（电路与系统专业论文）25gbs+035μm+cmos光接收机前置放大器设计.pdf

硕士论文摘要 摘要 光纤通信是2 0 世纪7 0 年代问世的通信技术，它采用光波作为信息载体，并采用光 导纤维作为传输介质。这种通信方式以其巨大的可用带宽、传输距离远、极低的传输损 耗等优点，已经成为有线信道最主要的传输方式。 过去，对于高速的集成电路，多采用g a a s 工艺来实现。但是随着深亚微米c m o s 工 艺的不断发展，栅长不断减小，现在0 3 5 1 x mc m o s 管的截止频率已经达到1 3 5 g h z ，可 以用来实现高速的集成电路。 本文介绍采用t s m c0 3 5 l l i n c m o s 工艺设计并实现了用于s d h 系统s t m 一1 6 ( 2 5 g b s ) 速率级光接收机前置放大器。 前置放大器处于光接收机电路系统的最前端，作用就是将光检测器输出的电流信号 放大并转化成电压信号。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。所以对于前置放大器要求：尽量减小电路本身引入的噪声； 有足够高的增益，提高灵敏度；与信号速率相适应的带宽。因此在高速光纤传输系统中， 广泛采用跨阻型前置放大器。 文中介绍并分析了采用跨阻型前置放大器电路的系统结构、单元电路结构，并给出 具体电路结构及其各项性能指标和仿真结果。 介绍版图设计并给出前置放大器电路的最终版图。 给出了芯片流片后的测试方法及测试结果。 厦关键字卫 光接收机前置放大器跨阻放大器c m o s 工艺 硕士论文 a b s t r a c z a b s t r a c t o p t i c - f i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e ni n v e n t e di nt h e1 9 7 0 s ，w i t ht h ed a t a - c a r r i e ro fl i g h tw a v ea n dt h e t r a n s p o r t m e d i u mo fo p t i c a l - f i b e r d u et oi t sm e r i t ss u c ha sl o n gt r a n s m i td i s t a n c e ，g r e a tc a p a c i t ya n dl o w p o w e rd i s s i p a t i o ne t c ，o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e nt h ep r i n c i p a lp a r to fi n f o r m a t i o n s u p e r - h i g h w a y i nt h ep a s t , g a a s - b a s e dd e v i c e sh a v eb e e nt h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n o l o g i e st oi m p l e m e n tt h e c i r c u i t sf o rh i g h s p e e dd a t ar a t eo p e r a t i o n a ss u b m i c r o m e t e rc m o st e c h n o l o g i e sr a p i d l yd e v e l o p i n g ， s c a l i n gd o w no f c h a n n e ll e n g t h s ，c u t o f f f r e q u e n c y ( f t ) o f t h eo 3 5 i | t mc m o st e c h n o l o g yh a sa l r e a d yb e e n u pt o1 3 5 g h z t h e r e f o r e ，c m o si sap r o m i s i n go p t i o nf o rr e a l i z a t i o no fh i g h - s p e e da n dh i g h f r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r c u i t s at r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e ri sd e s c r i b e df o rs d hs t m 一1 6 ( 25 g b s ) i nao 3 5 9 mc m o s t e c h n o l o g y b e i n gt h ef o r e f r o n to fo 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 rc o n v e r t st h ec u r r e n ts i g n a lp r o d u c e db yp d d e t e c t i n gl i g h tw a v et ot h ev o l t a g es i g n a l ，a n da m p l i f i e si t p r e - a m p l i f i e ri st h em o s tc r i t i c a lp a r to fn i l o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，h a sg r e a te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fa no p t i c a lr e c e i v e r t h e r e f o r ei tm u s t h a sl o wn o i s e ，h i g hg a i na n dh i g hs e n s i t i v i t y s ot r a n s i m p e d a n c ep r e - a m p l i f i e r sa r ew i d e l yu s e di nt h e h i g h s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r eo fat r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e r , s u b s e q