（电路与系统专业论文）035um+sige+bicmos+10gbs差分前端放大电路设计.pdf

摘要 通信技术的发展，信息吞吐量的飞速增加大大推进了光纤通信的发展。光接收机前端放大电路 作为光接收机的关键模块，其性能在很大程度上决定了光接收机的性能以及整个光纤传输系统的性 能。 本次课题采用j a z z0 3 5 u r ns i g eb i c m o si 艺设计应用于1 0 g b s 速率级光接收机前端放大电 路。s i g eb i c m o s 的工艺特性较好兼顾了电路性能、成本以及集成度方面的要求。后仿真结果显示， 整体电路小信号带宽为8 8 g h z ，增益为1 0 1 5 d b 。能够稳定输出峰峰值 4 5 0m v 的电压信号，较好 的满足了系统要求 前端放大电路包含了前置放大器与主放大器两大部分，在本次设计中均采用差分电路形式。前 置放大器采用共基级和跨阻放大器级联的形式：共基输入级抑制了光检测器寄生电容对带宽的影响； 跨阻放大器则同时兼顾了增益与带宽的要求。前置放大器仿真所得带宽为8 g g h z ，小信号增益为 6 0 9 d b 。 主放大器采用限幅放大器形式，包括了2 级c h e r t y h o o p e r 宽带放大单元和作为输出缓冲的2 级差分放大器。c h e r r y h o o p e r 宽带放大单元大幅提高了放大单元的增益带宽积t2 级输出缓冲有效 改善了最终输出波形。限幅放大器增益4 1 9 4 d b ，带宽1 0 3 i g h z ，当输入一定动态范围内的电流信 号时，均能得到较为良好的眼图输出。 单片集成的前端放大电路中接口电路以及偏置电路的设计同样影响了电路性能甚至是功能的实 现。本义给出了这两者的设计要素以及电路原理。 芯片成本尺寸以及功耗的降低是当前必然的趋势。这给版图设计带来了挑战。版图设计的好 坏直接影响了芯片性能，本文给出了前端放大电路的版图布局以及设计要素。 论文由7 章组成，包括了光纤系统的简要介绍，前端放大电路中各个电路模块的分析与设计， 系统版图设计要素，仿真结果及其分析和芯片测试的相关内容。 【关键词】0 3 5 u r ns i g eb i c m o s 工艺：跨阻放大器；限幅放大器；共基输入级；c h e r r y h o o p e r 宽带放大单元 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fo p t i c - f i b e r c o m m u n i c a t i o n i nt h eb u i l d i n gb l o c k so fa no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m , t h ef r a n t c n da m p l i f i e ri st h e c r i t i c a lp a 凡i t sp e r f o r m a n c eh a sg r e a te f f e c to nt h ep 响m 锄o fmo p t i c a lr e c e i v e r , i n d e e dt h ew h o l e t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h eo b j e c to ft h i sp r o j e c ti st od e s i g na1 0 g b sf r o n t - e n da m p l i f i e rf o ro p t i c a lr e c e i v e ru s i n g0 3 5 u r n s i g eb i c m o st e c h n o l o g y t h ef r o n t - e n da m p l i f i e rm e e t st h ed e m a n do fc i r c u i tp e r f o r m a n c e ，p r i c ea n d i n t e g r i t yw e l l i ta c h i e v e s8 8 g h zb a n d w i d t h , 1 0 2 2 d bg a i nw i t hc o o s t a r l to u t p u ts w i n g 4 s 0m v f r o n t - e n da m p l i f i e rc o l l t a i l l s p r e a m p l i f i e ra n dm a i na m p l i f i e r , a n db o t h a r er e a l i z e dw i t hf u l l y d i f f e r e n t i a la r c h i t e c t u r e t h ep r e a m p l i f i e rc o n t a i n st w os t a g e s ：c o m m o nb a s es t a g ea n dt r a n s i m p e d a n c e a m