（电路与系统专业论文）1540gbs+cmos高速并行光接收前端放大电路设计.pdf

擒爱 摘要 照着i n t e m e t 的迅猫发展，人们对信遵带宽的爱求里爆炸性增长。越来越多的回络设备 努r o u t e r 、a t m 、惫交叉连接浚冬( o x c ) 淤发d w d m 等蔹置予逶慧蘸的嚣一个褫蘑中。 幽于超高速数据连接的辩要，这些设备之间一般采用光互联，并且连接距离较短( 6 0 0 m 以 内) 。因为长距离光传输技术成本较高，所以程短距离内采用长距离光传输技术显然不合髓。 而基有较高性价比的甚短距离( v s r ) 光传输技术是这种应用情况下的最好选择。 作为光接收机的关键部分，前置放太嚣妁性能在很大程度上决斑了整个光接收机的】魅 缝。萑裹速党纾俦赣系绫每，广泛采薅互疆翦纛羧大嚣。主款丈器毒强耱实琨方式：叁动增 益控俸放大器和限幅放大嚣。由于限幅放大嚣蒜蠢设计简单、功耗低、芯片面积小和 接元 件少的优点，本文选撵限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。 本文采用t s m c o 2 5 “m c m o s 工艺实现了基于v s r 4 1 并行光接收机前端放大电路设 计。前置放大器采用了潋进型共源跨阻结构，在满足电路工作带宽的同时，优化了电路的噪 疹瞧糍；疆壤敖太器罴穗蠢派受载基零敖大革霆。壤据理论分辑谯纯设计，并运过实嚣模拟， 取褥了较侥的增盏、謦宽、噪声和功耗性能。 本文采用t s m c0 1 8 脚c m o s 工艺实现了基于v s r 4 1 及v s r 5 并行光接收机前湍放 大电路设计。前置放大器采用了r g c 结构，克服了c m o s 光检测器大寄生电容造成的带宽 不够的问题。限幅放大器采用了改进型c h e r r y * h o o p e r 放大单元。根撼理论分析优化设计， 辩遵过实蕊i 模拟，取得了较优的增益、带宽、噪声和功耗性能。 文章技照毫薅设计、叛鏊设计、浚片至蕊肄测试熬摄旁详缨奔绣了土逮电鼹熬设嚣过程 获簸终靛测试结莱。全帮电路经模拟验证符会设计要求，并送交芯片镥造厂商流片。所得样 片，经初步测试，性能随好。 根据芯片在通路间隔离措施上的创新之处，于2 0 0 5 年5 月提交了圜家技术发明专利( 申 请号：2 0 0 5 1 0 0 4 0 7 3 1 。x ) 。 受江苏省科技厅委撬，省教弯疗予2 0 0 5 每8 嚣2 0 丑在煮哀主撩键拜了“1 5 - 3 0 g b s 蹇 运并行毙接收蔚端援大嚣”成果鉴定会。篓建黉受会一致逶过该成暴的鉴定，试为本项磺究 成柴达到了国际先进水平。 【芙键字】 光野通信竞接收极葚短距离毙传输( v s r ) 蓠置敖大器 陵精放大嚣蕊离环隔离疫 垒! 窭坚 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft n t e m e t , b r o a db a n d w i d t hi so nd e m a n dg r e a t l y , m o r ea n dm o r e i n t e r a c te q u i p m e n t ss u c h r o u t e r , a t m o x ca n dd w d ma r ep l a c e dt o g e t h e r ，b e c a u s eo fu l t r a h i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o nd a t a ，v e r ys h 砸r e a c h ( v s r ) o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi st h eb e s tc h o i c eh e r e b o t hf o rp e r f o r m a n c ea n d p r i c ec o n s i d e r a t i o n s ， a st h ec r i t i c a lr o l eo ft h eo p t i c a lr e c e i v e r , t h ep r e a m p l i f i e r sp e r f o r m a n c eh a sg r e a te f f e c to i lt h e p e r f o r m a n c eo f t h ew h o l eo p t i c a lr e c e i v e r t r a u s i m p e d a n c ea m p l i f i e r s ( t i a ) a r ew i d e l yu s e di nt h eh i g h s p e e do p f i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s a na u t og a i nc o n 拓o l ( a g c ) a m p l i f i e ro ral