（电路与系统专业论文）cmos超高速并行光接收机前置放大器阵列设计.pdf

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。 研究生签名：强：量叠日期：如口；r 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： 汐f o 、s 摘要 摘要 随着信息传输的爆炸式发展，一个在全球范围内的宽带网络建设浪潮正势不可挡。传统 的芯片间电互连存在带宽受限、串扰严重、功耗过高等问题，不能满足大容量数据传输、新一代 通信设备、高性能计算机等方面的系统应用需求。光互连作为一种新的互连方式，具有带宽高、 功耗低、延迟小、抗干扰等许多电互连不可比拟的优点。因此，开发具有自主知识产权、用于 高速芯片间光互连的集成电路，对我国的信息化建设具有重大的意义。 在高速芯片间光互连系统的几个功能电路中，光接收机中的前置放大器是一个关键电 路，其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。本论文的任务是设计适用于芯片间光 互连的1 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列。 在光纤通信系统中，前置放大器的作用是将光检测器输出的微弱电流信号放大并转换成 电压信号，而跨阻放大器是广泛被采用的一种结构。在几种跨阻放大器实现方案中，r g c 结构具有输入电阻小、频带宽和偏置稳定的优点，适用于超高速光纤通信系统。因此本论文 寥采用该结构设计超高速前置放大器阵列。采用有源电感并联峰化技术来拓展电路的带宽，同 f j 时使电路尺寸适用于高密度版图通道。 采用中芯国际( s m 【c ) 提供的o 1 8 mc m o s 工艺库文件，并使用c a d e n c es p e c 仃e 电 ： 路仿真软件，对应用于高速芯片间光互连的并行光接收机前置放大器阵列进行了仿真。后仿 2 真结果表明，单路超高速光接收机前置放大器的中频跨阻增益为4 7 o d b q ，3 d b 带宽为 8 8 g h z 。流片后的在片测试结果显示，在1 8 v 单电源供电下，单路超高速光接收机前置放 大器可以正常工作在5 1 0 g b p s 的数据速率上，功耗为1 9 1 m w 。包含超高速前置放大器阵 列的光接收机前端放大电路能够正常工作在5 g b p s 的数据速率下，其中的超高速前置放大 器阵列功耗为1 6 7 4 m w 。 论文按照电路设计、版图设计、工艺流片到最后的芯片测试的顺序详细介绍了上述电路 的设计过程、仿真过程、仿真结果、测试方案及测试结果。 关键词：光互连；超高速；c m o s 工艺；前置放大器阵列；并行光接收机 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ec o i l s t m c t i o no fb r o a d b a n dn 咖f k sa l lo v e r 廿1 ew o r l di s 廿l ed o m a j n 仃e n dt o d a y 引o r 培 w i t l l 铂er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o m a t i o n 仃a i l s m i s s i o n b e c a l l s e0 fm el i m i t e db 锄“i 醐_ l ， c r o s 删k 舔w e l l 笛s e r i o u si s s u e ss u c h 嬲e x c e s s i v ep o w e rc o n s u m p t i o n ，也e 协l d i t i o 砌e l e c t r i c a l m t e r c o n n e c t i o nn 0l o n g e rm e e t st l l er e q u i r e m e 眦o fi a 唱e - c a p a c i t ) rd a t a 觚m i s s i o i l s ，n e w g e n e r a t i o nc o m m 嘶c a t i o ne q u i p m e n t s 锄dh i 曲- p e r f b 舢a n c ec o 叫) u t e rs y s t e m s a san e w t e c l l l l o l o g y 廿l eo p t i c a jm e r c o 姗e c t i o n h a st 1 1 ea d v a m a g e so fw