（电路与系统专业论文）基于GaAs工艺的光通信用新型超高速分接器集成电路研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 基于g a a sm 艺的光通信用新型超高速分接器集成电路研究 丁敬峰 ( 东南大学射频与光电集成电路研究所南京2 1 0 0 9 6 ) 为了满足人们日益增长的数据通信的需求，现在1 r 3 b s 的通信系统已经不足敷用，研发具有自 主知识产权的4 0 0 b s 数字通信集成电路迫在眉睫。 在详细地介绍和分析了各种分接器性能的优缺点之后，提出了一种结构简单，低功耗并且适合 超高速工作的新型1 ：4 分接器结构( 已申请专利) 。，本文以设计为主线，全面详尽地分析采用法国 o m m i c 公司o 2 p mg a a s p h e m t i 艺设计、实现和测试一个4 0 g b si ：4 分接器芯片的等各个环节。 采用并联峰化电感补偿技术可以很好地拓展放大器的带宽，推拉式有源跟随器的采用进一步拓 展了它的带宽超高速锁存器和触发器是分接器的核心子电路，采用分析静态分频器自谐振频率来 评价触发器速度的方法。大大地简化了触发器的优化过程。 为了节省成本、简化设计和降低风险，本文首先对两个子电路( 分频器和1 ：2 分接器) 进行了 设计、制造和测试分频器的最高分频达到了2 7 5 g h z ，并且输出波形的均方根抖动仅$ 0 0 f s 左右。 受限于测试设备，i ：2 分接器的最高测试速率为2 4 g b s ，同时该分接器还在4 0 g b s 的速率上进行了 有意义的测试尝试。测试结果表明这两个电路可以在接下来的电路设计中直接运用。 在解决了片上长距离传输线等一系列难点后，本文最终成功地设计、实现和测试了新型1 ：4 分 接器，该新型分接器测试到的最高和最低分接速率分别为3 8 g b s 和4 3 g b s ( 受限于测试设备输出信 号范围) 。测试结果验证了设计方法切实可行，为进一步设计单片光收发机打下了良好的基础。为更 好地衔接前级电路。本文另外设计7 一个4 0 g h z 的动态分频器。 本论文的研究作出了多项创新性工作，填补了国内在4 0 g b s 及以上速率分接器研究的空白。对 于设计具有独立自主知识产权的下一代光传输关键芯片具有重要的学术意义和应用价值 关键词r 光通信集成电路分接器分频器主从触发器锁存器放大器并联峰化有源跟随器 a b s t r a c t r e s e a r c h0 1 1u l t r ah i g hs p e e dg a a sd e m u l t i p l e x e ri cf o r o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o n s d i n gj i n g f e n g ( i n s t i t u t eo f r f - o e - i c s ，s o u t h e a s tu u i v e r s i t y , n a n j i n g2 1 0 0 9 6 , c h i n | ) t os a t i s f yt h eb a n d w i d t hd e m a n d so fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，s p e e dr e q u i r e m e n t sf o r t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r cc o n t i n u a l l yi n c r e a s i n g t h ee o l t e n t1 0 g b ss y s t e mc a n n o tf u l f i l lt h e n e e do f f u t u r ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，s o i t su r g e n t t od e v e l o p4 0 g b s i c s f o r t h en e x tg e n e r a t i o no f o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , d i f f e r e n ts t r u c t u r e so fd e m u l t i p l e x e r s ( d e m u x ) w e r ea l i a l y z e da n dc o m