i m i t i n ga m p l i f i e ri s g e n e r a l l yu s e dt or e a l i z et h em a i na m p l i f i e r t h el a t t e ro n e w a sc h o s e nt r e n i z et h em a i na m p l i f i e ri no u r d e s i g ns i n c ei th a st h ef e a t u r es u c ha ss i m p l et o p o l o g y , f e we x t e r n a lc o m p o n e n t sa n df a s tr e s p o n s i b i l i t y , i nt h i sp a p e r , t s m c0 2 5g r nc m o st e c h n o l o g yi su s e dt or e a l i z et h ed e s i g no fp a r a l l e lf r o n t - e n d a m p l i f i e r sf o rv s r 4 - 1 a ni m p r o v e dc o m m o ns o u r c et i a i su s e di nt h ed e s i g no f p r e - a m p l i f i e r s ，w h i c hc a n m e e tt h er e q u e s to fb a n d w i d t ha n dn o i s ep e r f o r m a n c es i m u l t a n e o u s l y a c t i v el o a d sa m p l i f i e r sc e l la r eu s e d t oc o n s t r u c tt h el i m i t i n ga m p l i f i e r o nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o n , t h ec i r c u i t a c h i e v e sh i g hp e r f o r m a n c eo f g a i n ，b a n d w i d t h , n o i s e sa n dp o w e rd i s s i p a t i o n 。 i n t h i sp a p e r , t s m co 1 8 啪c m o st e c h n o l o g yi su s e dt or e a l i z et h ed e s i g no fp a r a l l e lf r o n t e n d a m p l i f i e r sf o rb o t hv s r 4 1a n dv s r 5 t h er g cs t r u c t u r ei su s e di nt h ed e s i g no fp r e - a m p l i f i e r s ，w h i c h o v e r c o m e st h ei n a d e q u a t eb a n d w i d t hp r o b l e mc a u s e db yt h el a r g ep a r a s i t i c a lc a p a c i t o ro fc m o s p h o t o d i o d e m o d i f i e dc h e r r y - h o o p e ra m p l i f i e r sa r eu s e dt oc o n s t r u c tt h el i m i t i n ga m p l i f i e r , o nt h eb a s i so f t h e o r ya n a l y s i sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o n ，t h ec i r c u i ta c h i e v e sh i 醢p e r f o r m a n c eo fg a i n ，b a n d w i d t h ，n o i s e s a n dp o w e rd i s s i p a t i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h ek n o w l e d g ea b o u tv s rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ；s u b s e q u e n t l yt h e d e s i g np r o c e d u r ea n dt e s tr e s u l t sa r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h