p l i f i e r c o m m o nb a s ei n p u t s t a g es u p p r e s s e st h ei n f l u e n c e o fp h o t od e t e c t o r sc a p a c i t a n c e t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ep r e a m p l i f i e ra c h i e v e s8 9g h zb a n d w i d t ha n d6 0 4d bg a i n l i m i t i n ga m p l i f i e ri su t i l i z e da st h em a i na m p l i f i e r i tc o n t a i n s2c h e r r y - h o o p a rw i d e b a n da m p l i f i e r s a n do u t p u tb u f f e r t h ec h e r r y - h o o p a ra m p l i f i e rh a sal a r g ep r o d u c to fg a i na n db a n d w i d t h t h eo u t p u t b u f f e rc o n t a i n st w od i f f e r e n t i a la m p l i f i e r s t h i sa f c h i t e c t o r ei m p r o v e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eo u t t x t tw k y e t h em a i na m p l i f i e r sg a i ni s4 1 9 4 d b ，a n db a n d w i d t hi si o g h z t h ec h a r a c t e r i s t i co f e y ed i a g r a mk e e p s w e l lw h e ni n p u tc u r r e n ts i g n a l si sg i v e nw i t h i nm o d e r a t ed y n a m i cr a n g e b i a sc i r c u i ta n di n t e r f a c ec i r c u i ta r ea l s ot h ei m p o r t a n tp a r t so f t i l em o n o l i t h i cf r o n t - e n da m p l i f i e r t h e y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f t b ew h o l es y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no f t h e s et w oc i r c u i t s t h ec o n t i n u o u sd e c r e a s i n go fc o s t , s i z ea n dp o w e rd i s s i p a t i o ni st h ed e v e l o pt r e n do f1 cd e s i g n n o w a d a y s i tb r i n g s 删c h a l l e n g eo f l a y o u td e s i g n t h i sp a p e rs h o w ss o m el a y o u te s s e n t i a l s t h e r ea r e7c h a p t e r si nt h i sp a p e tt h i sp a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no f t h eo p t i c - f i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e ma tf i r s t ；t h e ni td e s c r i b e se a c hc i r c u i tc e l lo ft h ef r o m - e n da m p l i f i e r , t h el a y o u td e s i g ne s s e n t i a l s s i m u l a t i o nr e s u l ta n di t sa n a l y s i s ；t h ep a p e rs h o w st h et e s tm e t h o da tl a s t 【k e y w o r d s 0 3 5 u r ns i g eb i c m o st e c h n o l o g y ；t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r , l i m i t i n ga m p l i f i e r ；, c o m m o nb a s ei n p u ts t a g e ；c h e r r y h o o p e rw i d e b a n da m p l i f i e r l i 东南大学学位论文独创性声明 本入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：至重量日期： 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( 包括韧登) 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。 第l 章概述 第1 章概述 1 1 光纤通信 伴随着当代计算机技术的迅速发展，信息吞吐量与日俱增。加剧了对高速信息传输系统的需求 目前的电磁波通信系统普遍以增加载波频率的方式来增加可以使用的频带宽度，从而增加信道传输 信息的容量。理论上来说，由于光波的高频特性，以其作为载波进行通信可以将现有通信方式的容 量大幅扩大，因此成为通信发展的重要方向。 光纤通信是以光波作为载波，以光纤作为传输介质的一种先进通信手段1 9 6 6 年。英籍华裔学 者高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤 ( 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，奠定了现代光通信一光纤通信的基础。1 9 7 0 年， 美国康宁( c o m i n g ) 公司研制成功损耗2 0 d b k m 的石英光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1 9 7 6 年美国在亚特兰大( a t l a m a 斌行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，把光纤通信从 基础研究发展到了商业应用的新阶段。 在光纤通信产生、发展和大规模的应用过程中，体现出了不同于现行电缆通信和微波通信的巨 大优势，主要表现在以下几个方耐”。 ( 1 ) 频带宽，通信容量大； ( 2 ) 光纤传输损耗低，适于长途传输； ( 3 ) 光纤体积小，重量轻，可绕性强； ( 4 ) 输入与输出之间电隔离，能抗电磁干扰，防闪电雷击； ( 5 ) 几乎无漏信号和串音，安全可靠，保密性强； ( 6 ) 抗腐蚀，抗酸碱； ( 7 ) 可节省能源； ( 8 ) 资源丰富，可节省大量有色金属。 光纤通信目前已经形成了较为成熟的商用模式，纵观世界各国光纤通信产品，光纤通信的各种 应用可概括如下：( 1 ) 通信网；( 2 ) 构成因特网的计算机局域网和广域网；( 3 ) 有线电视网的干线 和分配网；( 4 ) 综合业务光纤接入网。光纤通信系统众多的优点和广阔的应用范围使得光传送网作 为下一代宽带通信网的基础成为不争的共识。但是一方面，光纤系统的传输速度仍受到电路处理速 度的限制，未能完全发挥光纤巨大带宽的潜力；另一方面，我国幅员辽阔，对光纤通信系统的需求 巨大却始终未能掌握用于光纤通信系统的高速集成电路核心技术，处处受制于人目前，光纤通 信技术正处于由1 2 5 g b s 以及2 5 g b s 的系统向1 0 g b s 速率的超高速系统过渡时期，这对我国实现 l 东南大学硕士学位论文 技术突破，开发1 0 g b s 以上速率的高速通信系统无疑是个巨大的契机。 1 2 光纤传输系统、光接收机与前端放大电路 1 2 1 光纤传输系统1 2 光纤传输系统主要由光发射机、光纤信道和光接收机三部分组成，如图1 1 所示其中，光发 射机由复接器，激光驱动器和激光二极管等模块组成；光接收机由光检测器、前置放大器、主放大 器、数据判决电路、时钟恢复电路和分接器等模块组成。 图1 1 光纤传输系统框图1 3 】 1 2 2 光接收机与前端放大电路 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。 在光接收机中，前端放大前路包括了前置放大器与主放大器两个部分。前置放大器将光检测器 输出的微弱电流脉冲信号转换成一定的电压脉冲信号。主放大器将前置放大器输出的毫伏级电压信 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。 由于处于光接收机的前端，前端放大电路的性能指标在很大程度上代表了光接收机的性能优劣。 衡量前端放大电路的性能指标主要包括以下几个方面： 噪声性能和灵敏度：光接收机的灵敏度定义为在一定误码率条件下。用d b m 表示的最小平均光 功率。影响灵敏度的主要因素是噪声。前端放大电路的等效输入噪声电流与光电二极管的光电转换 效率共同决定了光接收机的灵敏度。 增益和带宽：由于光检测器的输出电流非常微弱，在满足灵敏度与误码率要求的前提下，要求 前端放大电路具有较大的增益；同时电路需要稳定工作在较高的速率之上，因此前端放大电路需要 具有合适的带宽。 此外，功耗、电源电压、可靠性、尺寸及价格等也是在设计光接收机时需要考虑的重要凼索。 