p a r e di n d e t a i l t h e n ，on o v e lh i g hs p e e d1 ：4d e m u r , , w h i c hh a dt h ef e a t u r e so f s i m p l es t n l e l a l r ea n dl o wp o w e r e o h s l i f f r p t i o n , w a sp r e s e n t e do a t e n tp e n d i n g ) a4 0 g b s1 ：4d e m t l xw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e di n t h e0 2 p mg a a sp h 丘m to f o m n ci nf r a n c ea n dm e a s u r e ds u c c e s s f u l l y i tw i l lb es h o w nt h a tt h eh i 【g hf r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lc m lc i r c u i t sc a l lb e i m p r o v e db yu s i n g0 n - c h i pi n d u e t o r s f o rc i r c u i t sw h i c hc a l lp r o c e s sb r o a d b a n dd a t as i g n a l sac i r c u i t t e c h n i q u ec a l l e ds h u n ti n d u c t i v ep e a k i n gc a nk u s e dt oi m p r o v et h eb a n d w i d t hb ya b o u t7 0 a n dt h e a d o p t i o no f t b ep u s h - p a l la c - c o n p l e ds o u r c ef o l l o w e re x t e n d st h eb a n d w i d t hf u r t h e r b ye v a l u a t i n gt h e s e l f - r o s o u s n tf r e q u e n c ye r as t a t i cf r e q u e n c yd i v i d e rf r f v ) ，t h eo p t i m i z a t i o np r o c e d u r eo f t h em s d f f ( m a s t e r - s l a v ed - t y p ef l i p - f l o p ) i ss i m p l i f i e d t or e d u c et h ec o s t , s i m p l i f yt h es t r u c t u r ea n dd e c r e a s et h er i s ko ff a i l u r e ，t h ef r e q u e n c yd i v i d e r a n d1 ：2d e m u xw o r ed e s i g n e d , f a b r i c a t e da n dm 口u r e df i r s t l y t h eh i g h e s tm e a s u r e dd i v i d i n g f r e q u e n c yw a s2 7 5 g h za n dt h er m s - j i t t e ro ft h eo u t p u tw a v e f u r mw s sa b o u t8 0 0 f s ，t h eo p e r a t i o n r a n go ft h el ：2d e m u xw 0 5t o2 4g b s ，a n dt h eh i g l l e a ta n dl o w e s tb i t - r a t ei sl i m i t e db yt h e a v a i l a b l ed i f f e r e n t i a lc l o c k 1 n ec h i p c a ne v e no p e r a t e w i t ha 4 0 g b s2 3 1 1p r b s i n p u td a t a a n da l o g h zs i n o s o