管的噪声特性时，我们有 必要对不同类型晶体管的噪声特性进行分析。这里我们针对设计选用的c m o s 工艺中的场 效应管进行介绍。 噪声分为热噪声，散弹噪声和闪烁噪声3 种类型。 一、热噪声 1 电阻热噪声 电阻中的噪声是由电子作杂乱无章的热骚动而造成的，故称为电阻热噪声。电阻熟噪声 可以用电流噪声源或电压噪声源来表示，如图2 8 所示。 硕士论文 第二章主信号通路的分析与设计 图2 2 2 电阻熟噪声的等效模型 一个阻值为r 的电阻，产生的噪声电流，其功率谱密度为： s ( 门= 4 _ j r r = 4 女丁 g( 2 3 3 ) 如果等效为噪声电压，其功率谱密度为： 品( 门= 4 七豫( 2 3 4 ) 式中，_ j 为玻尔兹曼常数，r 为热力学温度。 从式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可以看出，电阻热噪声的功率谱密度与频率无关，为常数，如同白光 的频谱，因此称之为“白噪声”。 2 场效应管的熟噪声 ( - ) 漏极热噪声( 沟遒热噪声) 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动工作的，因此，沟道中多子的不规则热运动会 在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声，沟道热噪声是场效应管的主要噪声源。 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： 昌( 力= 4 耵y ( 2 3 5 ) 对于长沟道器件，z 2 3 ，对于短沟道器件，y 。2 3 。 ( b ) 栅极热噪声 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 的扰动容性耦合到栅极，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。 二、散弹噪声 散弹噪声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。 对于双极性晶体管，散弹噪声是其主要噪声源。对于场效应管，散弹噪声是由栅极漏电 硕士论文1 5 5 m b p 啪2 2 m b p s 限幅放大嚣系统设计 流的载流子随机起伏造成的，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。 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。 三、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。 限幅放大器由于工作于非线性状态，噪声对于它的影响不如对跨阻放大器的影响大。同 时，在测试中，噪声难于测试。目前还是从示波器眼图的清晰度和毛刺情况反应噪声情况。 硕士论文第三章辅助电路的分析与设计 第三章辅助电路的分析与设计 3 1 辅助电路概述 单独的一个限幅放大器还不是一个完整的产业化系统，需要增加一些辅助电路。辅助电 路的作用，就是保证电路在各个情况下稳定工作，同时提供些附加功能，比如信号检测。 设计中用到的辅助电路包括p 1 电流源、迟滞比较器、信号检测单元和带隙基准参考 电路( b d g a p ) 等。 3 2 电路模块设计 3 2 1p t a t 电流源 p 1 ( p r o p 吲j 彻a lt oa b l u t et e 删) e m l ) 代表其输出电流与绝对温度成正比，是本 设计中一个非常重要的电路模块。p 1 翘在完善电路性能，使得电路稳定工作方面有很大意 义。最大的作用在于，弥补近似负温度系数的晶体管跨导g m ，从而弥补放大器在较高温度 工作时增益的下降。在c m o s 工艺制程中，实现正温度系数电流通常要利用寄生三极管。 本设计采用的是利用工作于亚阈区的m o s 实现p 烈r 电流特性。 图3 1 所示为p 1 舡1 电流源的电路图。 v d d 图3 1 正温系数( p 1 ：a t ) 电流源 如图所示，m s o m s 3 这四个晶体管构成了启动电路，m l - m 6 六个晶体管子构成了电流 基准的主体部分，m 7 和m 9 是对外镜象部分。m 1 m 4 形成的共源共栅电流镜结构增大了输 出电阻，从而抑制了沟道长度调制效应对输出电流的影响。