（电路与系统专业论文）15gbs+cmos单片集成并行传输光接收前端放大器设计.pdf

摘要 摘要 现代光通信技术已经成为人类社会步入信息时代的重要标志。采用甚短距离传输( v s r ) 技术可以用 相对低廉的并行光传输技术来取代昂贵的串行光传输技术，使网络服务商可以在大幅降低成本的同时有效 地解决客户在接入点内部传送标准速率的需求。 本课题的主要任务是设计适用于v s r 4 1 0 系统的1 5 g b sc m o s 单片集成并行传输光接收前端放大器 阵列，即设计1 2 路并行传输的光接收前端放大器，每路的速率需要满足1 2 5 g b s 的要求。电路设计采用 了t s m c0 1 8 岬c m o s 工艺。该电路与1 2 路并行光检测器( p d ) 阵列集成在同一块芯片中。 光接收机前端放大电路主要由两个关键电路构成：前置放大器和主放大器。前置放火器把光检测器探 测的光电流放大，获得电压信号。在本项目研究中，共源极的跨阻前置放大器被用做前置放大器的最终电 路实现结构。由于前置放大器的噪声特性非常重要，本文将在原理上给出其等效输入噪声电流谱密度的计 算方法，弗通过仿真软件来验证推导的结果。主放大器把前置放大器的输出信号放大到数字逻辑电平，并 且保持数字电平的恒定，以实现限幅的功能。本文中的主放大器采用了限幅放大器的形式，其宽带放火单 元使用了经过改进的c h e r r y h o o p e r 结构以获得足够的增益带宽积。 版图设计是电路原理图的物理实现，本文详细阐述了高速芯片版图设计的特点和技巧。利用t s m c o 1 8 9 mc m o s 工艺所带有的深n 阱和保护环隔离技术，我们能在物理版图上实现1 2 路并行放大器的良好 隔离。我们分别设计了单路和1 2 路光接收前端放大器芯片。芯片完成制造后，我们对这两块芯片进行测 试，得到了较好的结果。 论文由八章组成，包括系统介绍、光接收机介绍、电路设计、版图设计和芯片测试，详细介绍了电路 的设计方法和芯片的测试结果。 【关键字】v s r 4 1 0 o 18 9 mc m o s 工艺光接收机跨阻前置放大器 限幅放大器 a b s w a c t a b s t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sam a r ko fh u m a nw o r l ds t e p p i n gi n t oi n f o r m a t i o ns o c i e t y , u s i n gv s rf v e r ys h o r t r a n g e ) t e c h n o l o g yc a r lr e p l a c ee x p e n s i v es e r i a lo p t i c a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw i t hl o w - c o s tp a r a l l e lt e c h n o l o g y n o v s rt e c h n o l o g ya t t r a c t sal o to f o p e r a t o r s ，i ti si n t e r n a t i o n a l l ys t a n d a r d i z e d t h eo b j e c to ft h i sp r o j e c ti st od e s i g nat 5g b sc m o sm o n o l i t h i cp a r a l l e lf r o n t “e n da m p l i f i e rf o ro p t i c a l r e c e i v e r t h e r ea r e1 2p a r a l l e la m p l i f i e rc i r c u i t sw o r k i n gf o rt h es y s t e m ；e a c hc i r c u i tm u s tw o r ko nt h ei n p u tb i t r a t eo f1 2 5g b s t h ec i r c u i ti sf a b r i c a t e dw i t ht s m c0 1 8g mc m o st e c h n o l o g y t h i sc i r c u i ti si n t e g r a t e dw i t h 1 2p a r a l l e lp h o t od e t e c t o r sa r r a yi nt h es a m ei c t h ef 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 ri sm a d eu po ft w oi m p o r t a n tc i r c u i t s ：p r e a m p l i f i e ra n dm a i n a m p l i f i e r p r e a m p l i f i e ri se m p l o y e df o ra m p l i f y i n go p t o e