i d eb a n d w i d t l l ，l o wp o w e r c o n s 啪p t i o 如s m a l ld e l a y 锄da n t i j 锄1 m i i l g ，t h u s ，“i sv e 哕i m p o r t a n t t od e s i 凹i n t e g r a t e dc 讹u i t s ( i c s ) 蠡”0 p t i c a li n t e r c o 衄e c t i o nb e t 、v e e nh i g l l s p e e qc h i p sw i t l li 1 1 d e p e n d e n tp r o p e n y i r it h eb u i l d i i l gb i o c k so fa no p t i c a ji i l t e r c o 衄e c t i o ns y s t e m ，t l ep r e a m p l i f i e ri sac r i t i c a lp a n i t sp e 面m a i l c eh a sag r e a t 嘣e c t0 nm ep e 响彻a i l c eo f t h eo p t i c a jr e c e i v e r i i l t l l i sm e s i s ，a nu h r a i l i 曲一s p 9 e dp r e 锄p l i f i e r 狮刭f o r1 2p a r a l l e lo p t i c 猷咒c e i v e r si sd e s i 助e d nc 鲫b eu s e di n0 p t i c a d i i l t e 瑚恤e c t i o nb e t 、e e nh i 曲一s p e e dc p u - c h i p s t h e 旬陋n s - i i n p e d a r l c et y p ep r e 锄p l i f i e ri sw i d e l yu s e di i ld e s i g no fl l i g h s p e e dp r e a m p l i f i e r s n ei c m o d et r a m - i m p e d 觚c ep r e 锄p l i f i e ri sc h o s e nt ob et l ef i i l a jc 沁u i ts 仃u c n 鹏b e c a u s eo f 怄l o wi n p u ti m p e d a l l c ea 1 1 db r o a db a n d w i d t l l s e v e r a lt e 蛳q u e s ，s u c ha s 舭s h u n tp e 地u s 崦 a 的n v e n 商o n a la c t i v ei n d u 曲) r a r ee m p l o y e di 1 1o r d e rt 0a c h i e v eac h a l l e n g i i 培b 柚d w i d 也f 0 r h i g l l d e n s 时o p t i c a li i l t e r c o 蛐e c t s t h ec 沁u i ti ss i m u l a t e d b yc a d e n c es p e c 仃e 。，u s s 施c so 18 岬c m o st e c h n o l o g y l i b 豫l yn ep o 赂s i i i l u l 撕o nr e s u l t si n d i c a l et 量l a t 吐l e 觚l s i m p e d a i l c eg a 抽i s4 7 od b q a n d 廿l e 3 d bb 挑d w i d mi s 8 8g h z t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o w 也a tt h es i i l g l ec h a n n e l 出pc 越w o r k w e l la tt l l eb i t r a t e sr a l l g e d 丘d m5t o1og b p s t h e 丘o n t - e n d 锄p l i f i e r 鲫哟i 1 1 c l u d m gm e p r e 锄p l i f i e ra r r a yw o r k sp r o p e r l ya tt h eb i t - r a ：c eo f5g b p s ，a n dm ep r