其中，m 3 m 6 形成了一个典型 硕士论文1 5 5 m b p s 6 2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 y 淼2 = y 高+ 厶l b ( 3 1 ) m 1 和m 2 管工作于亚阈区，因此，对于m l ： 毛= 从g ( 毗) 2 厶。舅( 彦一e 挚 - 届咖等( e 争一彦 ：， 毛铂“删m 厶p 嘶r 叫吁j 硝矿_ r 叫吩j 。2 ) 若v 出l v 3 2 式化简为： 监逝r鳖、堕血 = 以乞( 吲三) 2 山。p 嘶g 吩l1 一p 叶i 。届p 嘶p 砰 ( 3 3 ) 同样，对于m 2 管，有： 厶2 = 屈厶护”吩( 3 4 ) 由于j a u t 爿d 3 = ，d l ，k f 爿凶爿，所以有： = 讪( 筹 ， 铲安h ( 筹) ， 由于，巧= 女丁g ，是正温系数，从而电阻上的压降也是正温度系数。但由于电阻本身具 有温度特性，所以电阻上通过的电流，即镜象基准电流近似正温度系数。 对于这类含有自偏置环路的电路，由于“简并”偏置点的存在，有可能造成“启动零状态” 问题。图3 1 所示的p 1 衄电流基准电路，由于“简并”偏置点的存在，使得电路中存在2 个 或2 个以上的稳态解，虽常见的是“零初态 _ 一当电源上电时，m l 埘9 均传输零电流。且 由于这也是电路的稳定状态之一，基准环路可以无限期保持关断；这种情况也可从( 3 2 ) 式中分析到l 。= f = o 同样可以满足( 2 ) 式为解决电路的启动问题，需要增加启动 电路( 在图3 1 中由m s o - m s 3 构成) 。该类电路能在电源上电时驱使电路从“零初态”过渡到 正常工作状态，并在电路正常工作后关断。 当电路处于“零初态”时，偏置环中所有电流都为零，m s 2 断开，且由于m s o 和m s l 的栅压偏置于地，使得m s o 和m s l 在任何初始状态下都工作于深线性区。 k 0 - 面孤呃双丢五币厕 p 7 2 面孤币痢搴硼 。固 2 7 硕士论文第三章辅助电路的分析与设计 如= o + 。 ( 3 9 ) m s o 和m s l 采用小的阡纪( 这里为o 8 u m ，2 0 哪) ，使得它们起到一个总是导通的高阻 抗负载作用，拉高m s 3 的栅极电位。导通m s 3 管向偏置环路中注入电流，从而启动电路。 旦电路启动，m s 2 导通起作用，增大来自m s o 和m s l 的电流，拉低m s 3 的栅极电位， 使它截止，不再影响核心环路。 启动电路还有很多的形式，例如，m s o 和m s l 用一个真正的电阻来实现。在各类参考 书中也有对启动电路的阐述p 捌。 启动电路的有效性是一个有意思的问题，唯一的验证方法是瞬态仿真，通常使电源电 压v d d 以非常慢的速率从o 状态上升直至正常工作。较慢的启动是比较糟的情况- 如果 启动过快，一些电路会由于容性耦合而“突变”，跳”到启动状态，而这样的启动是不可信 的伪“启动”。事实上。一些大的电源需要几乎1 秒的时间启动。可以发现，在v d d 的上电 速率为数十m v ，i m 时，不启动现象更明显。 图3 2 中，将v d d 以3 3 v 陀o o m s 的速率( 相当于1 7 5 m w m s 的速率上升) 加电，所 示曲线为m 5 、m 6 和m 9 管的电流。可以看到，未加启动电路( a ) 时，各管电流经过一小 段时间的抖动后，最终回复零状态；而加上启动电路后( b ) ，各电流最终转移到正常工作状 态( u a 级电流) 。 注：针对启动电路有效性的仿真，设计工艺以及仿真工具的算法。目前没有找到理论 解释，工业界的经验通常是：采用梯形算法与g e 算法仿真，在不同的v 】d d 上电速率以及 p 、厂r 情况下仿真。如果所有的情况下，电路都能启动，那么实际电路也能启动。 图3 2 ( a ) m 5 、m 6 和m 9 各管电流随上电时间的变化( 无启动电路) 硕士论文 1 5 5 m b p s ，6 2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 图3 2 ( b ) m 5 、m 6 和m 9 各管电流随上电时间的变化( 含启动电路) 3 2 2 迟滞比较器 迟滞比较器是比较器的一个重要分支，主要应用于抗噪处理。迟滞是一种输入输出特性， 代表输入阈值是输入电平的函数。当输入大于阈值时，输出跳变，同时阈值减小；所以，若 要再次改变输出状态，则输入值必须降低到小于原阈值。该输入输出特性可以更清晰地显示 如图3 3 。