ep r e a m p l i f i e r , l i m i t i n ga m p l i f i e ra n dc i r c u i ta r es u i t a b l ef o rv s ra p p l i c a t i o n c r e a t i v ep o i n t0 ni s o l a t i o ni sv a l i d a t e db yb o t ht h et h e o r ya n dt h em e a s u r e m e n t ，s oo n en a t i o n a l t e c h n o l o g y p a t e n t w a s a p p l i e d l n m a y 2 0 0 5 ，a n d t h ea p p l i e d n u m b e r i s2 0 0 5 1 0 0 4 0 7 3 1 x c o n s i g n e db yj i a n g s us c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n t ，j i a n g s ue d u c a t i o nd e p a r t m e n th e l dt h e a c h i e v e m e n ta p p r a i s a lm e e t i n go f1 5 3 0 g b sh i g hs p e e dp a r a l l e l f r o n t e n da m p l i f i e r sf o ro p t i c a l r e c e i v e ro n a u g u s t2 0 ，2 0 0 5 t h ep e r f o r m a n c e o f c h i pi sa u t h e n t i c a t e da st h ei n t e r n a t i o n a l8 d v 越l 。e dl e v e l k e y w o r d s o p n c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o no p t i c a lr e c e i v e rv s rt r a n s m i s s i o n s y s t e m p r e a m p l i f i e r l i m i r i n g a m p l i f i e r g u a r d - r i n g i s o l a t i o nd e g r e e 珏 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：习睥日 期：尘型玎 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： 茑玉毒 导师签名：日期：撕i ；珂 第一章糍述 第一章概述 1 1 研究背景及意义 随着社会的发展，信息交换鲎与日俱增。为了扩大通信容量，电磁波通信方式从中波、短波发 最鞠镦渡、毫米波。在电磁浚避信系统中，溪浚上，增魏载波瓣频率蘸增热胃疆使爱豹獗鬻宽度， 从而增加信道传输信息的容量。光波实质上悬频率极高的电磁波( 3 x 1 0 “h z 以上) ，因此用光波作为 裁波进行通信，容量极大，是现有通信方式的万倍以上。光通信是人们一崽追求的目标，也是通信 发震豹必然方起 。 光纤遥信怒敷光波作为载波，戳先纤俸为佟输夼质的一种先进通信手段。与现行电缆遴信幕 微 波通信相比，光纤通信显示出系列优越性，主要表现在以下几个方面口】： ( 1 ) 频带宽，通信容量大； ( 2 先纾传辕援耗低，遥予长途簧簸； ( 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 ) 几乎蠢瀑售号巍牟营，安全可靠，傈爨性强； ( 6 ) 抗腐德，抗酸碱； ( 7 ) 可节衡能源； ( 8 ) 资源事髓，可节省大撼有色金属。 笼纾逶莹翁上述霞熹蓬戏了它静迅速发曩。7 0 荤霞霹，我篷邑经嚣矮了对毙纾通藩熬磅究。由 于我国幅员辽阔，对光纤通信系统的需求十分睡大，全国光纤通信网的大规模建设将持续十至二十 锋的时间，2 5 g b s 速率的高速干线系统的建设将持续发展，并邂渐成为我圈干线通信的主流，1 0 g b s 魏越高速于线系绫也将褥到箍广。所阻对这些蓉统所采用的趱遮集成电路的嚣求将是十分照大的。 德是这些系统的核心收发模块集成电路窜前凡擎全部献国卦购买。因此，开袋其有自主知识产稷、 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材重大意义。 1 。2 单路毙接收机系统简介 图1 t 单路光接收机系统框图 东南大学硬士学位论文 必按嫂瓿是竞绥逶售系统豹重要缀藏熬努，磐嚣l 。l 蘩示，其幸# 麓楚璃经党纾媾赣衰减秘濒交 岳的微弱光脉冲信号通过光电转换变为电脉冲倍弩，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。