i d a lc l o c ks i g n a lw h i c hw i l lj u s to u t p u tt h eo d do re v e rd a t ao ft h ei n p u t s t h e s et w o s u b - c i r c u i t sc a nb eu s e di nf i r u r ed e s i g nw i t h o u tr e v i s i n g a f t e rs o l v i n g as e r i a l o f d i f f i c u l t i e s ，f o r e x a m p l e t h e l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n l i n e 。t h e n o v e l l ：4 d e r e u xw e sd e s i g n e d , f a b r i c a t e da n dm e n s u r e ds u c c e s s f u l l y t h em a x i m u ma n dm i n i m u mo p e r a t i o n s p e e dw 鼬3 8g b sa n d4 3g b sr e s p e c t i v e l y , a n dt h e ya r el i m i t e db y 1 l em e a s u r e m e n te q u i p m e n t n e m e a s u r e m e n tr e s u l tv e r i f i e dt h a tt h ed e s i g nm e t h o d sw e i p r a n t i c a b l ea n dh e l p f u lt of u m r eo p t i c a l t r a n s c e i v e r i cd e s i g n a 4 0 g h z d y n a m i c f r e q u e n c yd i v i d e r w a sd e s i g n e da d d i t i o n a l l y b e c a u s en o t a l l o f t h e f r o n t c i r c u i t s ( c l o c k r e c o v e r y c i r c u i t s ) c o u l d o f f e r a n h a l f r a t e c l o c ks i g n a l t n 查塑查堂堕主堂垡丝苎 i nc o n e h i s i o n ，m a n yc r e a t i v e w o r k s h a v e b e e nd o n e i n t h er e s e a r g h c s o f t h e 4 0 0 b l s d e m u x t h e y b r es i g n i f i c a n t f o r f u t u r e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i c s d e s i g n a n dh a v e g o o da p p l i c a t i o n f u t u r e ， k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) ；d e m u l t i p l e x e r ( d c m u x ) ；f r e q u e n c y d i v i d e r ；, m a s t e r - s l a v ed - t y p ef l i p f l o p ( m s d f f ) ；l a t c h ；a m p l i f i e r ；s h u a tp e a k i n g ；a c - c o u p l e d s o u r e nf o l l o w e r i v 播田 图1 - 1 光收发系统框图 图2 1 图2 - 2 图2 3 插图 0 2 - mg a a s p h e m t 工艺有源层的剖面示意图一 不同偏置下的截止频率比较 本文的超高速电路设计流程 b 图3 - 1“透明”的时分复用系统原理框图 图3 - 2 按比特复用数据流构成示意圈 图3 - 3 串型结构1 ：4 分接器 图3 4 串型结构1 ：4 分接器时序图 图3 - 5 并型结构1 ：4 分接器 图3 - 6 并型结构1 ：4 分接器时序图 图3 7 树型结构1 ：4 分接器 1 6 1 7 图3 - 8 树型结构1 ：4 分接器时序图 圈3 - 9 串行传输线1 ：4 分接器 1 9 图3 1 0 串行传输线1 ：4 分接器时序图2 1 图3 - 1 1 改进型并行分接器2 2 图3 - 1 2 改进型并行分接器时序图。