本文所用的为右方顺时针双稳态迟滞四。 v o u l v m 、“一 1 + 砷t 口+ ， 迟滞目口宽度 v v 口 l +， 、，珊 一。“。 _ - 一 ”w 弋 h 一 迟滞瘟口宽度v m 一 图3 3 迟滞比较器的输入输出特性 迟滞比较器主要由两种构成方式：一种是采用运算放大器外接电阻构成，称为外反馈比 较器；另一种利用电路内部反馈构成，称为内反馈比较器，即是本文采用的方案，如图3 4 所示。电路包含两条反馈回路：一条是m l 和m 2 的共源点形成的电流串联负反馈回路；另 一条是m 6 和m 7 的栅漏极连接形成的电压并联正反馈回路。反尼 1 时，整个电路呈现正反馈，出现迟滞其中 层= 以巳( 现舭撤蹴一眦儿即器巩 迟滞比较器的主要指标为中心电平偏移电压p & 、迟滞窗口宽度h 、延时、噪声和增 硕士论文第三章辅助电路的分析与设计 益等。其中，和直接反映了迟滞比较器的精确度，受到工艺偏差，器件失配( m i 澈i a m c h ) 和环境温度等外部条件的影响。现今，由于其低成本、高集成度和易于获得等优势而被广泛 采用的c m 0 s 工艺与双极型等工艺相比，在失配方面具有先天的不足【“。失配分析，是保 证电路准确性和生产良率的重要环节，是一项非常有意义的工作。 图3 4 内反馈迟滞比较器的结构示意图 设迟滞窗口的正向跳变点为矿+ ，负向跳变点为矿，并定义如下参数：” 胙墼m 6 与m 3 的宽长比之比 ( 形三) 3 拓f ! ! 盟2m 7 与m 4 的宽长比之比 ( 矿工) ：( 里! 望2 二! 堡! 墨! ! ：垒( 里! 望：丝丘垒! ! ! 墨! ：堡 盈：堂 ( 形三) 。( 矽)以乞( 矿三)属届 2 管对l 管的失配系数 ( 令( 矽三) 。= ( 矿) ) 考虑到m 3 m 6 与m 4 m 7 对管间的失配，日与 的值并不相等。 = 日+ 幽( 幽在后文中等同于砌) ( 下文中代表通过m i 管的漏极电流，代表m i 管的栅源电压) 由正负向跳变点的值，可以计算出迟滞窗口宽度p 赫： = 嚅一 ：蚓( 击 心) ( 以) + 锚 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 硕士论文 1 5 5 m b p 啪2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 而p 矗的计算则如式( 9 ) 所列 = 鼍堡 = 划圳( 以，措锚 5 ) 为简化与的表达式，引入如下化简参数与表达式： c = 吨广 舷咖舳荔杀鸯缸删 最终化简表达式如( 1 2 ) 和( 1 3 ) 两式所列： 瑙高+ c ( ( 一劣盎心厂叫 ( 1 2 ) 式前项为设定的值一鳅，后项为失配造成的偏差。 球兰 高州c 叫 ( 3 1 6 ) ( 3 17 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 电压p 矗和迟滞窗口宽度这两个值对器件失配和器件尺寸工作电流设置的依赖关系。下 面进一步分析后两者对器件失配的影响：欲减小m 2 与m l 的失配系数t 对的影响，应 剿、c 高对倦孙c - 高；求胃 偏导： 丢 c 高 ：e 诫畚 。 ： 球高 = c 荔畚 。 。z ， 欲减小m 3 一m 6 与m 4 一m 7 对管闻的失配参数 对与。的影响，需减小c ，) 的 值。，( 日1 对日求导得： 硕士论文第三章辅助电路的分析与设计 丢他，：寻垫娑黎掣 一_ 一 图4 1 2 ( b ) ( f f y 舶3 6 v 瓜e s f a s d ( 五p l i 仁2 m v ，r t h = o q ) 硕士论文第四章限幅放大器系统设计 、， 1 0 呱 、7、， n 1 二 v l1 l ， i l t ! 五ll ，鼍，l ，鼍，1 广r 飞 4 鼍 一少 f 瞌 “ n 1 二 1 嘶 。 鼍 j 一- f，-。 n 2 = 凶赢 ：r i出赢“0 n宜【扣“剑6 n 1 8 n 图4 1 2 ( c ) ( s s 1 2 5 3 v m 正s s l o w ) ( k p u # = 2 m v ，r t h = o q ) k 纩 l 、罗麓厂嗡i n 1 二 、一鼍， 、 甏谚 嘶 謦鹾鬻 止 一笊 慝撬 砸r r = 梦飞z 巍 ： 乱1 ： 雳! 