一个究艟的光接收机包括光棱测器、前置放大器、主放大器、时钟恢藏电路 和数攒判决电路【4 j 。 光检测器是光电转换糕件，其作用是将接收刘的光脉冲信号转换成电流脉冲信号。在经历了光 纾裘羧嚣，售号到这搂牧壤嚣雩毫经菲露擞嚣，嚣嚣淹捡测器产生静光蘸滤龟棼霉徽弱( 强a 数鬟缀) ； 对党捻测器的基本要求是嵩巍电转换效率、低酣魏噪声和快速确应。 前鬣放大器是光接收机的关键部分，其作用悬将光检测器输出的微弱电流脉冲信号转换成定 的电聪脉冲信号。由于其输入信号非常微弱，因而骤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盘；为了使高速光接收机在给定的速率上正常工作， 要袋嚣鬻藏大器具有逶当黪繁塞。 遴鬻翦重藏丈嚣不可齄谯蔹褥较低噪声彝遭受带宽的条谗下达至l 搿爱袋的增盏，萁输出宅援信 号述需避一步放大，以遮到所要求的幅度。这个任务由主放大器来完成。主放大器将前置放大器输 出的溅伏级电压小信号放大懋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。 黠镑恢复和数据判决堍照霜来实现时钟帮数攒静嚣生。 1 3 甚短距离( v s r ) 光传输技术 甚短距离光传输( v s r ，v e r ys h o r tr e a c h ) 技术是2 0 0 0 年由美国t e l e c o m m u n i c a t i o n 杂志评选 出的当年电信领域十大热门技术之一。所谓甚短暇离是指最大连接长度不超过6 0 0 m ( 一殷不超过 3 0 0 m ) 的范围。在这一通信躐离内，所采用的光迤接技术和电接口规范间传缎的骨干网传输技术商 缀大鹣甭霜，是光逶德技零发晨麴一个全耨矮域。在梅建下一代裹速、大褰墓全光逶售网络中，斑 予竞接霜爨俘在露终系绕孛翁疵翔数量巨大，甚簸鳆离光传输技术皴箕价格低帮蛙麓稳定嚣谯势， 吸引了众多光电子器件和网络设备制造商的注意，邂渐成为国际通用的标准技术，是全光网的一个 重耍组成部分。 随着i n t e m e t 的迅猛发展，人们对带宽的要求鐾爆炸性增长，而解决滤信大容量的方法并不一定 都集中在葚褒速的处理领域。缀多情援下，跨络踅述设( 如路由嚣戮交换撬、路由器到路囊器、 路癌瓣弼d 确r d m 终臻、鼹巍箍到光交叉连接浚餐簿) 都集中在一令赛阔鬣是一掰建筑肉，遮时只 需传送6 0 0m 距离以内的v s r ( 甚短距离并行光悔输) 系统就足够了”3 。2 0 0 0 年由o i f ( 光互避论 坛) 缀织公布了4 种可行的v s r 协议，其中v s r 4 - 1 、v s r 4 3 分别用1 1 2 和1 4 单信道传输 速率分别为1 2 5g b s 和2 5g b s 的v c s e l ( 垂徽腔面发射激光器) 列阵_ 爿毛实现1 0g b s 的传输速 率，v s r 4 2 、v s r 4 4 为零傣遂1 0 g b s 盼串行方嶷。由于v s r 协议中游个信道电路内部速率都不 夫予1 0 g b s ，瑟叛焉据建c m o s 工艺技末裁胃熬嶷瑰。下瑟具毒摹谤论v s r 技末。 v s r 是一种物理层技术，苒传输距离在6 0 0 t o 以内，主要采用8 5 0 n m v c s e l 及其阵列强1 0 g b s 及4 0g b s 传输数据。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商 着很大的不同，其输出光叠赢于衬底。这种独特的器件结构易于实现二维平面阵列、小发射角芹n 对 称的避避场分布，使得其与光终的糕合效率大为掇糍。短艟长导致纵横阔疆较大，在较宽的溢度范 2 第一章概述 围内易于得到单纵模工作，动态调制频率高。微腔效应使得自发发射因子较普通边发射激光器提高 几个量级，导致许多物理特性大为改善，能够实现极低闽值或无闽值的激射，可大大降低器件功耗 和热能耗，易于研制高密度大规模集成激光器面阵。v c s e l 的制备和测试完成在分管和封装工艺之 前，与平面硅工艺完全兼容，满足低成本、大规模制备这一现代工业的关键要求。由于v s r 传输距 离较短，因此不会像长距离光传输那样，只采用单纤串行传输，还可以采用多纤并行传输。经综台 测算，当速率大于1 0g b s 时，v s r 技术具有非常大的成本优势( 例如1 0g b sv s r 光模块比1 0g b s 收发器节约近3 4 的成本) ，其光模块的功耗又非常低。因此v s r 技术主要应用于o c - 1 9 2 ( s t m - 6 4 ) 和o c 7 6 8 ( s t m - 2 5 6 ) 速率等级上。 为实现不同厂商v s r 光传输产品之间的互操作，o i f 制定了相应的应用协议和标准。在o c - 1 9 2 速率等级上o i f 已经定义了4 种v s r 光模块标准，见表1 1 。 表1 1 0 c 。1 9 2 速率等级上o i f 定义的4 种v s r 光模块 v s r 4 1 在收发方向均有1 2 个并行光通道，光信号通过1 2 芯多模带状光缆传送，光纤连接器为 m t p ( m p o ) 或s m c ，每个发射通道均采用8 5 0n i i l 的v c g e l ，数据速率为1 2 5g b s 。