2 3 图3 1 3 锁存器电路图，2 4 图3 - 1 4i q 分频器电略图2 4 图3 - 1 5 输出驱动电路囤“ 图3 1 6 芯片显微照片2 5 图3 - 1 7 芯片测量示意图。2 6 图3 1 8 分接器的测试输出眼圈2 6 图3 1 9 四路全部分接输出眼图一2 6 图3 2 0 i q 静态分频器测试结果2 7 图3 - 2 1 改进型并行分接鬃一一2 s 圈3 2 2 改进型并行分接器时序图2 s 图4 - 1 差分电路相对应单端电路的优势 图4 - 2( a ) m o s 差分放大电路图( b ) 差分传输特性 3 2 图4 - 3( a ) 并联峰化频率补偿电路图( b ) 串联峰化频率补偿电路图3 3 图4 - 4 并联峰化差分放大器贡载的半边等效模型 图4 - 5 不同网络的阶跃响应曲线的比较。 图4 6 并联峰化增益频率响应曲线一 图乖7 并联峰化相位频率响应曲线 图4 - 8 ( a ) 单端电感( b ) 差分电感 图4 - 9 ( a ) 单端电感等效电路图( b ) 差分电感等效电路图 图4 - 1 0 用于并联峰化的电感等效电路图 图4 - 1 1 考虑了寄生效应的并联峰化差分放大器负载半边等效电路 图4 - 1 2 不同。的阻抗变化曲线 3 4 3 4 3 7 3 8 3 9 图4 - 1 3 片上电感补偿和理想电感补偿频率响应曲线4 0 东南丈学博士学位论文 图4 - 1 4 片上电感补偿和理想电感补偿相位响应曲线 图4 1 5 ( a ) 源极跟随器( b ) 高频等效电路图一4 2 图4 1 6 跟随器的输出阻抗4 2 图4 1 7 有源推拉式跟随器4 3 囤4 - 1 8 有源推拉式跟随器不同电容对x 点补偿波形4 3 图4 - 1 9 有源推拉式跟随器频率响应曲线4 4 图4 - 2 0 有源推拉式跟随器相位响应曲线4 4 圈4 2 1g a a s 宽带放大电路图。4 6 图4 - 2 2 不同补偿技术频率响应曲线的比较 图4 - 2 3 不同补偿技术下时序仿真眼图比较 5 0 g b s 4 7 图5 - 1 ( a ) 锁存器时序( b ) 触发器时序4 9 图5 - 2 主从触发器 图5 - 3 触发器的三个时间参数的定义5 0 图5 - 4s c f l 锁存器电路图 圈5 - 5 ( a ) 锁存器采样工作示意图( b ) 锁存器锁存工作示意图。5 2 图5 - 6 ( a ) 锁存器等效电路图( 根据第一个假设) ( b ) 完全等效电路图。5 3 图5 7 锁存器开关部分等效电路图 圈5 - 8 锁存器跟随器部分的等效电路图5 3 图5 - 9 除二分频器( 翻转触发器) 电路图5 5 图5 - 1 0 分频器自由振荡频率随尾电流和采样差分对变化的曲线5 5 图5 - i1 分频器自由振荡频率随尾电流和跟随器的变化的曲线5 6 图5 1 2 分频器主要参数随恐脬变化的曲线 图5 - 1 3g a a s 宽带锁存器电路图。 图5 一1 4 主从触发器仿真测试框图 图5 1 5 不同情况下触发器时序仿真眼图5 8 图6 - i1 ：4 分频器框图 图6 - 2 分频器输入补偿部分等敬电路图6 2 图6 - 3 有共面波导电感补偿和直接5 0 f l 匹配的s 1 1 仿真结果的比较6 2 图6 _ 4 除二分频器( 主扶翻转触发器) 电路圉 图6 - 5 输出驱动放大器6 3 图6 - 6 分频器芯片的显微照片 图6 _ 7 分频器的测试系统框图6 5 蹦6 - 8 分频器灵敏度曲线一6 5 图6 - 9 最低1 a g h z 分频时，3 5 0 m h z 波形输出6 6 圈6 - 1 0 最高2 75 g h z 分额时，6 8 7 5 g h z 波形输出6 6 圈6 - 1 i 设计目标2 0 g h z 分频时， 图6 - 1 2 设计目标2 0 g h z 分频时， 5 g h z 波形输出6 6 5 g h z 输出信号的抖动测量6 7 图6 1 3 1 ：2 分接器的框图6 8 图6 1 4 数据输入缓冲6 9 图6 - 1 5 时钟布线等效电路7 0 图6 1 6 优化后的反射系数s 。1 图6 - 1 7i ：2 分接器最终仿真结果 ，7 0 7 0 图6 - 1 b 分接器芯片的显微照片7 1 图6 1 9 分接器的测试系统框图。 