l e c t r o n i cc u r r e n ti m p u l s es e n s e db yp h o t od e t e c t o r si n t o c e r t a i na m p l i t u d eo fv o l t a g es i g n a l i nt h i sp r o j e c t , ac o m m o n - s o u r c et r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( t i a ) i s i n t r o d u c e da sp r e a r n p l i t i e r w ew i l lp e r f o r mn o i s ea n a l y s i so ft i ai nt h i s p a p e r ，a n da n a l y s i sr e s u l t sw i l lb e v e r i f i e di ns i m u l a t i o n m a i l la m p l i f i e ri su s e df o ra m p l i f y i n gt h eo u t p u ts i g n a lo f p r e a m p l i f i e ri n t od i g i t a lv o l t a g e l e v e l t h el i m i t i n ga m p l i f i e ri s a d o p t e da st h em a i na m p l i f i e r t h eb r o a d b a n du n i t so fl i m i t i n ga m p l i f i e ra r e i m p l e m e n t e di ni m p r o v e dc h e r r y h o o p e rs t r u c t u r e ，w h i c hc a na c q u i r eh i g hg a i n - b a n d w i d t hp r o d u c t l a y o u ti st h ep h y s i c a la c c o m p l i s h m e n to fc i r c u i td i a g r a m t h eh i g h - s p e e dc m o sl a y o u td e s i g nt e c h n i q u ei s d e p i c t e di nd e v i l w i t hd e e pn - w e l li s o l a t i o na n dg u a r d r i n gp r o t e c t i o nr e a l i z e di nt s m c0 18 , a mc m o s p r o c e s s ，w ec a na c q u i r eg o o di s o l a t i o nf o rp a r a l l e lc h a n n e l si no n ec h i p ，r e d u c i n gt h ec r o s st a l ko fe a c hc h a n n e l s a tt h es a m et i m e w eh a v ed e s i g n e dt h e l a y o u to fas i n g l e c h a n n e la m p l i f i e ra n d1 2 c h a n n e l sa r r a ya f t e r f a b r i c a t i o n ，w et e s t e dt w oc h i p sa n do b t a i ng o o dr e s u l t s 。 i nt h i sp a p e gw ef i r s t l yi n t r o d u c et h ek n o w l e d g ea b o u ts y s t e ma n do p t i c a lr e c e i v e r ；s u b s e q u e n t l yw ed e s c r i b e t h ed e s i g np r o c e d u r e sa n dt e s tr e s u l t so ft h e s ec i r c u i t s t h em e a s u r er e s u l t so ft h ec h i p s e tv a l i d a t eo u rd a s i 2 n s p e c i f i c a t i o n k e y w o r d v s r 4 - 1 0 ，0 1 8 9 mc m o sp r o c e s s ，o p t i c a lr e c e i v e r , t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( t i a ) ，l i m i t i n g a m p l i f i e r i i i 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： 缉趁垒曰期：丝岁2 矿 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：墓鱼导师签名：研究生签名：盈丝导师签名：日 期：土。