其中1 0 个光 通道传输数据，1 个用于检错，在采用4 0 0m h z k m6 2 5g m 光纤时，传输距离达3 0 0m ，v s r 1 光模块功能框图及接口定义见图1 2 。转换i c 的功能就是将o c 一1 9 2 的帧映射到并行光接口中，从 并行光接口中恢复o c 1 9 2 的帧，并产生和处理相应的检错、纠错信道上的数据。 1 2 x l2 5 g b s 压崮瓣 转换器i cl = = = = = 气兰竺p 岩凳鐾瓣怿 s f l 4 1 电接口 图1 2v s r 4 1 光模块 v s r 4 - 2 采用串行光接口，传输距离达6 0 0m 。光器件采用无需外加散热的f p ( f a b r y - p e r o t ) 激光 器，波长为1 3 1 0 n m ，光纤采用单模光纤。v s r 4 - 2 光模块功能框图和接口定义见图1 3 。 鬃捌lxl0gbs16= = 1 ：卜l _ 粒硐貉忤刿h s f l 4 1 电接口 图1 3v s r 4 2 光模块 3 东南大学硕士学位论文 v s r 4 3 类似于v s r 4 1 ，采用8 5 0 衄的v c s e l 和多模带状光缆，但只采用一根1 2 芯带状光 纤就可实现全双工连接，在收发方向各有4 根光纤，每纤传输数据速率为2 5g b s 。另外4 根光纤不 用，v s r 4 3 光模在采用5 0 0 v i h z k m5 0g m 多模光纤时，传输距离达3 0 0i n ，光纤连接器采用 m t p m p o 。v s r 4 3 的优点是采用单根1 2 芯带状光纤，并且其v c s e l 和p i n 阵列可以封装成一个 光收发器。v s r 4 3 光模块功能框图和接口定义见图1 4 。 4 x 2 ，5 g b s r _ _ 音 1 6 ：4 i l i 一4 通道v c s f l j f 转换器i ci 和光检测器i 牟4 ：1 6h 阵列- l ：_ _ l 。一 s f l 4 1 电接n 图1 4v s r 4 3 光模块 v s r 4 4 采用单8 5 0n m 的v c s e l 和光探测器，在一对多模光纤上实现1 0g b s 全双工连接。当 采用5 0 0 m h z k m5 0 a m 多模光纤时传输距离达8 5 m 。当采用2 0 0 0 m h z k m5 0u m 多模光 纤时，传输距离达3 0 0 m ，v s r 4 4 光模块功能框图和接口定义见图1 5 。 、 k ；l ： 。錾2 。h 丽c s e l 和讽 - - ：。_ ”p 串旺绷器光l ： 光纤 s f l 4 1 电接口 图1 5v s r 4 4 光模块 s f l 4 - l 接口是采用s o n e t o c - 1 9 2 成帧器与串并、并串转换器的一个电气接口规范，参考模型 见图1 6 。 参考时钟 图1 6s f l 4 - 1 接口的参考模型 v s r 5 是面向4 0 g b s 甚短距离光传输应用而制定的接口规范。制定v s r 5 的目的是使该规范能 4 第一章概述 降低网络复杂性及运营成本，能以最少的技术解决方案满足大多数的应用需求。在v s r 5 中共建议 了3 个技术解决方案，即1 2 路并行技术方案，4 1 0 g b ，s 单模光纤c w d m 方案和单模光纤串行方 案。v s r 5 主要由转换器集成电路、光发射器模块和光接收模块三部分组成。电接口采用的是传输 s d h s o n e t 帧格式数据的s f i 5 串并转换成帧器接口。对v s r 5 中的每一个具体的技术解决方案， 要求尽量能做到具有广阔的市场前景，应用面广，兼容性好，可获得大多数设备提供商的支持，在 最终用户成本和应用空间方面与其它技术解决方案相比有明显的优势。 图1 7 是4 0 g b s v s r 5 的1 2 路并行光技术方案的功能方框图。从图中可以看到，整个接口组件 由一个转换器集成电路模块，1 2 路并行光发射器模块和一个1 2 路并行光接收器模块所组成。 l【一 s f i 一5 电接口 状 纤 图1 7v s r 5 光模块的系统结构 本文的主要工作是v s r 4 1 类和v s r 5 类并行光接收电路的研制，该课题的完成得到两个国家 8 6 3 计划项目的资助。其中，基于v s r 4 1 类的并行光接收前端放大电路的研制是国家8 6 3 计划项目 ( 2 0 0 2 a a 3 1 2 2 4 0 ) 的子课题，该芯片采用t s m c0 2 5 u mc m o s 工艺进行殴计；基于v s r 4 1 及 v s r 4 5 类的并行光接收前端放大电路的研制是国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 3 a a 3 1 2 0 4 0 ) 的主课题，该 芯片采用t s m c0 1 8 p r oc m o s 工艺进行设计。