图6 - 2 0 分接器测试结果7 2 图6 2 1 分接器的两路同时输出时的眼图 图7 - i 共面波导剖面图 图7 - 2g a a s 共面波导的等效电路 图7 - 3 不同线宽5 0 f 洪面波导的幅频s 2 l 随线宽变化曲线 图7 4 固定延时传输线的反射系数s 和幅频s 2 l 电磁场仿真结果。 图7 - 5 固定延时传输线s 2 1 的相位曲线 匿7 _ 6 新型1 ：4 分接器电路框图 圈7 - 7 宽带片上阻抗匹配， 图7 - 8 新型1 ：4 分按器芯片的显微照片 7 6 7 7 7 7 7 8 图7 - 9 分接器的测试系统框图+ 图7 一】0 分接器在设定目标工作时一路的1 0 g b l s 输出眼图 图7 1 1 分接器最低速率分接时的一路9 5 g b l s 输出眼圈 8 1 8 1 酗7 - 1 2 分接器最高分接的一路1 0 7 5 g b s 输出眼图9 2 图7 1 3 目标分接时的四路同时输出1 0 g b s 眼圈。 图7 - 1 41 ：2 动态分频嚣框图 8 2 8 3 图7 - 1 5 静态除二分频器( - t 从翻转触发器) 电路图一8 4 图7 - 1 6 所采用的动态除二分频器( 主从翻转触廑器) 电路图 图7 - 1 7i ：2 动态分频器显微照片 图7 - 1 8 动态分频器的测试系统框图 8 4 。8 5 ，8 5 图7 - 1 9 动态分频器灵敏度曲线8 6 图7 2 0 最高分频( 3 9 5 g l - l z ) 时，测试得到的分频嚣输入( 左) 和输出( 右) 信号的频谱8 6 图7 - 2 1 谐振点处分频( 3 7 0 g h z ) 时测试得到的分频器输入( 左) 和输出( 右) 信号的频谱s 7 图7 - 2 2 最低分频( 3 3 0 g h z ) 时测试得到的分频器输入( 左) 和输出( 右) 信号的频谱s 7 图7 2 3 测试得到的1 0 个分频器的自谐振频率8 7 表格 表1 - ls d h s o n e t 标准速率等级 表2 - l 衰2 - 2 表2 - 3 表2 _ 4 表2 - 5 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 衰3 - 4 表6 - 1 表6 2 衰6 - 3 衰7 - 1 表7 - 2 表” 几种使用频率较高的工艺特性比较 表格 晶体管参数( 栅长= o 2 p m ，栅宽= 6 l s p m ) 主要器件工艺偏差 s 9 1 0 1 ( 1 主要器件模型有效范围 p h e m t 晶体管的极限电特性。 1 ：4 分按器结构比较 传统串型和传输线串型分接器的比较一 该分接器和文献l 川树型分接器比较 几种高速分接器的比较 仿真和测试关键参数的比较 分频器基本性能 i ：2 分接器基本性能 e d 0 2 a f i 衬底参数 新型1 ：4 分接器基本性能 分频器基本性能 2 0 。2 2 6 7 6 7 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己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。 躲畔撇名：掣一舢渺 筹l 章绪论 1 , 1 课题背景 第1 章绪论 宽带数字通信是世界信息高速公路的重要组成部分，它虽然不像个人无线通信( 如手机等) 那 样普及，但它是高速以太同和多媒通信等大容量数据通信的必然选择 1 9 6 0 年5 月1 6 日。美国加利福尼亚井f 休斯航空公司实验室研究员梅曼( m a i m n n ) 发明了世界上 第一个激光器。1 9 7 0 年贝尔研究所的林严雄( h a y a s h i ) 等人成功地研制出了能在室内常温下连续 工作的半导体激光器这种激光器的体积很小。并且可以用电流控制激光的强度，这就为光通信的 实现创造了条件。与研究激光器的相同年代里，科学家们也在为寻求传导光的介质而努力。1 9 7 0 年 美国康宁玻璃公司的三位研究人员马瑞尔( m a u r 胃) 、卡普隆( k a f o a | 和凯克( k ) ，首先研 制成功了传输损耗只有每公里2 0 分贝的光纤。在室温下连续工作的半导体激光器和低损耗光纤技术 上的重大突破，使光纤通信立刻受到各国电信技术人员的重视，全面地开展研究工作光纤通信终 于得到了实现。1 9 7 0 年，也因而被称为“光纤通信元年”。在众多科学家的共同努力下，大容量、 长距离的通信系统终于实现了：1 9 7 7 年，美国电话电报公司( a t t ) 和美国通用电话电气公司( g t e ) 公司在美国芝加哥和圣塔摩尼卡 s a n t am o n i c a ) 之间首次开通了商用光纤通信系统【i l 。 