u e n t l y w ed e s c r i b et h ed e s i g np r o c e d u r ea n dt e s tr e s u l t so f t h e s ec i r c u i t s a f t e rs i m u l a t i o n , w ed e s i g nt h el a y o u t sb yc a d e n c e t h el a y o u t sh a v eb e e nd e l i v e r e dt ot h ec l d p m a n u f a c t u r e ra n ds u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d t h em e a s u r er e s u l t so f t h ec h i p s e tv a l i d a t eo u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ： o p t i c a lr e c e i v e r ，p r e a m p l i f i e r ，t r a n s i m p e d a n c ea m p l i fj e r ，c m o st e c h n o o g y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位沦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。 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：埠导师签名：墼日期：。乒3 硕士论文 第1 章引言 1 1 光纤通信系统 1 1 1 概述 第1 章引言 2 0 世纪9 0 年代，随着i n t e r n e t 的广泛普及，一些基于通信网络资源的电信业务，例如远程教 育、视频会议等的出现，网络信息交换量与日俱增。光纤通信作为一种高速的通信方式得以迅猛发 展并广泛使用。 光纤作为传输介质与以往的电气通信相比，有许多独特的优点： ( i ) 损耗小，传输距离长且误码率很小； ( 2 ) 频带宽，容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出89 个数量级，故所开 发的容量很大： ( 3 ) 防干扰性能好。光纤不受强电干扰，电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也 很强，保密性好； ( 4 ) 几乎无漏信号和串音，安全可靠，保密性强： ( 5 ) 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量 级以上： ( 6 ) 光纤体积小、重量轻、可绕性强，有利于施工和运输； ( 7 ) 抗腐蚀、抗酸碱； ( 8 ) 资源丰富，可省大量有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。 光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。 1 1 2 光纤通信系统组成 简单的高速光纤通信系统的基本结构框图，如图1 1 所示，箭头表示信号传输的方向。它主要 由光发射机，光纤信道和光接收机组成。其中光发射机包括复接器( m u lt i p l e x e r ) 、激光驱动器( l d d r i v e r ) 和激光二极管( l d ：l a s e rd i o d e ) ；光接收机又包括光检测器( p d ：p h o t o nd e t e c t 。r ) 、 前置放人器( p r e a m p l i f i e r ) 、主放大器( m a i na m p l i f i e r ) 、时钟恢复电路( c r ：c o c kr e c o v e r y ) 、 数据判决电路( d d ：d a t ad e c i s i o n ) 和分接电路( d e m u x ：d e m u t i p l e x e r ) 吐 1 ， 硕士论文第1 章引言 光按b 哜n 图i1光纤通信系统的基本结构框图 光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号。其中复接器将n 路低速数据信号复接成一路 高速数据信号，以提高光纤信道容量的利用率。激光驱动器驱动激光二极管将高速的数据信号转换 成光信号通过光纤传输。 载有信号的光波通过光纤信道，传输到光接收机。 光接收机的作用是将经光纤传输的光信号通过光电转换并放大、均衡和定时再生还原为与发射 端输入电信号一致的数字脉冲信号。其中光检测器是光电转换器件，作用是把接收到的光信号转换 为电流信号。前置放大器具有将电流信号转换成电压并放大的能力。信号经主放大器进一步放大后， 被判决电路和时钟恢复电路恢复出的时钟信号重新定时，从而实现数据的再生。再经分接器分接成 n 路低速数据信号，供后续信号处理电路使用。 1 1 3 光接收机 光纤通信系统中，对光接收机的要求是以最小的附加噪声及失真，恢复出由光纤传输、光载波 所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能”j 。我们在设计光接 收机的时候需要考虑以下几个因素：灵敏度，动态范围，响应时间等。 接收机灵敏度是指在达到规定的误码率条件下，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，灵敏度与光接收机的内部随机噪声密切相关。 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 的一个重要冈素，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： 作状态的中继器中。在实际系统中，由丁中继器之间距离的变化、光纤损耗、连接和分 接损耗的变化、发射机温度变化等，光接收机的输入光功率是不断变化，所以接收机可能是工作在 最小检测光功率情况下，也可能工作在大输入光功率的情况下。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发生饱和过载的现象，这时由于码 硕士论文 第1 章引言 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误码率从理想值开始变坏 时的输入值。所以，接收机最大允许输入光功率可定义为放大器输出波形开始变坏时的功率值。 