2 第1 章概述 1 3 工艺选择 通信产业爆炸式增长进一步加剧了对高速数据传输系统的迫切需求。同时大规模集成电路的高 速发展使得个人通信终端的小型化、复杂化成为趋势。对于设计1 0 g b s 超高速光接收机前端放大电 路而言，最终的设计结果一方面需要满足电路高速、高稳定性的性能要求，另一方面也要满足低成 本、低功耗、高集成度的产品需求。因此选择合理的工艺是电路设计成功的前提和保证表1 1 给 出了常用工艺的性能比较。 表i 1 常用工艺的比较”1 c m o s b i p o l a r g a a ss i g eb i c m o s 集成度最高较低较低较高 速度较低较高 最高较高 功耗较低较高较高中等 流片成本较低较高最高中等 目前1 0 g b s 以上超高速前端放大电路主要采用g a a s 、l n p 等i l l i v 族工艺，但面临着高成本、 低成品率、高功耗以及工艺不易获得的缺点。c m o s 工艺具有高集成度、低价格、低集成度等特点， 但较低的特征频率以及较高的噪声影响了它在高速高灵敏度系统中的应用。s i g eb i c m o s 工艺与 c m o s 工艺相比具有跨阻高，噪声以及其他寄生效应相对较小的优势，因此能够达到更为理想的电 路性能。同时，相比于g a a s 、i n p 等i i f i v 族工艺，其成本也能得到较好的控制1 4 1 。0 3 5 u r ns i g e b i c m o s 工艺的特征频率( f r ) 达到了6 1 g i - l z ，采用其设计用于传输1 0 g b s 速率数据的前端放大电 路是可行的 1 4 论文结构 本论文首先对用于光接收机的前端放大电路的原理以及设计流程作了相应的介绍。第2 章简要 介绍了光检测器的简化电路模型，给出了前置放大器的理论分析以及具体的电路实现。第3 章介绍 了主放大器的系统结构以及单元电路的原理以及设计考虑。第4 章介绍了前端放大电路的系统结构 以及相应的接口电路和偏置电路设计。第5 章介绍了版图设计、优化的相关要素。第6 章给出了后 仿真结果与芯片测试方案。第7 章给出总结。 第2 章前置放大器 第2 章前置放大器 2 1 概述 如前所述，前置放大器在光接收机中位于光检测器之后，其作用是将光检测器输出的微弱电流 信号转换成一定幅度的电压脉冲信号。前置放大器的性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能 普通的光信号在经历了长距离的光纤传输之后，到达接收端时已经十分微弱同时，光检测器 也引入了一部分噪声。因此如果采用普通的放大器进行放大，丽其本身又具有相当大的噪声，则系 统无法得到较好的信噪比同时，由于输入信号十分微弱。为了兼顾信号放大以及抑制后续电路噪 声的性能要求，前置放大器需要有较大的增益。综合而言，前置放大器应当满足以下的性能需求嘲： ( 1 ) 前置放大器应该有较高的互阻增益，以抑制后续电路噪声的影响。 ( 2 ) 前置放大器的带宽应与信号速率相适应一方面，前置放大器的工作带宽应当满足输入 信号码速率的要求；另一方面，过大的带宽也将引入额外的噪声，造成整个系统信噪比的恶化。 ( 3 ) 前置放大器的等效输入噪声电流应尽可能减小，其指标由光接收机的灵敏度要求以及光 检测器的转换效率来决定的。 ( 4 ) 前置放大器输入阻抗足够的小，一方面可以使光检测器检测到的微弱电流几乎全部注入 前置放大器；另一方面，较小的输入阻抗可以避免前置放大器输入等效电容对带宽的影响。 事实上，在电路设计中必需折衷考虑上述设计指标。带宽的增大会导致噪声的增大和增益的减 小。此外，电路的各项指标必须在温度变化的条件下保持较高的稳定性。因此，在实际的电路设计 中必须根据当前系统的要求合理分配各项设计指标，选择合适的电路结构。 由于前置放大器与光检测器紧密相关，因此事先需要了解光检测器的基本原理。 2 2 光检测器 2 2 1 光检测器的基本原理以及性能要求 光检测器( 通常采用光电= 极管) 是光纤通信系统中重要的光电转换器件，它位于光接收机的 最前端，其作用是将接收到的光脉冲信号转换成相应的电流脉冲信号。 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。三种类型的光电二极管的 工作原理是相似的：它们都反向偏置；在没有光的时候，只有很小的反向饱和电流也就是暗电流流 经光电二极管；光照射的时候，在耗尽区产生电子空穴对，这些电子空穴迅速掠过耗尽区，并漂移 到检测管的电极上，由此在外电路中形成电流。 应用于高速光纤通信系统的光检测器性能要求主要有1 3 】： 5 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 在所应用光波长范围内光电转换效率高，即对一定的入射光信号功率，光检测器能输出 尽可能大的光电流； ( 2 ) 响应速度快、线性好及频带宽，使信号失真尽量小； ( 3 ) 本身所附加的噪声尽可能小； ( 4 ) 可靠性高、寿命长，尺寸与光纤直径相匹配，工作电压低； ( 5 ) 对温度变化不敏感。 