这两个项目均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阵列的研制。 1 4 光接收机- 眭能指标 光接收机的技术性能指标是整个数字光纤通信系统技术性能指标的综合体现。衡量光接收机性 能优劣的主要指标是灵敏度、动态范围和时钟抖动【6 j 。 光接收机的灵敏度是指在规定的误码率条件下，光接收机正常工作所需要的最小入射光功率， 一般认为是最小可接收的平均光功率。灵敏度反映了光接收机检测微弱信号的能力，与光接收机的 内部随机噪声密切相关。前置放大器的噪声是影响接收机灵敏度的重要因素。 光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。主放大器的电压增益控制范围是决定光接收机动态范围的主要因素。 抖动是通信系统的重要性能指标。再生电路包括时钟恢复电路和判决电路。为尽量较小误码率， 判决时应选择最佳的判决闽值，并在最佳的判决时间进行取样。而时钟的抖动将使判决偏离最佳的 判决时间，增加误码。 此外，功耗、可靠性、尺寸和性价比也是在设计光接收机时需要考虑的重要因素。 在设计光接收机前端放大电路和时钟恢复电路时需要综合考虑各种因素，使光接收机的性能达 到最优。 5 东南大学硕士学位论文 1 5 工艺选择 在用于光纤传输系统的几个功能电路中，构成光接收机前端放大电路的前置放大器、主放大嚣 和时钟恢复电路是关键电路。大多数高速前置放大器、主放大器和时钟恢复电路几乎都是采用高速 双极性硅或i i i n 族工艺来实现的，它们的缺点主要是成本高、功耗大、集成度低。 与双极性硅和i i i v 族工艺相比，c m o s 工艺在多个方面具有优势： ( 1 ) 工艺流片成本比其它工艺低。 ( 2 ) 电路功耗小集成度高。 随着c m o s 工艺向亚微米、深亚微米方向的发展，特征尺寸不断减小，特征频率疗不断提高， 0 3 5 n n 、0 2 5 9 i n 、o 1 8 9 mc m o s 工艺的特征频率 分别为1 3 5 g h z 、1 8 6 g h z 、4 9 g h z 。因此，采 用o 2 5 9 r n 工艺实现应用于v s r 4 1 系统的光接收前端放大电路设计，并采用o 1 8 9 r n 工艺实现应用 于v s r 4 1 及v s r 5 系统的光接收前端放大电路设计，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 论文共分八章。第一章主要介绍了论文的研究背景和意义，光接收机系统结构及甚短距离光传 输技术。第二章介绍前置放大器的分析与设计，第三章介绍主放大器的分析与设计，第四章介绍应 用于v s r 4 1 并行光接收前端放大电路分析与设计，第五章介绍应用于v s r 4 1 、v s r 5 的并行光接 收前端放大电路分析与设计，第六章对版图设计过程中的一些注意事项进行讨论与总结，第七章给 出各芯片的测试结果，最后在第八章给出总结。 6 第二苹前置放大器的分析与设计 第二章前置放大器的分析与设计 2 1 引言 作为光接收机的关键部分，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。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幅度的电压脉冲信号。 由于信号到达接收端时通常非常微弱，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，因此，信噪比会很差。为了 克服上述问题，需要一个低噪声、高增益的前置放大器，以获得较高的信噪比。 设计光接收机前置放大器时需要注意以下几点： ( 1 ) 尽量减小等效输入噪声电流，提高灵敏度： ( 2 ) 带宽与信号速率相适应； ( 3 ) 产生足够大的增益，以克服后续电路噪声的影响。 这三个要求是相互矛盾和相互影响的，例如带宽的增加将导致噪声的增加和增益的下降。此外，当 温度变化时，前置放大器的增益、带宽和灵敏度应该保持相对稳定。输入阻抗要足够的小，以减小光检 测器寄生电容对带宽的影响。 由于前置放大器和光检测器是密切关联的，因此在介绍前置放大器的分析与设计之前，有必要先了 解光检测器的基本特性。 2 2 光检测器 光检测器的作用是把接收到的光信号转换成电流信号。光纤通信中最常用的光检测器是光g - - 极管 ( p d ) 和雪崩光电二极管( a p d ) 。下面主要介绍p d 的工作原理及主要特性参数n 2 2 1 p d 的工作原理 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 1 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禁带宽度时，价带上的电子可以吸收光子而跃 迁到导带，结果产生一个电子一空穴对。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。f ， 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。