衫，? 、谚 第一章概述 1 1 研究背景及意义 1 1 1 光纤通信介绍 第一章概述 随着社会的发展，信息交换量与日俱增。从电磁波理论上来说，增加载波的频率，就增加了可以使用 的频带宽度，增加了传输信息的容量。光实质上是频率极高的电磁波( 3 x 1 0 1 4h z 以上) 。因此，用光作载 波进行通信，容量极大，是现有通信方式的万倍以上，在现有的各种通信手段中，光通信是最有发展前途 的通信方式之一【1 五】。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的一种先进通信手段。光 纤通信具有以下优点：( 1 ) 频带极宽，通信容量大：( 2 ) 光纤传输过程造成的损耗很小，通过中继，可以 用于长途传输；( 3 ) 光纤体积小，重量轻，可绕性强；( 4 ) 输入、输出之间电隔离，能抗电磁干扰，防雷 击；( 5 ) 安全可靠，保密性强；( 6 ) 节省能源；( 7 ) 资源丰富。由于以上突出的优点，光纤通信发展迅猛， 不仅被认为是影响2 1 世纪经济发展的重要技术，而且现代光通信技术已成为人类进入信息社会的基石1 3 1 。 近年来，随着电信网，计算机网络，英特网的迅猛发展，多媒体通信的广泛应用，数据业务高速扩展， 现有通信系统的容量显得极为缺乏，光纤通信由于其具有极高的通信容量，成为一个有效的解决方案。同 时，随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩大，光纤传输不仅在高速率长距离干线网上得 到广泛的应用，而且在用户接入网以及高速短距离通信上的应用也逐年扩大。1 9 9 3 年9 月，美国副总统戈 尔和商业部长荣布朗正式宣布了国家信息基础设施( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，简称n 1 1 ) 计划，人 们将其通俗地称为“信息高速公路”计划。从此，发展信息高速公路成为美国联邦政府的一项国策。信息高 速公路的大规模建设，对高速度的通信系统的需求越来越高。为了满足这一需求，高速光纤通信干线系统 已经得到，1 + 泛应用，光缆遍布全球，6 2 2 m b s 、2 5 g b s 、1 0 g b s 甚至4 0 g b s 超高速光纤通信系统已经投入 使用。现在世界各国都投入了极大的人力和物力来研制更高速率的光纤通信系统。光纤通信产业方兴术艾， 其旺盛的生命力令人振奋。 1 1 2 光纤通信的发展历史 光导纤维是现代通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信技术是信息社会的支柱，在短短的三十j l 年 中获得了迅速的发展。光纤传输几乎已成为所有宽带通信系统的最佳技术选择。早在1 9 6 6 年，英籍华人高 锟指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。在高锟早期的实验 中，光纤的损耗约为3 0 0 0 d b k m ，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由丁材料中的 杂质离子吸收产生的。他的预见很快就变成了现实，1 9 7 0 年光纤研制取得了重大突破，美国康。弘公司生产 出2 0 d b k m 的石英光纤。到了8 0 年代初，单模光纤在波长1 5 5 0 n m 的损耗己降- n o 2 d b k m ，接近了石英光纤 的理论损耗极限。1 9 7 9 年，美国a t & t 公司和日本n t t 公司又成功研制了长波长连续振荡半导体激光器。 低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的发明是光纤通信发展的重要里程碑。 光纤通信自二十世纪七十年代以后，每隔几年，技术就上升到一个新台阶，光传输容鼙儿乎每年翻一 番。光纤通信系统从多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到l j = = 波 长系统，大致经历了三代：上世纪7 0 年代，第一代光纤通信系统是使用渐变多模光纤的短波一长8 5 0 n m 系统， 1 东南大学硕士学位论文 光源采用发光二极管l e d ，速率为3 4 m b s 或4 5 m b s ，无中继传输，传输距离仅为1 0 2 0k m ；上世纪8 0 年 代，第二代光纤系统采用单模光纤1 3 0 0 h m 系统，工作波长已由短波长发展到长波长( t 3 l o n r n ，1 5 5 0 n m ) ， 光源使用多模激光器，传输速率已提高到1 4 0 5 6 5 m b s ，无中继传输距离已增加到1 0 0 1 5 0 k m ；上干| j = 纪9 0 年代以来，第三代光纤通信系统使用1 5 5 0 n m 单模光纤，光源采用单频d f b 激光器, , - t n j , b 调制技术，单信道传 输速率可达到2 5 g b s 并t 1 1 0 g b s 以上，采用色散补偿技术无中继传输距离已达到几百公里。