2 2 2 光检测器的等效电路1 6 1 7 1 由于光检测器与后面的前置放大器相连，为了更好得将光检测器与前置放大器结合起来进行分 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， k 光检测器的输出电流，电流强度为p a 数量级。 c d ：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 是尽量减4 , e h 光检测器寄生电容带来的影响。光检测器的寄生电容从o 1 p f ( p - i o 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，已封装，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 i ，r 2 ：光检测器的连线电感，连线电容和连线电阻。 图2 1 光检测器等效电路 2 2 3 光检测器对前置放大器设计的影响 由于光检测器位于前置放大器的前端，其性能在一定程度上影响了前置放大器的设计方向。在 本次设计中，主要体现在两个方面： ( 1 ) 光电转换效率：光检测器平均输出光电流与平均入射光功率之比，单位为a w 。由第一 章可知，接收机的灵敏度定义为在一定误码率条件下，用d b m 表示的最小平均光功率。在消光比恒 定的前提下，灵敏度可以直接确定前置放大器的最小平均输入光电流，这同样确定了前置放大器的 6 第2 章前置放大器 噪声性能指标 ( 2 ) 寄生电容：前置放大器的带宽需要与接收机信号速率相一致，光检测器的寄生电容会在输 入节点上对前置放大器的带宽产生较大的影响在1 0 g b s 的系统中，光检测的寄生电容可以达到 2 0 0 f f - 4 0 0 f f , 这限定了前置放大器输入等效阻抗的上限，影响了电路结构的选择 2 3 前置放大器电路选择 综合光接收机的性能指标以及光检测器的工作特性，前置放大器需要具备三大功能： ( 1 ) 将 徽弱电流信号转换成一定幅度的电压信号；( 2 ) 提供较大的跨阻增益；( 3 ) 尽可能的抑制电路噪声； ( 4 ) 提供合适的传输函数。常见的前置放大器可以分为低阻、高阻和跨阻放大器。下面将会逐一进行 分析。 2 3 1 低阻前置放大器 低阻前置放大器的拓扑结构如图2 2 所示。其适合于光检测器和放大器混合集成的系统，两者 之间采用传输线连接在前置放大嚣直接采用5 0q 电阻黜与光检测通过传输线相连。一方面，黜 与传输线直接匹配减少了信号损耗，另一方面较低的输入阻抗可以获得较大的带宽。但是低阻前置 放大器的增益远低于高阻与跨阻放大器，同时输入端的5 0o 电阻极大的恶化了电路的噪声性能。并 不适用于本次设计。 乃 j r i p 图2 2 低阻前置放大器嘲 2 3 2 高阻前置放大器 高阻前置放大器的拓扑结构如图2 3 所示。常用于早期传输数据速率较低的光纤传输系统。在 此结构中，光检测器被等效成高阻抗的受控电流源，电流信号直接通过凡转化成电压信号并提供较 大的增益。该电路噪声主要包含电阻热噪声与检测器噪声两部分，其等效输入噪声电流远低于低阻 结构，适用于高灵敏度的系统。但是，高阻放大器同样具有不可克服的缺点：( i ) 高阻放大器具有 很高的输入阻抗，其电路的时间常数较大，电路的带宽小；( 2 ) 光检测器的偏置电阻和f e t 的输入 电容对光检测器的输出电流形成一个积分电路，信号脉冲会产生严重失真，所以必须对输出信号进 行均衡，将放大器的极点与均衡网络的零点相匹配，对频响特性进行补偿，使接收机的带宽扩展至 所需的值。而均衡网络的设计非常复杂；( 3 ) 前置放大器的动态范围很小；( 4 ) 另外，由于其对较 7 东南大学硕士学位论文 长的连0 ，连l 的积分效应，基线偏离十分明显，只有采用较好的线性编码才可以解决这一问题。 总之，这类前置放大器只适用于传输速率低，但灵敏度高的系统。 j 岸 i p 图2 3 高阻前置放大器f l l 2 3 3 跨阻前置放大器 跨阻前置放大器的拓扑结构如图2 4 所示，此次设计中的跨阻放大器由于采用了电压并联负反 馈放大器的形式，能够实现较大的增益和带宽，同时又具有低噪声和大动态范围的特点。 跨阻放大器中，反馈电阻r f 形成电压并联负反馈，同时为电路提供稳定的偏置。在放大单元a 理想的条件下，系统增益可以近似认为由反馈电阻r f 决定。跨阻放大器综合了低阻和高阻放大器的 优点，例如：低的输入阻抗、高带宽、避免使用均衡网络、大动态范围、较小的输出电阻。所以， 在高速光纤传输系统中，广泛采用跨阻前置放大器。本次设计的前置放大器中同样包括了跨阻放大 器结构。 一 忑 图2 4 跨阻前置放大器, l s j 2 4 跨阻前置放大器理论分析 2 4 1 基本的反馈放大器理论例 将放大器的输出信号( 电压或电流) ，按一定路径回送到放人器输入端的过程称为反馈。施加反 馈的放大器称为反馈放大器。如图2 5 所示，它是一个由摹本放大器( 又称辛网络) 和反馈嘲络构 成的闭合环路。 