谚酞 鎏 ： 一 一懋 * 1 嘶 表4 1仿真结果总结 正常与最差情况工艺角 1 - r 佗5 3 ，3 vf f 瑚s s 1 2 5 仿真条件 s 呻 ，3 6 v3 v 2 7 7 5 ( s l o w )3 0 9 ( s l o w ) 除去输出缓冲电 3 3 3 2 7 i d d ( m a ) 3 6 8 6 ( 缸t )4 9 0 6 ( f a s t ) 流 8 2 7 ( s l o w )6 4 2 ( s l d w ) 7 3 7r 鼬牡时q 增益( d b ) ( 输出缓冲端) 8 0 7 ( 缸t )5 9 6 ( f a s o 9 4 4 s l o w ) 1 3 51 3 8r s e t 啪 3 d b 带宽( h m z ) 1 3 5 ( f a 蛳 1 5 6 2 5 m b p s 伪随 1 1 3 2 机码序列，双端差差分p c m l 输出峰峰值 8 3 4 6 5 l ( s l o w ) ( s i o w )分输入峰峰值 ( 血v ) 2 m v 硕士论文 1 5 5 m b p 拍2 2 m b p s 限幅放大嚣系统设计 图4 1 3 ( b ) ( f f ，- 4 0 ，3 6 、逻s e s t ) 0 1 p u 仁4 m v ，r t h = 1 5 0 q ) 图4 1 3 ( c )( s s 1 2 5 3 、通s s l o w ) ( h p u v ，r n _ 1 5 0 q ) 为了寻找并验证仿真中p w d 的原因，采用如下方法： ( 1 ) 增大输入信号幅度，没有出现交叉点随输入信号增大而偏移的现象。 ( 2 ) 尝试降低输出工作点即降低工作电压，可以降低范围很有限，但从一定程度上缓解 了这个问题，但从图上看并不明显；将输出缓冲的负载电阻增大，从而降低工作点 电压，改善的效果非常明显，可以发现，当输出缓冲的负载电阻从原来的1 0 0 忸变 为2 5 0 0 时，眼图的对称性最好( 图4 1 4 ) 此处只为测试对称性，采用简单的 l o l o 序列，此时输出工作点为1 7 8 v 。当然，这两种方式都改变了输出振幅。 b 2 ， f7 f u i f l 0 _ n 1 旬 x ( ， 鼢曲赢高 j m j 五商4 n画翮萄瓤 图4 1 4 ( 1 。i - ，2 5 3 3 v 瓜e s t y p i c a u ( h l p i 作：2 m v ，r t h 卸蛇，砒o a d = 2 5 0 固 4 5 硕士论文 第四章限幅放大器系统设计 再进一步仿真发现，固定输出缓冲的输入工作点，则输出工作点越高，眼图的不对称 性越明显。从而，可以得出结论：由于输出工作点偏高，导致在瞬态信号上升充电过程中， 触及电源电压而“钳位”，也称为c h p 现象。但综合考虑阻抗匹配和放大器优化等问题，这里 的工作点没有做出改动。 4 3 3o 5 肛mc m o s 工艺6 2 2 m b p s 限幅放大器系统 本方向为预研性质，期望采用c s m c 的o 5 u mc m o s 工艺实现可以在3 3 v 电压下工作 的6 2 2 m b p s 限幅放大器。尝试各类输出缓冲的可行性。用a s 实现p e c l 缓冲较为复杂 而弃用。经过仿真，可以发现，对于低供电电压3 3 v 应用，不加源极跟随器在级联放大器 和p c m l 格式的输出缓冲之间时，输出缓冲的巨大的差分管导致前级放大器r c 负载过大， 带宽大大减小，最终导致输出眼图变形( 图4 1 5 ) 。这样变形的眼图表现为输入信号向上充 电不到顶，向下放电不到底。尝试加大工作电压，或者在输出端输入固定电流加大摆率，没 有明显效果。因此，实质的问题在于带宽过小。 鲤魁d璺蛰堡盎然 图4 1 5 交形的眼图f r t ，2 5 ，3 3 v 瓜e s t y p i c a l ) ( 脚雠= 2 i 、，) 图4 1 6 改善的眼图u 1 y 2 5 ，3 3 、，r e s n p i c a l ) ( b 衅疵、，) 为证明以上结论，在级联放大器和输入缓冲之间加入一个源极跟随器。当然，为保证其 硕士论文1 5 5 m b p 啪2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 正常工作，需要将工作电压改为5 v 。眼图得到改善( 图4 1 6 ) 所以，想要用o 5 p mc m o s 工艺完成3 3 v ，6 2 2 m b p s 限幅放大器系统的设计，最大 的挑战来自于工作电压、功耗和增益带宽积之间的折中。 图4 1 7 输出缓冲倍频器结构 经过仿真发现，负电容等宽带措施都无法有效的提高整个主信号通道部分的带宽，眼 图没有大的改善。