未来光通信技术 将以发展密集波分复用( d w d m ) 与掺铒光纤放大器( e d f a ) 相结合的第四代光纤通信系统和以出i 虹 为载体的第五代光纤通信系统为方向。 2 0 世纪9 0 年代以前，光通信网络主要采用点对点传输，传输体制最初采用准同步数字体系( p d h ) ， 自9 0 年代初逐渐被同步数字体系( s d h ) 代替，s d h 是基于网络的传输体制。采用s d h 的光纤通讯网义 称为同步光网络( s o n e t ) ，同步光网络是第二代网络，可以称为混合光电网络，其传输在光域实现，但 在网络节点处信息的交换，数据流的分出和插入都必须在电域完成。其性能受到电子器件处理处理速率的 制约，这就是所谓“电子瓶颈”问题。第三代光通信网络必将是全光网络，信号在进出网络才进行电光，光 电变换，而在网络传输和交换过程中始终以“光”的形式存在【4 】。 1 1 3 国内光纤通信的发展 7 0 年代初，我国已经开展了光纤通信的研究，因此我国的光纤通信技术与发达国家相比，差距不火。 我国幅员辽阔，对光纤通信系统的需求十分巨大，全国光纤通信网的大规模建设将持续十至二十年的时间。 2 5 g b s 速率的高速干线系统的建设将持续发展，并逐渐成为我国干线通信的主流，1 0 g 、4 0 g b s 的超高速 干线系统也将得到推广，所以对这些系统所采用的高速集成电路的需求十分巨大，但是这些系统的核心收 发模块集成电路目前几乎全都从国外直接购买，因此，开发具有自己知识产权、用于光纤传输的高速集成 电路对我国信息高速公路的建设具有重大意义。 1 1 4 项目介绍 本项目是在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题任务的扩展。该项目的预期目标是研制出多信 道高速率硅基光检测器与单片集成接收电路阵列芯片；本次研究将单个信道速率扩展到1 2 5g b s ，并满足 o i fv s r 4 1 0 标准。该项目由我所与中科院半导体所共同负责，中科院半导体所负责并行光检测器阵列的研 制，我所负责并行光接收前端放大电路的研制。项目对光接收前端放大器有以+ 卜技术要求：( 1 ) 单信道的 灵敏度为一11 d b m ( 1 0 q 2 误码率) ；( 2 ) 工作速率为1 2x1 2 5 g b s ；( 3 ) 电源电压为1 8 v ：( 4 ) 单端输入， 双端输出，输出电平满足l v d s 标准：( 5 ) 光检测器寄生电容值为1 5 p f ，光检测器输出电流最小值为1 0 心。 通过对本项目的研究，发展了一套针对并行光通信集成电路的设计方法，也为进一步设计适应多种并行通 信方案的集成电路奠定了基础。 1 2 甚短距离( v s r ) 光传输技术【5 】 甚短距离传输技术是美国( ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 杂志2 0 0 0 年评选出的当年电信领域十大热门技术之 一。所谓甚短距离是指在电信局内最大连接长度不超过6 0 0 米( 一般不超过3 0 0 米) 的范围。在这一通信 距离内，所采用的光连接技术和电接口规范同传统的骨干网传输技术有很大的不同，是光通信技术发展的 2 第一章概述 一个全新领域。在构建下一代高速、大容量全光通信网络中，由于光接口器件在网络系统中的应用数量巨 大，甚短距离传输技术以其价格低和性能稳定的优势，吸引了众多光电予和网络设备制造商的注意，逐渐 娥为国际逶用的标准技术，是全光网的一个重要组成部分。 1 2 1v s r 技术在网络体系中的作用 在光互连的网络载体中使用到大量的网络组件，这些系统跨越了国际标准化组织( o s i ) 通信协议架 构的多个屡。这些飚络载体包括i p 路由嚣( r o u t e r ) ，多协议标签交换( m p l s ) ，异步传输模式) 以 及帧中继延迟开关和光交叉连接设备( o x c ) 和传输平台比如波分复用系统( w d m ) 。如豳1 1 所示，整 个网络体系是由无数个开关和路由器集台而成的，这些开关和路由器与d w d m 系统和光交叉连接系统相 接。因为大多数设备都集中在潮一个建筑肉，网络孛链路的距离都在3 0 0 米以内。现有的同步光稠络系统 是按长距离骨干网传输设计的，采用的是比较昂贵的串行光发射和光接收设备。y 甚短距离并行光传输系统 仍采蔫s o n e t 犊接口，并用檩对低廉魏并孝亍光抟簸技术来取代昂贵的串幸亍技术，使掰络服务齑可以在大 幅降低成本的同时，有效地解决客户在接入点内部传送o c 1 9 2 ( 1 0 g b s ) 标准速率的需求。从图11 中不难 赣出v s r 在网络体系中的位置p j 。 1 2 2 v s r 标准 圈1 1 典型的网络汇接点系统 2 0 0 0 年末到2 0 0 1 年初，光纤通信的标准化组织光互连论坛( ( o i f ，o p t i c a li n t e r n e t w o r k i n gf o r u m ) 相 继通过4 种可行的v s r 协议：v s r 4 1 ，0 、v s r 4 2 0 、v s r 4 3 0 和v s r 4 ，40 。