e 锄p l i f i e ra r r a yd i s s i p a t e s 1 6 7 4m w 劬mas i n g l e1 8 一vs u p p l y h lm i sn l e s i s ，t i l e 锄a l y s i so f 1 ec i r c u i “sd i s c u s s e df i i 苫t l y t 1 l e n 廿l ed e s i g no ft h el a y o u ta n d 也e 佗a l i z a t i o n0 ft h ec h i p sa r ed e s c r i b e dr e s p e c t i v e l y f 妇l l y ，t h et e s tm e 廿l o da n dn l em e a s 哪e d r e s u l t s0 f t l l ec h i p sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p t i c a li n t e r c o m e c t i o n ；u l 仃ah i 曲一s p e e d ；c m o st e c l l l l o l o 影；p r e 锄p l i f i e r 觚a y ； p a r a l l e lo p t i c a lr e c e i v e r i i i 目录 目录 摘要。i a b s t m c t i i i 目录v 第1 章概述l 1 1 研究背景及意义l 1 2 光纤通信简介2 1 3 光纤传输系统与高速芯片间光互连技术3 1 4 光接收机4 1 4 1 光接收机系统结构4 1 4 2 光接收机性能指标4 1 5 工艺选择5 善 1 6 论文组织6 第2 章光接收机前端电路分析7 。 2 1 引言7 2 2 光检测器。7 、： 妒 2 2 1 光检测器简介7 2 2 2 光检测器的等效电路8 2 2 3 光检测器指标8 2 3 前置放大器：1 l 2 3 1 前置放大器概述1l 2 3 2 前置放大器分类1 2 2 3 3 前置放大器选择1 4 2 4 光接收机前端电路噪声特性一1 4 2 4 1 光检测器噪声1 4 2 4 2 前置放大器噪声1 4 第3 章跨阻前置放大器分析1 7 3 1 引言。1 7 3 2 跨阻前置放大器基本理论分析1 7 v 东南大学硕士学位论文 3 2 1 反馈放大器基本理论1 7 3 2 2 电压并联负反馈理论18 3 3 跨阻前置放大器基本性能分析。2 2 3 3 1 带宽2 3 3 3 2 跨阻增益2 4 3 3 3 输入电阻2 4 3 3 4 噪声2 5 3 4 跨阻前置放大器的电路实现。2 6 3 4 1 基本形式的跨阻前置放大器2 6 3 4 2 电流模形式的跨阻前置放大器2 8 3 4 3r g c 形式的跨阻前置放大器3 2 第4 章1 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列设计。3 5 4 1 引言3 5 4 2 并行光接收机前端阵列系统结构3 5 4 3 单路光接收机前置放大器设计指标。3 5 4 4 单路光接收机前置放大器设计。3 6 4 4 1 单路光接收机前置放大器系统结构3 6 4 4 2 跨阻放大电路设计3 6 4 4 3 单端转双端电路和差分放大电路设计3 9 4 4 4 输出缓冲电路设计4 3 4 5 前仿真结果：。4 4 4 5 1 幅频特性曲线4 4 4 5 2 信号输出眼图4 4 第5 章版图设计与后仿真4 7 5 1 引言。4 7 5 2 版图设计基本流程4 7 5 3 版图设计的实用技术4 8 5 3 1 层次化设计规划4 8 5 3 2 版图设计与电路模拟相结合4 9 5 3 3 版图设计中应考虑的因素4 9 v l 目录 5 3 4 其他应考虑的因素5 0 5 4 前置放大器版图设计5 1 5 4 1 单路超高速光接收机前置放大器版图设计5 l 5 4 21 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列版图设计5 2 5 5 后仿真结果5 4 5 5 1 幅频特性曲线5 4 5 5 2 信号输出眼图5 5 第6 章芯片测试5 7 6 1 引言：5 7 6 2 测试环境5 7 6 3 芯片测试5 8 6 3 1 单路超高速光接收机前置放大器测试5 8 气 6 3 2 并行光接收机前端放大电路测试6 3 l 第7 章总结6 7 参考文献6 9 致 射7 3 ! 乏 附录7 5 v i i 第l 章概述 1 1 研究背景及意义 第1 章概述 网络通信和高性能计算机技术是整个信息技术的制高点，已成为衡量一个国家综合实力的重 要标志。