对于c m l 输出缓冲而言，在减小对前级负载的作用上，采用输出缓冲隔 离比采用负电容或输出缓冲倍频电路方案( 图4 1 7 ) 更有效；后两者不能发挥作用的效果， 估计原因在于输出缓冲为大信号器件，弥补小信号带宽，对于大摆率信号作用不大；而采用 源极跟随器，大大减小了电压裕度，不适用于低电压应用。因此，对于此类工艺的低电压应 用，不宜采用c m l 缓冲。可以证明如下一种方案可行：采用各级差分放大器直接级联，每 级放大器采用负电容拓展带宽；不采用源极跟随器，双转单电路与反相器级联( 图4 1 8 ( a ) ( b ) ) ，构成c m o s 输出缓冲( 图4 1 9 ) ，可以满足低的电压应用。其中，最终输出缓冲部 分采用级联反相器构成，反相器的尺寸逐级放大，驱动能力逐级增强，最终将信号驱动至满 振幅。 c m o s 输出缓冲的晟大问题，在于其工作点，需要反复优化以在各个p 、呵情况下获得 对称的眼图。其p w d 问题，相对于c m l 格式的输出缓冲更为严重，因为反相器的工作点 受p v t 的影响更为严重，且为单输入单输出电路，无法抵消共模变化。事实上，双转单输 出电路的引入即是为了弥补这问题。 但是，采用图4 1 9 所示意的输出结构，信号的眼图不能够在各个p v t 情况下满足要求。 器件尺寸的优化也无法解决这个问题。图4 2 1 所示为在极端p 、玎情况( b ) ( c ) 和正常工作 条件( a ) 下，单端输出的眼图。此时，输入信号的双端信号峰峰值为l o m v ，用于形成负 电容的c t e s t 为l o 球。 硕士论文 第四章限幅放大器系统设计 叫 p h ， 图4 1 8 ( a ) 双转单输出电路，( b ) 反相器 图4 1 9c m o s 输出缓冲结构示意图 f l ， 、， 1 3 = i l 25 = ”1 f 2 = fy l f ： 1 ，5 = li l 1 l jl n 争 f f r 一： u 函画。赢赢出 图4 2 0 ( a ) 单端输出眼图删2 5 3 3 也s r 冲i c a l ) ( h 平u 卢1 响v ，c t e s 仁l o 在 硕士论文 1 5 5 m b p “6 2 2 m b p s 限幅放大器系统设计 a 蠹 ， f ， i 1 2 莹 2 1 亍 1 ： l 卜j、 n 争 r一 【 r 锄 函。玉由幽 图4 2 0 ( b ) 单端输出眼图( 砰，枷3 6 、，i 也s f a s t ) ( 玷p u 仁l o m vc 储仁l 旧 。一辫 黼 j ! j w 矾i 7 2 子 ) f 2 = 揪 ，。藤臀1j f 矾燎1 产黼 产 1 ，亍 磊掰删w “ 1 。 “了怂u煅氍77 r 题弧17 2 凶萄n玉幽幽 图4 2 0 ( c )单端输出眼图( s s 1 2 5 ，3 v 佃匝s s l o w ) ( b l p u # l o m 、c t e s 仁1 图4 2 l 单端输出眼图是在增大补偿电容c t e s t 至4 0 正时获得的。抖动( j i t 嘧) 变得严 重，电容影响了眼图的质量。图4 2 0 ( c ) 中，在极端的条件下，眼图发生了严重的畸变。 可以初步得出结论：0 5 归1c m o s 工艺并不合适用于做6 2 2 m b p s 的限幅放大器系统，因为 无法满足在所有p 、丌情况下的工作要求。 3 _ fi 厂 鼍厂 i fl7 一1 1 2 f f 1 ，5 -_ b 5 _ j l jljlj y 一 一 凶 函n由 赢曲 图4 2 1 单端输出眼图f 兀坦5 ，3 3 v 瓜e s t y p i c a l ) ( 砷i 埔= l0 i i l v ct e 归4 0 f f ) 4 9 第五章亚微米集成电路设计与版图 第五章亚微米集成电路设计与版图 5 1 高速模拟i c 电路设计与版图 光接收机前端放大电路的设计属于典型的高速模拟i c 设计，在设计过程中要综合考虑 各种因素之间的折中，如图5 1 所示可见，除增益和带宽外、功耗、电源电压、线性度、 噪声、输入偷出阻抗和最大输出电压摆幅都是非常重要的设计指标，这些指标相互制约。 因此对高速模拟i c 的电路设计实质上是一个多维优化的过程。 n o i s e l 岫r i t y s p e e d i s w i n g 图5 1 模拟i c 设计八边形 版图皿a y t ) 是集成电路设计者将设计并优化后的电路转