其中v s r 4 10 、v s r 4 3 0 分别用1 2 路并行传输和4 路并行传输，单路传输速率分别为1 2 5g b s 和2 5g b s ；v s r 4 。2 0 、v s r 4 4 0 为单信遴l og b s 豹枣行方案。2 0 0 2 年九月，o i f 制订了v s r 5 标准，面囱s t m 。2 5 6 o c 7 6 8 的甚短距离 传输。由于v s r 协议中单个信道电路内部速率都不大于1 0 g b s ，所以用标准c m o si ：艺完全可以实现。 v s r 4 标准匏推出降低了短距离内光互连的成本，减小所用元器件的体积，并且能够与没禳黔电接口蒹彝， 进而可以把发射和接收模块蜀于设备内郝，相当于为设备增加了v s r 的光接口。在2 台具有v s r 光接口 的设备之间，只需要用具有标准插头的光缆就可以方便的实现互连u 】。下面我们以v s r 4 。1 0 规范为例【7 8 】， 奔绍v s r 系统的原理霹结构。 东南大学硕士学位论文 1 2 3v s r 4 1 0 系统 v s r 4 1 0 系统采用并行光传输技术，1 2 路8 5 0 n m 的垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 阵列作为光源， 在每个传输方向上采用1 2 芯多模光纤带，每路光纤中的信号传输速率达到1 2 5 g b s ，传输距离超过3 0 0 米。图1 2 所示为v s r 4 。1 0 双向接口的功能模块图。每个接口由三个主要的组件构成：转换器集成电路 ( c o n v e r ti c ) ，用来完成信号的串并行转换：发射模块由1 x 1 2 的激光器阵列组成，实现1 2 1 2 5g b s 的 电信号一光信号转换和光输出；接收模块由1 1 2 的光检测器阵列和光电接口阵列组成，完成光信号的接 收并还原成初始的电信号。发射模块和接收模块通过带状光纤相连接，接口部位采用m t p m p o 型连接 器。为了能够清楚的描述信号在整个系统中的转换和传输过程，我们对这几个主要组件的工作原理分别进 行描述。 带状光纤 图1 2v s r 4 - 1 0 双向接口 转换器集成电路( c o n v e r ti c ) ：转换器的输入接口是1 0 g b s 低压差分信号( l v d s ) 接口。转换之前 的数据总线带宽为6 2 2 m h z ，1 6 b i t 码，先按照0 7 位、8 1 5 位对其进行分解，分解后的8 b i t 单位字：何 置于缓冲器内；下一步进行8 b i t 1 0 b i t 的编码，附加的冗余编码组合可以用来增加数据中的高低电平变换( 即 “1 ”o ”变换) ，帮助实现转换前后的时钟同步，此外还能有助于实现直流平衡；编码之后是并行到串行的 转换。数据串行化后的速率设定为1 2 4 4g b s 4 - 2 0p p m ，共有1 2 路这样的信号。其中信道1 1 0 用作传输 数据信道。为了充分的利用余下的两个信道，同时也为了完善整个系统的功能，用信道1 1 检测各数据信 道的传输状态，信道1 2 校验传输信息的准确性。这两个信道实际上起到了对系统自动保护的作用。经过 上述一系列的信号处理过程之后，输出的帧信号送到发射模块输入端，然后再转换为光信号传输，从而完 成了整个电信号到光信号的转换过程惮j 。 光发射模块主要由l v d s 电平输入装置( 也可以是其它形式的差分信号) 、v c s e l 阵列、驱动电路和 控制电路组成，由转换器芯片端输入的电信号先经过l v d s 电平转换，得到的差分信号传送到驱动电路部 分用来驱动v c s e l 发光，然后光发射模块将1 2 路光信号射入由1 2 根光纤绢成的带状光纤中，从而完成 整个光发射的功能。v c s e l 是一种新型半导体激光器，它与侧向出光的边发射激光器在结构上有着很人 的不同，其输出光垂直于衬底。从工作原理看，v c s e l 与普通激光器没有什么不同，只是将谐振腔旋转 9 0 度后产生的一种完全不同的激光器。其主要特点是采用了圆形窄波束、耦合效率高、电光转换效率高、 不需要温控、功耗小、设计简单、尺寸小、可以大量集成，因此可以用来制造出低成本、高速率的发射机。 光接收模块的主要组成包括光检测器阵列、前置放大器阵列、主放大器阵列、信号检测电路以及l v d s 信号输出设备。光接收模块的工作流程与光发射模块相反，光信号从光纤阵列传输至光接收模块，经耦合 器入射到光检测器阵列的光敏面上。通过光检测器阵列的识别和提取，转换成随时间变化的电信号，然后 再通过前置放大器和主放大器将微弱的电信号进行放大，最后转换成l v d s 电平输出。 4 第一章概逮 1 2 4v s r 技术的_ 陂用 v s r 技寒可鞋终s d h 技米g i 入到接入网乃至朋户本她耀领域，使s d h 的接口更加靠近耀户。并发 这种技术的目的是为了取代昂贵的串行传输技术，采用经济的光并行传输技术在短距离通信上具有广阔 的市场前景。v s r 技术的关键是它采用了v c s e l p j 。正因为采用了这种激光器，才能用c m o s 丁芑将其 与窜并行转换器共靖集成在一起，大大降低了成本。