国际半导体技术蓝图( 兀r s ) 指出，芯片性能的增长速度已远远超越了互连性能的增长 速度。 目前的技术条件下进行高速芯片之间的互连通信主要有电互连和光互连两种技术途径。传统 的电互连方式具有技术成熟、设计简单的优点，得到了广泛的应用；但电互连在高速信号传输中 所表现出来的带宽低、功耗大、互连密度小、抗干扰能力差等不足，已经严重影响到了高速芯片 互连通信的设计，限制了系统性能的进一步提高。光互连技术在解决这些问题方面具有优势：光 互连具有极高的空间和时间带宽积：光波的传播遵循独立传播原理，抗干扰性强；光波并行性好， 可进行高密度的波分复用，互连密度大；光互连信号损耗小，传输距离远。因而，光互连技术成 为解决大容量数据传输系统、新代通信设备和高性能计算机中高速芯片问互连通信的关键技术 摹 ，之一。 目前，世界各国都在积极开展芯片间光互连技术的研究。2 0 0 3 年美国功咏p a 投资4 5 0 0 万 美元启动了为期四年的c 2 i o 计划( a 卸t 0c h i po p 丘c a li n t e 粒伽n e c t s ) ，研究芯片间的高速光互连， ；开展对4 0 咖s 收发器、高速v c s e l 等技术的研究。2 0 0 4 年1 月i i i 嘲公司研发出种用于芯片 笺 间光互连的功能性演示原型器件，该器件具有1 2 个光通道( 其中有8 个数据通道) ，总数据传输 率可达8 g b p s 。2 0 0 4 年4 月，欧盟的光互连i o 项目( i n t e r c 锄n e c t sb y o 埘c s ) 实现了基于8 8 激 光器阵列及探测器阵列，采用塑料光纤实现芯片间光互连的演示系统，单通道速率最高可达 1 2 5 g b p s 。日本的n e c 公司和东京理工学院联合开展了c p u 与存储器芯片之间光互连技术的研 究，目标是实现c p u 和存储器之间1 0 0 0 个光通道：每们禹道2 0 g b p s ，总数据速率达2 m p s 的 光互连。 在并行超高速接收芯片研制方面，国外已推出较成熟的1 2 3 3 g b p s 并行光接收阵列模块。 蹦m a r i 公司分别推出了1 2 x 3 3 g b p s 和4 l o 7 g b p s 的接收阵列芯片。a 百1 e m 和1 1 1 1 洒o l l e 公司已 开发出用于甚短距离光互联模块的产品。韩国的s 静k y o u n gk 锄g 研究设计了单通道数据速率为 8 g b p s 的并行高速接收芯片阵列。m m 公司和法国i 眦x y s 公司都宣布其并行收发光模块中采用 的并行超高速接收芯片最大数据率可达1 2 1 0 g b p s 。 国内并行超高速接收芯片的研制处于刚刚起步阶段，研究成果主要为单通道接收电路芯片的 设计。目前除了东南大学射频与光电集成电路研究所成功研制了1 2 2 5 g b p s 接收电路阵列芯片， 1 东南大学硕士学位论文 未见其它超过此超高速芯片性能指标的并行电路研究报道。 本论文课题组属于国家8 6 3 计划项目“高速芯片间光互连技术与试验平台”，该平台研究以 高密度、高速化、集成化、抗干扰、低功耗为特征的新型光互连技术路线与实现方法，掌握基础 性的高速芯片之间光互连关键技术，研制高速芯片之间光互连基础试验验证平台；探索在大容量 数据传输、新代通信设备、高性能计算机等方面的系统应用技术，探索研制内嵌高性能微处理 器的高速光互连芯片，构建高性能微处理器芯片间的高速光互连专用试验平台。 综e 所述，研究高速芯片之间光互连技术，将有望解决高速芯片之间的通信瓶颈问题，为实 现大容量、高速率、低功耗的芯片间光互连奠定基础，进一步提升大容量数据传输系统、新一代 通信设备和高性能计算机的整体性能，这对推动网络通信和高性能计算机技术的发展具有十分重 ! 要的意义。 1 2 光纤通信简介 第l 章概述 ( 2 ) 光纤传输损耗低，适用于长途传输。 ( 3 ) 光纤体积小、重量轻、可绕性强。 ( 4 ) 输入与输出之间电隔离。 ( 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 ) 节省能源。 ( 8 ) 资源丰富，可省大量有色金属。 1 3 光纤传输系统与高速芯片间光互连技术 一个简单的光纤传输系统【4 】主要由三部分组成：一个光发射机、一个光纤信道和一个光 接收机，系统框图如图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。 囊在光发射机中，低速的数据信号在时钟信号的作用下被复接成一路高速信号。