8 第2 章前置放大器 图2 5 反馈放大器结构框图 图中是放大器的输出信号，假设基本放大器的增益( 又称开环增益) 为，则 x o = 出 斗是通过反馈网络产生的反馈信号，假设反馈网络的反馈系数为蚝则： x = k 吒 由于x i 是输入信号x i 和反馈信号x f 相比较的产物，即 x t2 x l x f 因而x i 又称为误差信号( 或基本放大器的净输入信号) 整理式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，求得反馈放大器的增益( 或称闭环增益) 式中， 爿，：笠：垒：l ：兰 t + x f l + 皇 i + tf 五 丁= 兰x 12 詈熹x i 2 爿 工。 。 f 2 i + t = l + 彳 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) t 称为环路增益( 或回归比) ，它是指前馈放大器与反馈网络的增益积。f 称为反馈深度，表示 放大器施加反馈前后增益变化的倍数。 负反馈以牺牲放大器增益的代价来稳定输出，克服放大器受环境或者工艺影响等不理想因素造 成的增益变化；同时，负反馈还有效地扩展放大器的频带宽度和减小非线性失真，并可按要求改变 放大器的输入和输出电阻等。 9 东南大学硕士学位论文 2 4 2 跨阻前置放大器的一阶等效电路分析 图2 6 跨阻前置放大器一阶的等效电路 若假设前馈放大器的带宽为无穷大，中频增益为a ，仅考虑输入端电容，可得跨阻前置放大 器等效电路模裂如图2 6 所示。由于传输函数仅包含一个极点，称之为跨阻放大器的一阶模型 电路中i 。为光检测器等效电流源，c d 为光检澳0 器的寄生电容，c 为跨阻放大器的输入电容，黜为 反馈电阻。由图可见，输入端的等效电容c - 托i ( 在本文中统一近似为c f 3 0 0 f f 。c i = 1 0 0 t f ， c r = 4 0 0 f f ) ，则该电路的传输函数可以表示成： 其中， 引沪靠r 音岳 母；r ， 1 一十l a + l q 2 万百 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) 可以看出，当前馈放大器的增益a l 时，前置放大器的跨阻增益r t 接近于反馈电 阻r f 的值，同时，电路的3 d b 带宽为： f - 3 d s - - - - ( 凹- o r 2 瓦a 而+ i ： ( 2 1 0 ) 换句话说，采用跨阻形式极大的拓展了电路的3 d b 带宽，这时因为电压并联负反馈结构显著降 低了电路的输入阻抗，使得输入极点频率大幅度增加1 ”l 。由图2 6 可得电路的近似等效输入阻抗为： ( 2 1 1 ) 旦m = o ， 第2 章前置放大嚣 通过增加前馈放大器的增益，可以无限的增大电路带宽。然而这是建立在前馈放大器拥有无 穷大带宽的基础之上的，后面将会分析前馈放大器的增益带宽对电路性能的影响。 2 4 3 跨阻前置放大器的二阶等效电路分析 通过2 3 1 节的分析，可以看出，在前馈放大器增益足够高，幅频特性理想的前提下，我们可 以实现增益以及带宽均较为理想的前置放大器然而，在实际的电路设计中，前馈放大器的带宽 是有限的。本次设计采用共射共基放大器作为前馈放大器，可以将其假设为一个一阶的传输系统。 因此，前置放大器将被等效为二阶传输系统，如图2 7 所示。 r f 图2 7 跨阻前置放大器的二阶等效电路 图2 7 中前馈放大器的传输函数为： 其- - 3 d b 带宽为： a ( s ) = a ( i + s ，畋) 厶= 券= 瓦1 由图2 7 可得电路的闭环传输函数为： = - g t 雨瓦丽1 q = q = 案 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 )r 尘m 。 = r 东南大学硕士学位论文 式( 2 1 4 ) 已经将跨阻放大器的传输函数表示为了典型的二阶传输系统，其中mo 为特征频率， q 为品质因数。根据二阶系统的稳定性理论，q 值的大小直接决定t - - 阶系统幅频响应的振铃和群 延时特性：当q = 1 3 时，我们能够得到平坦的幅频和时域响应；当q = 1 2 时，我们能够得到 平坦幅频响应，但是时域响应将会产生轻微的振铃。当q 值逐渐增大时，时域响应的波峰和幅度响 应的振铃现象将会愈加严重直至无法接受。 为了避免电路的幅频响应出现波峰，在设计中应该保证q 一 6 0 d b ) 的要求。因此，必须通过进一步改进电路结构来克服这个难题。采用共基输入 的跨阻放大器能够解决这一问题。 2 a 4 电流模形式跨阻放大器分析 由2 4 3 节的分析可知，跨阻放大器的等效输入电容极人的制约了前置放人器的性能。在跨阻放 大器之前增加共基级，能够有效的降低静置放大器的等效输入电r l ，尽可能抑制输入端等效电容对 1 2 第2 章前置放大器 前置放大器带宽的影响i 埘【采用此种结构，前置放大器在满足一定增益要求的前提下，仍能实现 较大的带宽。采用该结构的等效电路如图2 8 所示。 图2 8 共基输入跨阻放大器 在此电路中，前置放大器的输入极点可以近似为： m ： ! 。量。 2 ( 1 g , r 。) c i , 2 芒 ( 2 2 1 ) 由式( 2 2 1 ) 可以看出，给输入级提供合理的偏置可以使输入极点远离电路的工作频率，从而 不再成为带宽的限制因素。