光纤通信具有频带宽，传输容量大、传输损耗小、适用于长途传输、抗干扰能力强、安全可靠 保密性好、体积小重量轻、可绕性强和资源丰富等特点【2 】。自问世3 0 多年来，光纤通信已逐渐成为 现代传输网的主体到2 0 0 0 年全世界8 0 以上的信息传送业务都要由光纤通信来完成。在信息社 会，骨干传输阿的容量几乎每9 个月就要翻一番大容量、宽带化以及全光网络技术的应用是未来光 通信技术的发展方向。 由国际电话与电报顾问委员会( c c i t t ) 和美国国际标准协会( a n s i ) 分别提出的同步数字体 系( s d h ) 和同步光网络( $ o n e t ) 的数字光纤传输系统标准在国际上得到了广泛的运用。相对应 的速率等级如表1 1 所示。 表1 一is d h s o n e t 标准速率等级 标称速率s d h 等级s o n e t 等级( 光载波电信号) 标准速率( m b s ) 5 1 m b t ss t m oo c - i s t s 1 5 l8 4 0 1 5 5 m b ss t m lo c - 3 s t s 一31 5 55 2 0 6 2 2 m b ss t m - 4o c 1 2 信t s 1 26 2 2 0 8 0 2 5 g b sg r m - 1 6o c 一4 8 ，s t s - 4 82 4 8 8 3 2 0 1 0 g b ss t m 6 4o c j 9 2 ，s t s 一1 9 2 9 9 5 3 2 8 0 4 0 g b ss 1 1 m 一2 5 6o c 一7 6 8 s t s - 7 6 83 9 8 1 3 1 2 0 国内外信息产业的飞速发展，对光通信用超高速集成电路产生了巨大的需求，各种各样通信网 东南大学博士学位论文 络的大规模建设和爆炸性扩展，都急需采用性能优良的超高速集成电路。我国已建和在建的光纤通 信长途干线大多是通过购买国外设备和技术实现的，而光纤通信用的高速微电子器件和电路几乎全 部从国外进口。随着信息传输需求的不断增长开发具有自主产权的集成电路对我国的信息化建设 有着非常重大的意义。 当前，国外高校与公司利用先进的工艺和设备在光纤通信用高速微电子器件和电路方面的研究 已经占领了先机，低功耗的c m o s1 0 g b s 光传输系统已经研制成功 3 1 ，利用混合半导体工艺，已经 研制出了柏g b s 光传输系统产品 4 1 ，光传输模块电路的最高工作速率甚至超过了1 0 0 g b s 5 曰。 当前，国内光传输系统芯片的研究还刚刚处于起步阶段，这方面的研究和国际上差距较大。经 过国内同行的努力，在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “光电子材料及器件”主题项目1 0 4 0 g b s 光收发关键器件芯片技术研究( 编号：2 0 0 1 a a 3 1 2 0 6 0 、2 0 0 3 a a 3 1 9 0 3 0 ) 的资助下，1 0 g b s 及以下 速率的光传输模块芯片已经取得了一些喜人的突破o l 。但是在4 0 g b s 这个速率上，电路的设计和测 试受到工艺和测试条件的限制，电路设计面临着巨大的挑战。 作为 1 0 - 4 0 g b s 光收发关键器件芯片技术研究的子课题之一，本课题对4 0 g b ，s 超高速分接器 ( d e m u l t i p l e x e r ) 芯片进行了研究和设计，利用法国o m m i c 公司砷化镓( g a a s ) 赝晶高电子迁移率 晶体管( p h e m t ) 工艺，把射频、微波匹配技术运用于超高速集成电路中，突破了晶体管特征频率 ( 疗) 的限制，成功地设计出了一款新型低功耗分接器，其工作速率满足s o n e t o c 7 6 8 s d hs t m - 2 5 6 的要求，达到了与国际水平相当的研究成果。该芯片的成功设计和 甄9 试说明，我们研究所的光通信 芯片设计能力已经步入了国际一流行列，所建设的4 0 0 b s 超高速测试服务平台也达到了国际水平i l ”。 1 2 光传输系统 如图1 1 所示，现代的高速光传输系统由发射机( t r a n s m i t t e r ) 、光纤信道和接收机( r e c e i v e r ) 三大部分组成。由激光二极管( l a s e rd i o d e ) 发射出来的光经过光纤的长距离的传输后会有一定的 衰减，所以：( 1 ) 发射机激光二极管的发光强度要强；( 2 ) 接收机的光电二极管( p h o t od i o d e ) 对光的灵敏度要高；( 3 ) 由光电二极管产生的电信号必须低噪声地放大。