然后用一 个光发射器件，例如激光二极管及其驱动器，把这个高速数据信号调制到一路光波上。载有 信号的光波通过由光纤和中继器构成的光纤信道，传输到光接收机。在接收机中，光信号首 先通过一个光检测器被转变为电信号，然后被放大、再生，最后被分接成原始的低速数据信 盛 锡k 口 数据 数据判决 数据 输入+ 电路 输出 激光 光检澳器 e 极管 压翮 j l 分 复 激光 - 。_ 。一 f 。 前置 接 _ -驱动器 立 放大器 接 大器 器 光纤信道：。一j 器 11 二 _ 1 时鬻卜 时钟 时钟 输入 输出 图1 1 光纤传输系统框图 基于这种光纤传输系统，将光纤通信技术专门用于大容量数据传输系统中，可以实现高速芯 片之间的光互连。在大容量数据传输系统、新一代通信设备和高性能计算机内部，高速芯片相距 几到几十厘米，可采用甚短距离光传输( v s r ) 技术。由于距离较短，可以不考虑复杂的光传输 参数设计，不需要考虑色散和非线性等问题，不需要光放大中继，对光源的要求也相应降低。还 可采用并行传送方式以提高带宽、降低对单通道光器件的要求和降低光互连成本阁。但由于这两 3 东南大学硕士学位论文 种系统之间本质是相同的，所以采用的光发射机与光接收机结构也基本类似。 1 4 光接收机 1 4 1 光接收机系统结构 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。一个完整的光接收机包括光检测器、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，如图1 1 的接收机虚线框中所示。各模块的功能简述如下： 光检测器：在光接收机中，作为光电转换器件，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非常微弱，因而光检测器产生的光电流 也非常微弱( i i a 数量级) 。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。 前置放大器：前置放大器是光接收机的关键部分，其作用是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。由于其输入信号非常微弱，因而要求具有低噪声的特性；为了 保持较高的灵敏度以降低误码率，要求前置放大器具有较高的增益；为了使高速光接收机在给定 的速率上正常工作，要求前置放大器具有适当的带宽。 主放大器：通常前置放大器不可能在获得较低噪声和适当带宽的条件下达到所要求的增益， 所以其输出电压信号还需进步放大至所要求的幅度，且保持恒定，才能使后续的时钟恢复和数 据判决电路正常工作。这个任务由主放大器来完成。主放大器将前置放大器输出的电压小信号放 大至个足够大目恒定的幅度( 般约几百毫伏) ，以便于驱动后续的时钟恢复和数据判决电路。 一 爹 ， 一 ；电 一 差 。 。 ，沁 毫 第1 章概述 般认为是最小可接收的平均光功率，它反映了光接收机检测微弱信号的能力。灵敏度与光接收 机的内部噪声密切相关，它是实现中继器之间最大延伸距离的关键参数。 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，也是影响光接收机设计的一 个重要因素，它反映了光接收机适应输入信号变化的能力，决定了系统配置的灵活性和方便性。 比特率穿透性是指接收机能工作于不同比特率的能力。在数据传输系统及局域网等应用中， 比特率通常根据用户要求而定。比特率穿透能力允许同接收机用在不同比特率的几个网中，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。通常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、尺寸及价格等也是在设计光接收机时需要考虑的重要因素。 所以，在光接收机前端放大电路的设计过程中，需要综合考虑各种因素，才能使接收机的性 能达到最优。 1 5 工艺选择 早期的模拟集成电路使用双极型工艺，但是其功耗大。因此在超高频、超高速领域广泛 采用g a a s 工艺。目前商用前置放大器就主要采用g 以s 工艺。这些工艺具备高频性能和噪 声性能方面的优势，但也存在诸如功耗高、材料价格昂贵、工艺复杂、难以与采用c m o s 工艺的数字电路集成等问题。所以，本文采用c m o s 工艺来设计高速光纤通信集成电路， 具体理由如下： ( 1 ) c m o s 工艺相对容易获得。在国内有中芯国际( s m i c ) 、华润上华( c s m c ) 、华 虹n e c 等c m o s 工艺代工厂，国际上提供包含c m o s 工艺的多项目晶圆( m p w ) 服务的 机构有美国的m o s i s 、欧洲的e u r o p r a c t i c e 、加拿大的c m c 和法国的c m p 等。 ( 2 ) c m o s 工艺的生产成本相对较低。例如，典型的o 2 5 “mc m o s 工艺的成本大约 比同等的b i c m o s 工艺的成本低3 0 5 0 。 ( 3 ) c m o s 电路功耗小、集成度高、技术可靠性高、噪声容限高、逻辑摆幅高、工作 温度范围宽。m o s 管是栅极电压控制器件，单门静态功耗在纳瓦数量级：c m o s 电路的噪 声容限一般在4 0 电源电压以上；c m o s 电路的输出可以达到满摆幅：陶瓷封装的c m o s 电路工作温度范围为_ 5 5 1 2 5 0 c ，塑封的c m o s 电路为- 4 肛8 5 0 c 。 尽管相对低的速度影响了c m o s 工艺在早期高速电路中的应用，然而随着c m o s 工艺 5 东南大学硕士学位论文 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，特征频率后也不断提 高，其中o 3 5 i l m 、o 2 5 肛m 、o 1 8 岫c m o s 工艺的特征频率五分别达到了1 3 5 g h z 、1 8 6 g h z 、 5 0 g h z 。已有设计者采用o 1 8 u mc m o s 工艺成功实现了1 0 g b s 光传输系统的前端芯片【6 1 。 实践表明，利用c m o s 工艺可以实现高速乃至超高速集成电路。 综合考虑芯片速率、电路功耗、噪声、芯片面积、流片途径及设计成本等各项因素，本 论文决定采用o 1 8 u mc m o s 工艺设计实现1 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列， 此种选择具有低成本、低功耗、高集成度和单片集成的优势。 1 6 论文组织 本论文的工作是采用中芯国际( s m i c ) 0 1 8 岬c m o s 工艺，设计并实现应用于高速芯 片间光互连的1 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列。论文主要介绍前置放大器的系 统构成、电路结构选择、电路设计、版图设计和测试结果。 第2 章介绍光检测器( p d ) 和前置放大器的基本原理。从三种类型的前置放大器中选 择了跨阻型前置放大器作为本次设计的基本结构。 第3 章对跨阻前置放大器进行基础理论的分析，并在对几种不同形式的跨阻放大器比较 之后，选择r g c ( r e g u l 捌c 雒c o d e ) 形式的跨阻前置放大器来设计1 2 通道超高速前置放 大器阵列。 第4 章介绍了适用于并行阵列布局的单通道及1 2 通道超高速前置放大器的电路设计。 对“如何达到1 0 g h 【z 这样一个有挑战性的带宽”以及“如何避免使用无源电感以适用于 密度版图通道”这两个关键问题，对跨阻前置放大器电路的设计进行了具体阐述。 第5 章介绍了单通道及1 2 通道超高速并行光接收机前置放大器阵列的版图设计。版图 j 计是芯片设计的重要步骤，文中围绕“如何有效克服多个并行通路间的信号串扰”这个关 问题，详细介绍了高速并行电路版图设计的注意点和设计技巧。同时给出了该前置放大器 后仿真结果。 第6 章给出了芯片的测试结果及对测试结果的分析。 最后在第7 章给出全文的总结。 6 誊 蛊 ! 羹+ 饕 第2 章光接收机前端电路分析 2 1 引言 第2 章光接收机前端电路分析 光接收机前端电路包括光检测器( p d ) 和前置放大器，它决定了整个光接收机的带宽、 灵敏度和动态范围【4 】，因而是光接收机中非常重要的一个模块。 数据信号首先通过光检测器从光的形式转换为电的形式。光检测器是一个电流器件，也 就是在光信号的辐射下，其中会形成一个电流信号。前置放大器的作用是将从光检测器得到 的电流信号转化为电压形式，并提供放大。 下面分别对光检测器和前置放大器作基本理论分析。 2 2 光检测器 2 2 1 光检测器简介 光检测器，或称光电二极管( p d ) ，是光纤通信系统中一类重要的光电器件，它位于光 接收机的最前端，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p - i n 二极管( p i - np d ) 、雪崩二极管( a p d ) 和m s m 二极管 似s m - p d ) 。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 电子一空穴对，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【4 1 。 