同时，后续的跨阻放大器的等效输入电容可以认为仅仅是晶体管的寄生 电容，由式( 2 2 0 ) 可知，在带宽恒定的前提下能实现足够的增益。 2 a 5 差分放大器分析 通过之前的分析论述可知，带有共基输入级的跨阻前置放大器能够实现较为理想的增益和带宽 性能，已经能够满足系统要求。但是单端输入的工作方式一方面对环境噪声、电源噪声的抑制能力 较弱，同时非对称的结构也给版图匹配以及电路各部分的偏置设计造成了困难1 1 4 1 。采用差分电路的 形式能够有效地解决这些问题 差分电路形式的优点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 差分电路的电源抑制比( p s r r ) 显著提高 东南大学硕士学位论文 图2 9 差分电路中的电源噪声【6 l 由于前置放大器需要较高的灵敏度，因此必须有效消除电路中电源噪声的影响。在单端电路中， 电源噪声直接作用电路的输出端，难以得到较高的p s r r 值。在差分电路中电源噪声同时作用于 u 和，但不影响差分输出v x v y 。尽管受到信号的单端输入以及工艺和版图的影响，实际的p s r r 值低于理论分析所得，但仍能较好的满足电路的需求 ( 2 ) 差分电路对环境噪声以及电路其它信号具有较强的抗干扰能力 图2 1 0 差分电路中的共模干扰1 1 5 l 由图2 1 0 所示，电路中存在着各种类型的环境噪声以及电路中其它信号通过寄生电容所产生的 干扰信号。若电路版图完全对称，则这些信号仅仅作用于输出的共模分量，对差模输出无法产生明 显的影响。 ( 3 ) 差分电路增大了各级的输出电压摆幅。 ( 4 ) 差分电路使电路的偏置设计更为简单，同时也提高了放大器输出的线性度，抑制了偶次谐 波分量。 ( 5 ) 差分电路实现了更好的版图匹配。 但是，使用差分电路增加了电路的功率损耗和输入端的等效噪声电流。在前端放大电路中前 置放人器所消耗的功率比例较低，因此增加的功率损耗是可以接受的，另外，与普通差分电路相比， 1 4 第2 章前置放大器 前置放大器输入信号为单端的直流量不为零的电流信号。后续电路设计中必须存在消除直流偏移量 的电路单元 最终此次设计的前置放大器电路结构如图2 1 1 所示： + v d d 图2 1 l 差分前置放大器 2 5 前置放大器的噪声分析 2 5 1 电路中的噪声源 2 5 1 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。电阻热噪声可以用 电流噪声源或电压噪声源来表示，如图2 1 2 所示。 声”。 一个阻值为r 的电阻， 如果等效为噪声电压， 碎厅芷 图2 1 2 电阻热噪声的等效模型 产生的噪声电流，其功率谱密度可表示为： 西0 9 = 4 k t r = 4 i c t g 其功率谱密度为： s 渤= 4 k t r 该式中，k 为玻尔兹曼常数，t 为热力学温度 从式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) n - j 以看出，电阻热噪声的功率谱密度与频率无关， ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 为一常数，因此属于“臼噪 东南大学硕士学位论文 2 5 1 1 2 双极型晶体管噪声 ( 1 ) 散弹噪声 散弹噪声是与双极型管中的直流电流紧密相关的由于晶体管中每个载流子运动都可视为随机 事件，沟道电流是由大量的随机独立的电流脉冲所决定的。载流子的不规则热运动能在晶体管的沟 道电流中产生类似于电阻的热噪声，这就是散弹噪声散弹噪声是场效应管的主要噪声源，其功率 谱密度可表示为： s u ) = 2 q l a ( 2 2 4 ) ( 2 ) 突发噪声 突发噪声是存在于一些集成电路和片外晶体管中的低频噪声，其可能来源于金属的离子污染。 突发噪声的功率谱密度可以表示为 r s b ( 力= k 2 二7 一 ( 2 2 5 ) 1 + ( 毒) 2 jc 此式中，k 2 ，c ，矗均为与器件以及噪声模型相关的常数，i 为p n 结电流。在超高速电路中，突 发噪声对整个系统的噪声性能影响可以忽略。 ( 3 ) 闪烁噪声 闪烁噪声又成为l ，f 噪声，通常认为是由于半导体品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。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。闪 烁噪声的功率谱函数为： ，口 品( 力= k 2 2 6 ) ， 其中k t ，a ，b 均为常数，i 为偏置电流。明显的，闪烁噪声主要作用于电路的低频段。闪烁噪 声非常重要的一个参数称为闪烁噪声角频率矗，它代表了晶体管的闪烁噪声功率谱与散弹噪声功率 谱函数曲线的相交频率。在同等电流前提下，双极型能获得远高于m o s 管的跨导，其6 远低于m o s 管，因此在此次设计中，闪烁噪声对整个系统的噪声性能影响同样可以忽略。 ( 4 ) 双极型晶体管的等效噪声模型 图2 1 3 双极型晶体管的等效噪声模型【1 6 1 双极型晶体管的等效噪声模型如图2 1 3 所示，在此电路中： 1 6 c 第2 章前置放大器 = 4 k t r b y 年= 2 q i 。