通过采用这静蔫惶价眈的互联方案，生产厂家能够 设计更多的可持续升级的网络体系，为今后的4 0 g b s 甚至氍高速率的局间互连奠定基础。 从c i s c o 公司2 0 0 0 年底发布第一个产晶，在不过3 年的时间里，v s r 技术已经成为现在通信领域的 一个热门技术。由于这一技术主要面向实际市场应用，因j 毙在国际标准公布的同时，相关产品缀映推出。 例如e m c o r e 公司2 0 0 2 年的v s rt r a n s p o n d e r 产品m t r 8 5 0 0 9 5 0 0 ，符合o i f 的v s r 4 i 0 ，体积只有 5 6 m m x 8 2 m m x l 3 ，5 r a m 。c o r e o p t i c 2 0 0 2 年的v s r 2 0 0 0 3 r 2 3 5 产品，符合1 t u t 豹v s r 2 0 0 0 标准，速率 为4 0 g b n ，串行传输。目前国内v s r 的研究也在积极的展开，相信在不久的将米，国内将开发出具有自 主知识产权的v s r 产品，必将进一步推动v s r 技术在中国的应用和莆及。 1 3 光通信系统结构 一个完整的光纤通信系统由电端机、光发射机、光纤、中继器和光接收机组成，其原理图如图1 3 所 示。图中，电端机的作用是对来自信源的信号进行处理，如数模转换及数字信号处理以及分接和复接等作 用。光发射机端内膏光源秘调帝器，常见的光源宥激光二级管和v c s e l ，它靠j 把电信号转交为光信号， 调制后的光信号通过光纤传输至接收端。光接收机包括光检测器，前嚣放大器和主放大器。光检测器把来 爨光纾於光信号还骠戏电信号，然后经j 过裁置放大器和主教大器放大，整形，再经过数据恢复电路再生戒 数据，最厝信号被输入到电端机。在光纤通信系统中，信号会经历衰减和畸变，需要有中继器对传输的光 信号再生。以保证良好的通信赝量p j 。 1 4 论文组织 闰1 3 光纤通信系统原理框图 本文将对适用于v s r 4 1 。0 甚短距离光纤转输琴统的单片集或光接收机蘸螺数大电路进行研究。单片 集成光接收机前端放大电路主要由前置放大器和主放大器这两部分电路构成，本文将着重对这两个放大器 的原理以及设计方法作详细介绍。 第二章讨论了光接收机的结构及其主要指标，并介绍了光检测器的基本原理以及本项目所使用盼光检 测器，阐述了光接收机的灵敏度与电路内部噪声的关系以及光接收机灵敏度的简单计算方法。 第三章分绍了革片集成嚷路的设计方法及光接收蘸端放大器设计工艺舱选择。 第四章详细介绍了前置放大器的功能、类型和性能指标，并讨论了几种常用的跨阻前筮放火器，分别 分析了它们的电路缝搀，噪声性能和适阚范围。最后通过比较，选择本项目所使阍的前置放大器，岁 ：对此 5 嚣 q 黼 + 圆 嚣 东南太学硕士学位论文 孜大器的各种指标尤其是噪声性能进行了推算和仿真。 第五章介绍了几种主放大器的实现方法，并选撵其中的限幅放大器作为本次设计的主救大器。随后， 对限幅放大器的特性和宽带放大技术进行了叙述+ 并砖本顼羹所使臻豹鞭据放大嚣豹再秘攒标进行分 嚣， 持给出了仿真结果。本章还给出了前端放大电路( 由前置放大器与限幅放大器构成) 的仿真结果。 第六章阐述了单路救大器和多路放大器薄列的版图设计。并详细介绍了高速芯片版图设计的要点录i 多 珞放大器的隔离方法。 第七章给出己设计的光接收前端放大器芯片的测试结果。 第，t 章将对设计送季亍总结。 6 第二章光接牧槐及其蛙能分蚜 2 1 光接收机介绍 2 ，1 ，1 光接收机系统结构 第二章光接收机及其一陡能分析 副刭骖手| | 匡 1 网| 冈1 2 1 2 光接收机工作原理 光纾邋信是一种典型的数字信号传输方式，所以分析光接收机的链路，我们可以使州数字传输链路豹 分析方法。光纤数字传输信号在持续时间瓦时隙内传送o 和“1 ”信号，一个持续时间称为一个比特 周期。发射机的功能是把电信号转换为光信号；而接收机的功能与其相反，是把光信号转换为电信号。与 发射钒不网的是，光接收帆接收到的光信号经过长距离光纤传输后，光信号发生了衰减和失真。光梭测器 的作用是把接收到的光信号转换为电流，对光检测器的基本要求是高光电转换效率，低附加噪声。在经历 了光纤衰减后，信号到达接收端时已经穰微弱，光检测器产生的光电流也非常微弱( h a 级) ，需要聚_ i = j 一 个低噪声、高增益的煞置放大器对信号进行放大。前置放大器是数字先接收机的关键部分，它应该与光检 测器有最佳的匹配，阻得到尽可能大的输出信噪比，同时具有将电流信号转换成电压的能力。由于前置 放大器的输出电压大约为几至几十毫伏，而后续时钟恢复及数据判决电路的理想输入电压的范围大约为几 吾毫伏至熹几茯，中闻就需要有一个4 0 5 0 d b 增益豹主教大器，英侄务是把前端输出| 孽信号教人副后面 信号处理电路所需的电平。经主放大器放大后的数据信号需要被重新定时，并进行幅度判决，实现数据的 再生，再经分接器降低数据比特速率，供后续信号处理电路使用。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 3 光接收机指标 评判数字通信系统最有意义的指标是平均误码率。在模拟系统中，保真度的标准通常使用信号峰值一 均方根噪声比来衡量。