p i - np d 具有频带宽、噪声系数小、可靠性高、与低电压放大器电路相容和使用条件相 对简单的特点，适用于超高速信号的接收。但是，由于其无增益，所以效率小于1 。 a p d 在p 和n 层掺杂很高，当受到光照后，转换的电子空穴对以极高的速度与晶格碰 撞，产生更多的电子空穴对，相当于一个雪崩。正因为注入光电子有倍增作用，可用于高 灵敏度光电接收。从原理上讲，p i - np d 和a p d 的主要区别是a p d 具有雪崩增益，而p - i - n p d 则没有，除此之外，二者是相同的1 7 1 。 p i np d 和a p d 都是大容量长距离光纤通信系统中重要的光检测器件。 m s m - p d 的优点在于它的平面结构非常有利于单片光接收机的实现，由于自身结构的 简单性和对场效应管的兼容性，m s mp d 给光纤通信系统中单片光电集成电路接收机的实 现带来了光明的前景。平面结构同样使得m s mp d 的寄生电容相对较小，例如，一个直径 2 0 i i m 的m s mp d ，其寄生电容不足2 0 停【剐。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 2 光检测器的等效电路 光检测器与后面的前置放大器相连。为了更好地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， 五为光检测器的输出电流，强度为衅数量级。 c s 为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 点之一就是尽量减小由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 - n p d ，未封装，加有较大的反偏电压) 至几个p f ( p - i - np d ，已封装，加有适度的反偏电压) 不等，具体的值根据其封装和连接形式不同而不同。 厶c ，r l ，恐分别为光检测器的连线电感，连线电容和连线电阻。 2 2 3 光检测器指标 图2 1 光检测器等效电路 当电载流子在材料中流动时，一些电子空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴的 均流动距离分别为厶和岛，这个距离被称为扩散长度。电子与空穴重新复合的时间称为 流子寿命，分别标记为和邱。若用d n 和d p 表示电子和空穴的扩散系数，则可表示为吲： 妒堕( 2 1 ) 厶= 瓜 “ 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的光检测器，都有上限截止波长，定义为： 以= 胁& = 1 2 4 & y ) ( 2 2 ) 式中岛为半导体材料的带隙能量，办是普朗克常量，c 是真空中光速。对于s i 材料， 止波长为1 0 6 阻l 【9 】。 光检测器的光电转换效率 假设材料的吸收系数为a ，耗尽区宽度为w ，则在距离w 内吸收的功率为： p ( = 昂( 1 _ e 唧”) ( 2 3 ) 假设光检测器的表面反射系数为厮，则从式( 2 3 ) 可以得到初级光电流： 第2 章光接收机前端电路分析 = 吾昂( 1 一p 一_ ) ( 1 一辟) ( 2 4 ) 工程上常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。光检测器的量子效率表示入射光子 能够转换成电子空穴对的概率。当入射功率中含大量光子时，量子效率可用转换成光电流 的光子数与入射的总光子数的比来表示。响应度即为光生电流与入射功率之比。量子效率，7 和响应度研咱勺公式分别为： 刁= 揣 泣5 ， ，r 孵= 去= 詈 纪6 ，孵= 卫= 盟( 2 6 ) 只加 实际p i - np d 的量子效率只有3 0 9 0 ，而响应度也小于1 a 厂w 。为了提高量子效率， 往往加大耗尽区的宽度，使它能吸收更多的光子。但是耗尽区宽度的增加，往往使载流子渡 越时间变长，影响了光电二极管工作速率。雪崩二极管( a p d ) 通过雪崩效应倍增因子，能 ；够增加光生载流子，提高其响应度。 ：3 ) 光检测器的响应时间 光电二级管产生电流的响应时间主要取决于以下三个因素【1 0 】： ( 1 ) 耗尽层的光载流子渡越时间。 纂 ( 2 ) 耗尽层外产生的光载流子扩散时间。 ( 3 ) 光电二级管以及后续放大电路的船常数。 其中，载流子渡越耗尽层的时间是最主要的决定因素。它是载流子漂移速度与耗尽 层宽度w 的比值决定。典型的s i 耗尽区宽度为1 0 岬，极限响应时间为o 1 1 1 s 。