a f ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 和榭蝎抄专舭2 硝 ( 2 2 9 ) 2 5 2 前置放大器等效输入噪声电流i ”l 等效输入噪声电流是前置放大器的关键指标。前置放大器的噪声在光接收机中起主导作用，直 接决定了光接收机的灵敏度。尽管本次电路采用了全差分形式，由于电路结构的完全对称性，在噪 声分析时可以采用单边电路形式，同样能够得到前置放大器噪声性能的量化信息。等效输入噪声电 流定义如图2 1 4 所示。 ：= 图2 1 4 等效输入噪声电流示意图 图2 1 4 中，等效输入噪声电流毒与理想的无噪声的t i a 相连在输出端产生与实际t i a 相同大 小的输出噪声电压。 共基输入跨阻放大器的单端简化噪声模型如图2 1 5 所示： w = 图2 1 5 前置放大器的单端简化噪声电路模型 t 7 东南大学硕士学位论文 其中& ：4 k t r 是= 2 q l 。 ：4 k t r 蜀：4 k t r f s = 哇。 s l ，s 3 ，s 4 为电阻热噪声；s 2 为三极管噪声；s 5 为前馈放大器的等效输入噪声源( 由于共基 级的输出阻抗为凡，在本次设计中取值较低，忽略前馈放大器的等效噪声输入电流，仅考虑其等效 噪声电压) ，将图2 1 5 中n p n 管用其小信号模璀代替可得图2 1 6 ： s 4 ：= 图2 1 6 前置放大器噪声小信号等效电路 在图2 1 6 中，噪声源s 1 s 5 与图2 1 5 一致，仅仅增加了共基级三极管基极的散弹噪声以及基区 电阻的熟噪声，分别表示为： 瓯= 4 k 巩 s 7 = 2 q i b 将s l - s 7 代入图2 1 6 ，在计算过程忽略n p n 管中摹极与集电极寄生电容c 。并对结果进行了相 应的近似，则各噪声源所产生的等效输入噪卢电流为： 磊= 等 f 一2 k t r , 1 + ( 嵋。也) 2 2 一面f 1 + ( 6 0 c x r x ) 2 第2 章前置放大嚣 为： 毫= t 。 = 4 k t r ( - 寺+ m 2 巳2 ) 石：丝 其中a ( s ) 表示前馈放大器的增益函数，z t ( s ) 表示电路的跨阻增益函数。该电路的中频跨阻增益 z a o ) = p c , r j c a ( o ) 图2 1 6 中前置放大器的等效输入噪声为： 虿= 等+ 凳筹+ 警+ 等+ 警撇玩c 去耐+ 瓦 4 足群l + ( n q o ) 2疋胄，一 ”7 ”4 ” ( 2 3 1 ) 通过此式我们可以看出，前置放大器的等效输入噪声主要由共基输入级的三极管、射极电露l 艮、 集电报电阻乳以及反馈电阻黜决定，因此合理的设计输入极的偏置以及器件参数；对增益、带宽进 行优化折中将会大大改善电路的噪声性能。 2 6 跨阻前置放大器设计与仿真 2 6 1 跨阻前置放大器系统定义 电路名称：差分共摹输入跨阻前置放大器 实现功能：将光检测器输出的微弱电流脉冲信号转换成一定的电压脉冲信号 实现工艺： j a z z0 3 5 t m as i g eb i c m o s 电源电压：3 3 v 最小输入电流：l o u a 光检测器电容：0 3p f 跨阻增益： 6 0 d b 工作速率： 1 0 g b s 输入信号动态范围：1 0 u a 5 0 0 u a t 9 塑足塑墨 = = 一毫 一矗 东南犬学硕士学位论文 2 6 2 设计指标 2 6 2 1 跨阻增益 跨阻增益代表了前置放大器输出电压信号改变量与输入电流信号改变量的比值关系，表示为： 辟= a v o f ， ( 2 3 2 ) 跨阻增益的单位为q 或d bo ，之间换算公式为： = 2 0 l o g ( r r f 1 ) ( 2 3 3 ) 在a c 分析中，前置放大器不仅对信号幅度进行了放大，同时也引入了部分的相移，因此，复 频域内的跨阻可以表示为： z ，= 母e x p ( j 妒) ( 2 3 4 ) 其中代表相移 在此次设计中，考虑到后续电路的判决需要以及电路的噪声性能，前置放大器增益需要达到 6 0 d b q 。本次设计前置放大器的跨阻增益表示为式( 2 3 0 ) ，在此式中，若( 1 + ) r + 0 ， ( 1 + 彳( o ) ) 足 髟，则前置放大器的跨阻增益碍* 髟，在实际的设计中，跨阻增益将会低于反馈 电阻值。为了满足电路的增益要求，需要根据仿真结果来决定r f 的取值。 2 6 2 2 带宽 前置放大器的带宽b w m 定义为z r ( 厂) 的增益下降3 d b 时的频率大小，因此又被称为3 d b 带宽， 以区别于噪声带宽。 此次设计的电路应用于9 9 5 3g b p ss o n e t s d ho c 1 9 2 s t m - 6 4 的光纤传输系统。前置放大器 的速率应该与传输信号速率相匹配。通常来说前置放大器的带宽应该选择其传输信号速率的7 0 8 0 。低于这个带宽，前置放大器的码间干扰将会增加：高于这个带宽，将会有更多的高频噪声叠 加到信号频谱中，降低整个系统的信噪比。 在本次设计中，存在着多个影响电路带宽的极点，主要产生于输入端，共基放大器的集电极以 及电路的输出端处。由于多个极点相距较近，相