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。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 2p d 的特性参数 2 2 2 1p d 的波长响应 图2 1 光电二极管能带图 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的p d ，都有上截止波长，定义为： 。= h e e g = 1 2 4 e g ( 2 1 1 式中b 为半导体材料的禁带宽度，h 是普朗克常量，c 是真空中光速。 2 2 2 2p d 的光电转换效率 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光电 流的概率。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。为得到高量子效率，光电二极管往往采用p i n 结构，p i n 光电二极管是全耗尽型的，不仅量子效率高，而且响应速度快。 2 2 2 3p 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ln a ，但g e 的光电二极管的暗电流经常达到儿百纳安。 2 3 前置放大器的噪声特性 接收机不是对任何微弱的信号都能正确接收的。这是因为信号在传输、检测及放大的过程中总会收 到一些无用的干扰，并不可避免的引进一些噪声。噪声主要来自于两个方面，一方面是来自外部的噪声， 另一方面是光接收机的内部噪声。外部噪声可以通过屏蔽等方法减弱或防止。但接收机内部噪声是伴随 光信号的接收、检测与放大过程产生的，只能通过电路的设计和工艺尽量减小它，却不能完全消除。由 于噪声的存在，9 1 i $ u 7 光接收机接收弱信号的能力，即最小可接收的平均光功率，决定了光接收机的灵 敏度。这里主要讨论光接收机的内部噪声，包括光检测器噪声和前置放大器噪声。 首先讨论光检测器噪声。光信号功率入射到光检测器光敏面上时，光子激励产生的光生载流于是随 机的，不是每一个光予都能产生光生载流予。这种由于光子激励光生载流子的随机性而产生的噪声现象 称为量子噪声。量子噪声是光检测器固有的，是无法避免的。如果采用雪崩二极管，由雪崩过程引起的 第二章前置放大嚣黔静柝与设诗 倍增随机噪声将远大于囊予噪声。此外，略电流噪声也是光检测器嗓声溺的个组成部分，它砖出反偏 二掇管的静态电流引起的一种散弹噪声。 下面讨论前置放大器噪声。放大电路中的噪声源可以分为两类：器件噪声与干扰。热噪声、敞弹噪 声和闻烁噪声属于前者，主瓣是由电阻和晶体管产生的；而衬底噪声和电源噪声属于后者例。这里，本 文主爱奔缓由电阻窝晶体簧产生熬器俘臻声，关予对程瘴噪声帮电源噪声鹣摹露铡锺匿，将在毫鼹设诗窝 版蕊设计过翟中考虑霹奔鳐。 2 3 1 热噪声 2 。3 1 。l 电阻熬嗓声 魄疆中的噪声是盎奄予佟祭舌l 无章的热骚动两造或的，馥称为宅隐热冁声。电阻热噪声可以篇电流 噪声源或电压噪声源来表示，如图2 2 所示。 图2 2 电阻热噪声的等效模型 一个阻值为r 的屯阻，产生的噪声电流，其功率谱密度可表示为： s t ( ) = 4 k t r ；4 k t g 疆。2 ) 蠡聚镣壤为噪声电压，箕秘黎灌整度螽： s 形；= 4 k t r( 2 3 ) 式中，k 为玻尔兹曼常数，r 为热力学温度。 从式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以褥出，电阻热噪声的功率谶密度与频率无关，为常数，因此属y - “囱噪声”。 2 。3 1 。2 场效应管的热嗓声挣l 磁效应管是婊靠载漉予强沟遭中静漂移运韵工俸懿，霞魏，沟遵中载浚子的不短剿燕运动套在繇馥 应鬻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戮噪声源。 当场效应管工作在饱和隧时，其沟道热噪声电流功率谱密度为： 岛0 9 = 4 k t y g r a ( 2 4 ) 对予长沟道器l 牛，7 2 ，3 ，对予短淘道器件，7 m 2 q 。在某i $ 程度上v 随瀵巍电压两馥变，理论上 掘舞确定7 还在积辍疆究孛。 m o s 晶体管的欧姆匿也宵熟噪声。栅、源帮灞材料都有一定的电陵，西而产生热噪声。对于一个 相对宽的晶体管，源和漏电阻通常可以忽略，但栅的分布电阻会变得很熙箸。尽管在沟道中产生的热噪 声只受器件的跨导控制，但是通过适当的版图可以减小栅电阻的影响。 东南大学硕士学位论文 2 3 2 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 的自噪声。 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。 2 3 3 闪烁噪声【1 9 】 闪烁噪声又称为低频噪声或l 扩噪声，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裁流子在晶体表面的产生和复 合引起的。