如果耗尽区 宽度太窄，非耗尽区材料产生的载流子在被吸收前必须扩散到耗尽区。这样，器件就会有明 显不同的慢速和快速响应分量。 4 ) 光检测器的暗电流 光检测器的另一个重要参数是它的暗电流，暗电流是指无光照时光电二极管的反向电 流。s i 材料制作的p i - np d 的暗电流可小于1 i a ，但使用g e 材料制作的光电二极管的暗电 流经常达到几百n a 。光检测器暗电流的具体特性将在下面的噪声分析中介绍。 5 ) 光检测器的噪声特性 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，所以必须减小光检测器的噪声，以提高接收机的灵敏度【9 】o 光检测器在无内部增益 东南大学硕士学位论文 时，其主要噪声是量子噪声、光电二极管材料引起的暗电流噪声和表面漏电流噪声。 量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有泊松 分布随机过程的特性。在带宽b 内，量子噪声均方根电流与光电流的平均值成正比，即： & ( 厂) = 2 嘛m 2 f ( m ) ( 2 7 ) 其中风鸩是噪声系数，和雪崩过程的随机特性有关，它的取值取决于材料。对于p i - n p d ，风哟与m 等于1 。 光电二级管的暗电流值是无光照时流过检测器偏置的电流，相当于体暗电流和表面暗电 流之和。体暗电流f d 来自于p n 结区热运动产生的电子和( 或) 空穴。其噪声谱密度如式( 2 8 ) ： ) = 2 如m 2 f ( m ) ( 2 8 ) 其中南是初级光检测器体暗电流。 表面暗电流也称为表面漏电流。它由表面缺陷、清洁度、偏置电压大小和表面积大小等 素决定。表明漏电流的噪声谱密度为： 品s ( 门= 2 叽 ( 2 9 ) 其中屯为表面漏电流。 通过比较s i 、g e 、g a a s 等不同材料的光电二级管的典型暗电流值，可以发现在相同归 化偏置条件下，硅材料具有较小的暗电流密度f l l j 。表面暗电流与有源区的面积的平方根 正比，而体暗电流则与有源区面积成正比。由于暗电流与信号电流不相关，所以光检测器 总均方噪声电流为： ( 门= & ( ) + ( 门+ 品s ( 厂) = 2 9 ( + 乇) m 2 f ( m ) + 2 吼 ( 2 1 0 ) 综上所述，对于一个工作在高速率的光电二极管，有下列要求： ( 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、线性度好及频带宽，使信号失真尽量小。 ( 3 ) 对温度变化不敏感。 ( 4 ) 可靠性高、寿命长，尺寸与光纤直径相匹配，工作电压低。 ( 5 ) 本身所附加的噪声尽可能小。 l o 第2 章光接收机前端电路分析 2 3 前置放大器 2 3 1 前置放大器概述 前置放大器是位于光接收机最前端的放大器，作为光接收机的一个关键部分，其性能在 很大程度上决定了光接收机乃至整个光纤传输系统的性能。前置放大器的作用是将光检测器 输出的微弱电流脉冲信号转换成一定的电压脉冲信号。由于注入光检测器的光信号本身很微 弱，使得其输出电流信号也很微弱，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身会引入较 大噪声，后一级放大器对前一级放大器输出的信号和引入的噪声同时进行放大，信噪比不会 得到改善。如果不考虑来自光检测器的量子噪声和其他因素的影响，光接收机的灵敏度就是 由前置放大器决定的，因此前置放大器的设计目标就是在给定的数据传输速率或带宽下，获 得低噪声、高灵敏度以及高增益。 通常在设计一个前置放大器的过程中，要重点考虑一下几个方面的问题： ( 1 ) 前置放大器的频带宽度应该适当。光接收机的工作速度决定着前置放大器的工作 带宽，为了工作在所需求的比特率上，前置放大器的带宽应当满足输入信号速率的要求；但 ? 前置放大器的带宽也不是越宽越好，应该与信号速率相匹配，过宽的频带会引入额外的噪声， 反而会引起光接收机噪声性能的恶化。例如：l o g b s 的n i 泫伪随机序列做傅里叶变换后， 主 得到的归一化功率谱密度中大部分的能量都集中在d c 到7 8 g h z 之间。因此通常取o 8 倍 ，爱 盼信号速率作为光接收机前端的带宽。 ( 2 ) 对于不同的光纤通信系统，由于不同型号光纤的衰减、不同的传输距离和不同的 发射光功率等，接收端接收到的光功率变化很大【1 2 】。接收到的光功率大到一定程度时，前 置放大器的输出电压出现脉宽失调，造成误码率升高。因此前置放大器必须有足够大的动态 范围，避免接收到大的光信号时，输出波形失真。 ； ( 3 ) 前置放大器输入阻抗足够的小，以避免由于光检测器寄生电容对带