数字光通信接收机的误码率计算不同于传统的电子系统，这是因为光信号的离散量 子特性以及其它各种统计特性。通过分析，误码的起因可以进一步归于码问串扰( i s i ) ，它是由光纤中脉 冲展宽引起的。在光脉冲沿光纤传输过程中，光纤的色散会导致脉冲展宽，从而一个光脉冲的能量进入了 另一个时隙的光脉冲，形成相邻信号的串扰。许多学者 1 2 - 1 3 1 用数值方法来推导接收机的性能。在推导过群 中，需要对分析的简单性和近似的准确性进行很好的折中。 如前所述，光接收机相比光发射机而言，有着更大的复杂性。它的技术指标是整个数字光纤通信系统 技术指标的综合体现。我们在设计光接收机的时候往往需要考虑以下几个因素：灵敏度、噪声性能、动态 范围、响应时间、消光比、增益及带宽【l 剞。其中，光接收机的灵敏度和噪声性能是密切相关的。 光信号传送经过光纤通路，不可避免的产生一定量的衰减和失真，同时受到各种噪声的干扰，这样就 会造成光接收机的解调失误。由于光检测器所检测的光功率信号非常小，同时产生的电信号在经过前端放 大电路放大后又受到内部附加噪声的影响，从而导致一定程度的信号恶化。所以，能够检测的光信号有一 个最小门限，被称之为光接收机的灵敏度。接收机灵敏度的定义是在指定误码率下，接收机能正常j f ：作所 需要的最小平均光功率，一般以d b m 为单位。影响光接收机灵敏度的主要因素是接收机的内部随机噪声。 光检测器检测信号，放大器放大信号，会受到形形色色的干扰。其中，来自自然环境或空间的无线电波及 周围的电气设备所产生的电磁干扰，可以通过屏蔽等方式加以减弱或防止。但是，来自电路的内部噪声是 无法去除的。如果接收信号太微弱，往往会被电路噪声所淹没，整个光接收机便无法正常1 ：作。关于光接 收机的灵敏度和电路噪声的关系将在下面几节继续讨论。 接收机的动态范围是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，它决定了系统配置的灵活性和方便性。若具有较大的动态范围，光接收机就可以用于不同工作 状态的中继器中。接收机输入端最小允许的光功率由接收机的灵敏度决定。随着输入光功率的增加，输入 信噪比提高，接收机的误码率会降低。这种情况会一直持续下去直至电路发生饱和过载的现象，这时由于 码间干扰使输出波形变坏，误码率增加。接收机最大允许输入光功率定义为放大器输出波形开始变坏时的 功率值( 线性工作区的结束) 。对不同的输入信号功率，通过使用自动增益控制电路，来调：常接收机的增 益，可以增大接收机的动态范围。 响应时间是指对于接收机从空闲状态到接收突发输入数据后的稳定状态所需的b , - j - n ，这在点到点连接 和局域网中应用较为广泛，这里我们希望接收机能够对突发的输入数据有快速的响应，使输入码流前的序 列尽可能的短，从而提高传输效率。 半导体激光器在发射“0 ”脉冲时仍会有一些光功率被发射出来。我们称发射“1 ”脉冲时的光功率与 “0 ”脉冲的光功率之比为消光比。 名2 毒 亿， 假设数据序y , j q u “1 ”脉冲和“0 ”脉冲概率相同，则最小接收功率尸。可以表示为m 】： = 警= ( 嘉卜 眨2 ， v s r 4 - 1 0 规定v c s e l 发射的光信号非零消光比为6 d b ，即约为4 倍【7 1 。此外，功耗、增益、小作带 第二章光接收机及其性能分析 宽都是设计光接收机需要考虑的重要指标。 2 2 光检测器 由于光接收机的灵敏度与光检测器的噪声是密不可分的，所以在阐述光前端接收电路的设计前，必须 介绍光检测器的基本情况和噪声特性。光检测器的作用是把接收到的光功率信号转换成电流信号。由于光 纤传输会带来相当大的损耗，所以对光检测器的性能要求比较高。 2 2 1 光检测器工作原理【1 5 】 p d 是一个工作在反向偏压下的p n 二极管，它的工作原理可以用光电效应来解释：当p n 结上加有反 向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里的方向相同，外电场使势垒加强，p n 结的能带如图2 2 所示。 由于光电二极管加有反向电压，因此在空间电荷区里载流子基本上耗尽了，这个区域称为耗尽区。当光束 入射到p n 结上且光子能量大于半导体材料的带隙能量时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结 果产生一个自由的电子。空穴对，称为光生载流子。如果光生的电子空穴对在耗尽区里产生，那么在电场 的作用下，电子将向n 区漂移，而空穴将向p 区漂移，从而形成光生电流。通常光电二级管设计使大部分 的入射光在耗尽区吸收，大部分载流子也在此区域产生。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化， 从而把光信号转换成电流信号。然而当入射光子能量小于半导体的禁区宽度时，不论入射光多强，光电效 应也不会发生。 2 2 2 光检测器分类 图2 2 光电二极管能带图 光纤通信中最常用的光检测器是p 。i n 光电二极管( p d ) 和雪崩光电二极管( a p d ) 以及金属一半导 体一金属( m s m ) 光电二级管【1 0 】。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。 