低频时，晶体管的噪声主要由它决定。闪烁噪声可以容易的用一个与栅极串联的电压源来模 拟，其功率谱密度近似由下式给出： 品( 厂) 2 硒k 三7 1 ( 2 - 5 ) k 是与工艺有关的常量，数量级为1 0 。2 5 v 2 f 。l 矿噪声谱密度与频率成反比，与偏置电流和温度无关。此 式只是个近似，但从中可以看出增加器件面积可以有效减小1 厂噪声。 2 4 前置放大器电路结构类型 2 4 1 共源跨阻前置放大器 共源跨阻前置放大器如图2 3 ( a ) 所示，光检测器可等效为电流源与电容并联，开环小信号交流等效 电路见图2 3 ( b ) ，其中月l = 风。 跨阻增益( 电流- 电压传输函数) 表达式为： 1 0 ( 2 6 ) 南 p 川 叫 鳖。 第二章前置放大器的分析与设计 ( a ) 图2 3 ( a ) 共源跨阻前置放大器 其中a 是开环电压增益，c t 是总的输入电容 容c 。： = ( b ) ( b ) 共源跨阻前置放大器开环等效电路 包括光检测器寄生电容c d h 和前置放火器的输入电 c v = q n + c 从式( 2 6 ) 可咀看出，跨阻放大器的中频跨阻增益约为r f ，一3d b 带宽为 ，( 爿+ 1 ) 。一3 。一2 麒，c ， r 27 、 ( 2 8 ) 根据以上分析，当4 和c r 一定时，反馈越深，即母越小，跨阻放大器的频带就越宽。而且，反馈 越深，跨阻放大器的增益灵敏度就越小，即增益越稳定。从这个角度看，希望反馈尽可能的深，即见 尽可能的小。但是另一方面，反馈越深，中频跨阻增益就越小。而且，反馈越深，反馈电阻所引入的噪 声就越大。从这个角度看，反馈不能太深，即r f 不能太小。所以应适当选择反馈电阻r ，的值。 从以上分析还可以看出，减小c t 的值，可以增加跨阻放大器的带宽。当r f 和c t 一定时，由丁a 远大于1 ，反馈放大器的带宽和基本放大器的增益a ( 开环增益) 成正比。但也不能无限制地通过增火 开环增益来提高带宽，原因是：由于密勒电容的存在，增大开环增益的同时，也增大了密勒电容的影响， 使总的c t 增加，从而减小跨阻放大器的带宽。 相比子共栅前置放大器，本次设计采用共源跨阻放大器，因为流过r r 的偏置电流较小，所以可以 同时兼顾放大器的噪声、增益特性。下面具体分析共源跨阻放大器的噪声特性。 2 4 1 1 定性分析 首先对共源跨阻放大器的噪声特性进行定性分析。为了获得比较高的增益，输入晶体管被偏置在饱 和区，反型层中电子迁移率为”d 。，单位电压增益角频率可表示为。t = 骱c 。对于给定的沟道长度， c o t 是常数，因为踟= q 。聊女“，c g 是单位面积的栅电容。这就意味着g mtl l t - c ，如果输入晶体管 栅宽较小，则g m 较小，晶体管的电压噪声贡献就会较大：而另一方面，如果输入晶体管栅宽大，输入 电容就会增大。为了保证一定大的带宽，反馈电阻母值就会较小，这样反馈电阻的噪声贡献就会增火。 东南大学硕士学位论文 所以从以上分析可以看出，为了获取最好的噪声特性，输入晶体管的尺寸存在最优值。下面针对晶体管 2 4 1 2 定量分析 如果忽略v f 噪声，共源跨阻放大器输出端噪声电压源可表示为： = ( 舟i 1 孬协吩同 ( 2 9 ) 其中v 。是晶体管m 1 的热噪声电压，v 是反馈电阻毋的热噪声电压，可分别表示为如下噪声谱功率 v ：= 4 k t y g 。，v 刍= 4 k t r ，( 2 1 0 ) 根据式( 2 6 ) ，( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，可得等效输入噪声电流密度： 虿= 譬兰等+ 塑r 耐孚+ 箜+ 2 c 肿(211)c i ! ：坐 2g 。r ；r r 。“。 ”1 。i m 。 其中6 ) t 是单位电流增益角频率。式( 2 1 1 ) 为三项相加之和，高频时等效输入噪声电流密度主要由最后一 c i 兰( 2 1 2 ) 可得晟优等效输入噪声电流密度如下式所示： i 兰丽4 k t y + 百4 k t ( 旁2 。， 其中f r 是单位电流增益频率。 因此实际设计中必须优化输入晶体管的尺寸，尽量使其输入电容等于光检测器的电容，这样可以获 1 2 第二章前置放大器拍分辑与设计 2 4 2 共栅前置放大器 i i n v d d 图2 4 ( a ) 拭栅前置放大器 ( b ) 共栅前置放大电路的噪声等效电路 鸯虑如图2 4 所示的共栅前置放大器及其噪声等效电路( 不考虑偏谶电流源 如的噪声) ，忽略沟道 长度调制，用两个电流源袭示强和震d 的热噪声眈注意由于电路的输入阻抗低，输入参考噪声电流淄 释搜焱鬣频黠遣不麓惫路。为了诗篓赣a 参考噪声壤匿，薅赣天短接到缝+ 霹簿： 玩。+ 等耻2 酉埙蟛2 像1 4 ) 即输入参考噪声电压功率落镦发为；露i ：4 k t 7 一( 7 g + i ：r r d 一) ( 2 1 5 ) t g 。+ g 。6 j 然瑶将输入赣开路计算输入参考噪声电流。罄先考虑j ：的影响，因为m 的源的电流总和楚零，艇 以i o i + i d l = 0 。从而矗l 在a 矾中产