在光发射机中，为了扩大 传输容量和提高传输效率，通常将多路低速并行数据在时钟的作用下由复接器( m u x ) 合成一路高 速串行数据。由于低速端不提供高速时钟其高速时钟由低速时钟作为参考时钟的频率综合器( p l l ) 产生。从复接器出来的高速数据，由于串绕和时钟的不对称性等原因，通常具有较太的抖动。因此， 在送给激光驱动器之前通常需要通过再定时( r e t i m e r ) 电路来消除这些噪声。激光驱动器( l a s e r d r i v e r ) 的输出功率可以通过自动功率增益控制( a u t op o w e rc o n t r 0 1 ) 来调整，以避免激光驱动器 输出功率过大或者过小。光接收机是光发射机的逆过程。跨阻放大器( t a n s i m p e d e n e e a m p l i f i e r ) 首 先将光电二极管输出的微弱电流信号放大并转换为具有一定幅度的电压信号。高增益的限幅放大器 ( l i m i t i n ga m p l i f i e r ) 进一步将前置放大器输出的的电压信号放大到限幅状态以满足下级数据判决 ( d a t ad e c i s i o n ) 和时钟恢复( c l o c kr e c o v e r y ) 电路的需求。由于数据经过信道后被不同程度的干 扰而失真。因此不能被用来进行下一步处理。当然，利用均衡器( e q u a l i z e r ) ( 可选) 可以在一定 程度上减小失真，从而更加有利于数据判决和时钟恢复电路工作。通常光纤只是用来传输数据信号， 2 第1 章绪论 因此要得到与输入信号同步的时钟信号必须从数据信号孛提取出来，完成这个功能的电路就是时钟 恢复电路。恢复出来的时钟首先送给判决电路来减少数据的抖动和其它干扰，然后经分频后送给分 接器( 即图1 1 中灰色部分) 将高速的串行数据信号还原为低速的并行数据信号送给下一级处理。超 高速分接器是本文研究的主要内容 ：岔：隆竺卜_ 睡| 随丝创一 1 3 本文研究工作 图1 - l 光收发系统框图 目前，国内已经有了利用c m o s t _ 艺设计1 0 g b s 及以下速率的分接器的先例。但是在4 0 c j b s 这 个速率上，国内还没有任何关于分接器的研究。在这个速率上，更好的工艺只是取得成功的必要条 件之一。随着电路工作速率的不断提高，芯片内寄生参数的影响变的更为显著，这也对电路的设计 方法、测试设备和方法等都提出了更高的要求而国内超高速电路工艺、设计、设备以及浸4 试技术 的匮乏严重地限制了电路的成功设计。本文将以设计4 0 g b s1 ：4 分接器为主线，全面详尽地分析该分 接器的设计、实现和测试等环节 集成电路的设计是以给定的工艺为基础的，由于国际上核心技术的禁运，国内所能得到的可能 设计4 0 g b s 2 及以上速辜上的工艺十分有限。在第二章中首先介绍了我们研究所获得的工艺渠道， 在比较了所能获得的几种典型工艺后，选择了一种最有可能实现在4 0 g 呐这个速率上取得突破的工 艺。然后简单介绍了在利用该工艺设计电路时特别需要关注的地方。本文接下来给出了超高速集成 电路的参考设计流程， 在第三章中首先介绍了所要设计的分接器所属的复用技术的类型及其特点。接着介绍了三种 常用的分接器结构，分析比较了它们各自的优缺点。然后介绍了两种新型分接器结构，分析了它们 的优缺点，并在此基础上提出了一种结构简单、低功耗并且适用丁所采用工艺的新型分接器结构【1 “， 3 东雨大学博士学位论文 并和其它分接器结构作了一定的比较。 在第四章中，着重介绍分析了差分电路的优点以及基本设计方法，然后分析了适用于宽带数字 放大器的并联峰化技术的设计与优化接着分析了片上电感的寄生效应对宽带放大器的带宽以及电 感取值大小的影响。在分析和介绍了有源跟随器的设计及其对放大器带宽的改善后，本文给出了宽 带放大器的参考设计步骤 在第五章中，介绍了分接器的核心子电路颔存器和触发器的设计与优化分析了影响锁存 器速度的关键参数。并提出了分析翻转触发器( 除二分频器) 自由谐振频率大小来优化触发器设计 的方法，该方法大大地简化了触发器的优化过程。当然。最后对触发器进行大信号时域仿真验证也 是锁存器设计必须的步骤之一。最后给出了静态锁存器和触发器的参考设计步骤。 在第六章中，本文首先介绍了一个采用0 2 岫( 3 a a sp h e m t i 艺实现的2 7 5 g h z1 ：4 分频器电路 【”】及其版图设计技术，井给出了该芯片的测试结果。采用同样的工艺，本文接者介绍了一个2 0 ( 3 b s 1 ：2 分接器1 电路及其版图设计技术并给出了该芯片的测试结果。