光电二级管的性能由注入光转化为电子流的效率和响应速度决定。为了获得高性能，光电二级管的结 区由本征材料构成。这样可以增加转化效率和带宽。同时，高反向电压在结区上产生的高电场，有利丁提 高光电二级管的工作速度。 在长距离传输中，p i n 光电二极管最为常用。它具有频带宽、噪声系数小、可靠性高、与低电压放 大器电路相容、使用条件相对简单的特点。同时，由于其无增益，所以p i n 光电二极管的效率小于1 。 9 东南大学硕士学位论文 雪崩光电二极管在p 和n 层掺杂很高，当接收光照后，转换的电子一空穴对以极高的速度与晶格碰撞， 产生更多的电子一空穴对，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。 m s m 光电二极管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 m 二极管给光通信系统的单片光电集成电路接收机的实现带来了光明的前景。 在叉指式背靠背s c h o t t k y 接触结构基础上，m s m p d 具有较低的暗电流和寄生电容，有利r 低噪声和高速 率的应用【1 1 】。 为了更好地将光检测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 3 所示。其中五是光检测器的输出电流，电流强度为心数量级；c s 是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，即在一定范围内，c s 的变化不影响前置放大器的性能。根据其封装和连形式不同而不同，光检 测器的寄生电容从o 1 p f 至几个p f 不等。厶c ，r 1 ，勉是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【1 6 】 2 2 3 1p d 的波长响应 t 。扣 3 三i s 占 图2 3 光检测器的等效电路 当电载流子在材料中流动时，一些电子一空穴对会重新复合而消失，此时电子和空穴的平均流动的距 离分别为三。和三。，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载流子寿命，分别标记为 和邱。当用d 。和砩表示电子空穴的扩散系数，可以用式( 2 3 ) 标识： l ，= q d o n l p2x d p r p 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的p d ，都有上限截止波长，定义为： 以= h c 乓= 1 2 4 ( p y ) ( 2 4 ) 式中& 为半导体材料的带隙能量，h 是普朗克常量，约为6 6 3 1 0 。4 ，c 是真空中光速。对于s i 材料，截 止波长为1 0 6 1 t m 1 6 】。 2 2 3 2p d 的光电转换效率 假设材料的吸收系数为0 l ，耗尽区宽度为w ，则在距离w 内吸收的功率为： 尸( w ) = p o ( 1 一e ”) 假设光检测器的表面反射系数为风，则从式( 2 5 ) 可以得到初级光电流厶 l o ( 2 5 ) 第二章光接收机及其性能分析 l = 吾vp o ( 1 _ e - d w ) 0 一墨) ( 2 6 ) 工程上常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。p d 的量子效率表示入射光子能够转换成电子一空穴 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。量子效率和响应度的公式见式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) ： ( 27 ) ( 2 ，8 ) 实际p i n 光电二级管的量子效率只有3 0 9 0 ，而响应度也小于1 a 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。 2 2 ，3 3p d 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【l7 1 ： ( i ) 耗尽层的光载流子渡越时间。 ( 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r c 常数。 其中，载流子渡越耗尽层的时间是最主要的决定因素。它是载流子飘逸速度v d 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 9 i n ，极限响应时间为0 1 n 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。快速分量取决于耗尽 层产生的载流子；慢速分量取决于非耗尽层产生的载流子扩散，会对光脉冲的响应产生一个很慢的延迟拖 尾，从而影响光检测器的工作速率。 2 ，2 3 4 p d 的暗电流 p d 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 n 光电二极管的暗电流可小于li 谯，但g e 的光电二极管的暗电流经常达到几百纳安