同时在4 0 g b ，s 的速率上做了有意 义的尝试性测试。 在第七章中，根据前面电路设计的成功经验，在分析了片上长距离共面波导传输线的设计后， 接着介绍了片上传输线终端匹配的设计与方法。最终本文成功设计出了新型传输线1 ：4 分接器，测 试结果表明，本文所采用的设计方法切实可行，达到了设计目标。作为该分接器一个重要的补充， 本文接着介绍了一个4 0 g h z1 ：2 动态分频器的设计和测试 在本文的最后一章中给出了总结和展望。 概括地说，本文主要在以下方面做出了创新性的工作： ( 一) 发明了一种结构简单，低功耗并且适台超高速工作的1 ：4 分接器电路结构，并申请了 国家专利( 中国专利申请号：2 0 0 5 1 0 0 3 8 0 2 4 7 ) 。 ( 二) 在国内首次设计实现了超过2 0 6 h z 的动态分频器和超过2 0 6 b s 的】：2 分接器。 ( 三) 在国内首次设计实现了达到4 0 g b s 的新型1 ：4 分接器和3 9 s g h z 的动态分频器。 ( 四) 利用电磁场仿真方法，解决了长距离共面波导传输线的模型与设计问题。 ( 五) 分析了片上电感寄生参数对电路的带宽以及补偿电感取值的影响，分析并给出了宽带 数字放大器中并联峰化技术的设计指导。 ( 六) 采用串联和并联电感补偿了焊盘以及输入栅极电容的影响，解决了超高速电路中的输 入、输出的宽带匹配问题。 ( 七) 在4 0 g b s 速率上，首次成功地完成了1 ：4 分接器的测试，这也间接地验证了所里建设 的超高速测试平台切实可行，并且达到了国际水平。 4 第1 章绪论 参考文献： 【i 】r a z a v ib e h z a d d e s i g no f i n t e g r a t e dc i r c u i t sf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s 阱】m c g r a w h i l l ，2 0 0 3 1 2 】王志功光纤通信集成电路设计【m 】高等教育出版社2 0 0 3 【3 1 c a oj u n ，g r e e nm i c h a e la n dm o m l a za f s h i ne la 1 o c - 1 9 2t r a i l m d n 日a n dt e c i v e ri ns t a n d a r d 0 1 8 i i n t c m o s - q i e e ej o u r n a l o f s o l i d - s t a t e c i r c u i t s ，v o l3 7 ( 1 2 ) ，d e c 2 0 0 2 ：1 7 6 8 1 7 8 0 【4 】m e g h e l l i m o t m i r , r y y a k o v v a a n d z i e rj se l a l a 0 1 8 - u n s i g e b i c m o s r e c e i v e ra n d t r a n s m f i = l e r c h i p s e tf o rs o n e to c - 7 6 8t r a n s m i s s i o ns y s t e m s 明i e e ej o u r n a lo fs o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，v o l 3 8 ( 1 2 ) ，d e c 2 0 0 3 ；2 1 4 7 - 2 1 5 4 【5 】s u z u k i x a m a m i y a ya n d y m ”a a z a k i ze t a l ，1 2 0 - g b s m u l t i p l e x i n ga n d l i o - g b s d e m u l t i p l e x i n g i c s i j i e e ej o u r n a lo f s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ， c o l3 9 ( 1 2 ) ，d e c2 0 0 4 ：2 3 9 7 - 2 4 0 2 【6 】m e g h e l l im 1 3 2 - g b s4 ：1m u l t i p l e x e ri n0 1 3 i n ns i g e - b i p o l a rt e c h n o l o g y 阴i e e ej o u r n a lo f s o l