此外，工作温度的影响、功耗、可靠性、尺寸、性价比也是设计光接收机的重要因素。 所以，我们漫计光接收机前端放大电路需要综合考虑各种因素，使接收机的性能达到最优。 1 2 工艺选择 以往的高速集成电路是用高速双极性硅或i i i v 族工艺实现的，它们的缺点主要是成本高、功 耗大、集成度低和工艺不易获得。c m o s 工艺与双极性硅和h i v 族工艺相比，c m o s 工艺在很多方 面具有优势：( 1 ) 工艺容易获得。国内有华晶、华虹、先进等半导体工艺厂商提供1 k i t c f j 务：美国 m o s i s 向全世界提供多目标芯片服务；欧洲也有类似的组织如法国的c m p ；( 2 ) ： 艺流片成本比其 它工艺低；( 3 ) 电路功耗小，集成度高。 而且，随着c m o s 工艺向微米、深亚微米方向的发展，特征尺寸不断减小，特征频率f ，不断 提高，0 3 5 p m 、0 2 5 1 u m 、0 1 8 1 mc i 0 s 工艺的特征频率再分别为1 3 5 g t l z 、1 8 6 g h z 、4 9 g h z 。现有 的特征尺寸在0 3 5 p m 以下的深亚微米工艺已经可以实现g b s 速率的电路。因此，我们采用0 3 5 1 j i n c m o s 工艺实现2 5 g b ss d h 系统用的光接收机前端放大电路，该制造： 艺提供n 阱、两层多晶硅、 四层金属，为高速电路的设汁提供了很多基本保证。 表1 1 0 3 5 v mc m o s 工艺特性参数 最小栅艮l ( 特征尺寸)0 4 0 u m 最小栅宽岷。 0 3 3 i r a 最高特征频率厶( w l ：5 u 0 4 0 u ) 1 3 5 g h z 典型阈值电压 ( w l ：5 u 02 4 u ) 0 5 3 v( 1 l l n o s ) 0 5 0 v ( p m o s ) 1 3 论文组织 本文将对用于光纤通信的前置放大器电路原理和设计方法作简要的介绍，章节基本按照实际i 殳 计时自顶向f 的顺序展开。第二章首先介绍光检测器的基本原t e - , f i 特性；第三章介绍前置放大器电 路基本原理雨i 特性，并对跨阻放大器的结构优点作了详细分析；第四章介绍用c m o s 工艺实现跨阻型 3 硕士论文 第1 章引言 前置放大器电路的设计及s p i c e 仿真结果；第五章介绍了版图设计及在版图设计中的原则和注意要 点，并给出了前置放大器电路的最终版图：第六章为芯片测试，介绍了芯片的测试方法和测试结果， 并对结果进行了简要地分析；第七章总结。 硕士论文 笫2 章光检测器 第2 章光检测器 在光接收机中，光检测器和前置放大器合起来称作光接收机的前端。 光检测器将由光发射机送出的经光纤传输后微弱的光信号转变为电信号，即光检测器在光信号 的辐射下，会产生一个与光信号相对应电流信号。 2 1 光检测器 对光检测器的要求主要有： ( 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。 在光纤通信中，满足以上要求的半导体材料光检测器有p i n 光电_ 二极管、a p i ) 雪崩二极管利m s m 二极管。p i n 二极管具有频带宽、噪声系数小、使用条件相对简单的特点，适用于超高速信号的接 收。雪崩二极管对注入光电子有倍增作用，即直接对光电流进行放人，显著的增加了接收机的灵敏 度，因此可用于高灵敏度光电接收机。m s m 二极管具有平面结构相对简单的特点，非常有利于在单 片集成电路中实现光接收机。 这三种类型的光电二极管工作原理是相似的，因此下面以p i n 光电二极管为例，对光电二极管 的原理及特性作简单介绍。 2 2p - i i i 光检测器的工作原理 s i p i n 二极管的结构示意图，如图2 1 所示。由中间掺杂极低接近本征半导体的材料i 层隔开 的p n 结构成。器件工作时被加上足够大的反向偏置电压( 约。至6 伏) ，使本征区中的载流子完全 耗尽，形成耗尽区。当入射到检测器上的光子能量等于或大于半导体材料的带隙宽度时，价带中的 电子吸收了光于能量而跃迁到导带，产生自由的电子空穴对。电子一空穴对的产生主要发生在耗尽 区内，一旦电子一空穴对产生后，高的耗尽区屯场使它们立即分开，各自向相反的方向漂移，到达耗 5 硕士论文 第2 章光检测器 尽区边缘时被收集。在外电路产生电流，即光生电流。 光 p i n 光电二极管 图2 1s i - p i n 二极管的结构示意图 出 为使入射光功率能有效地转换成光电流，入射光光子能量必须在耗尽区内被半导体材料有效地 吸收，因此要求耗尽区足够厚，材料对入射光的吸收系数足够大。 2 3 光检测器的主要工作特性 光电二极管的主要1 作特性包括量子效率和响应度、响应时间或响应速度、噪声特性等。 2 3 1 光波长响应 产生电子一空穴对所需要的能量就是材料的带隙能量。材料电子经光辐射得到的能量等于 v ，而，= c 。兄，其中h 为普朗克常数，意味着光检测器的截止波长为 九。= 孕 e 。 例如，i n g a h s 材料可用来制造工作波长为1 3 岬和1 5 5 1 _ l m 的光电二极管。 2 3 2 量子效率和响应度 ( 2 1 ) p i n 光电二极管的量子效率玎表示入射光子转换成电子的效率，它定义为单位时间内产生的光 电子数与入射光子数之比，即 6 硕士论文 第2 章光检测器 产生的电子空穴对数 叩2 了溺再霸r 一 = 也h i = ( 1 一吩) 1 可叫) ” 最 、 。 o ( 2 ，2 ) 若b 斗0 ，对于某些材料，要获得高的量子效率，耗尽区要厚。 p i n 光电二极管的响应度定义为平均输出光电流与平均入射光功率之比，即 r = 鲁卫h f ( a w ) ( 23 ) 2 3 3 响应时问 表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的响应时间，通常用光检测器受阶跃光脉冲照 射时，输出脉冲前沿从输出最大值的l o 点到9 0 点之间的时间间隔( 即上升时间) 来衡量，如图2 2 所示。脉冲后沿的下降时间对完全耗尽的光电二极管来说与前沿的相同，但在耗尽层未耗尽的低偏 压下两者可能不同。 2 3 4 暗电流 图22 响应时间 当光g - 极管反偏时，即使没有光辐射也会产生一个较小的反向饱和电流流过器件，这个反向 饱和电流被称之为暗电流。例如，i n g a a sp i n 光电二极管的暗电流典型值为o i n a 。 硕士论文 第2 章光检女0 器 2 3 5 结电容 光检测器的结电容是指光电二极管的p n 结电容，它对光检测器的响应时问和其后放大器带宽有 很大的影响，所以讨论p n 结电容对接收机的影响必须结合放大电路来进行。 光检测器在接收机中使用时与偏置电路及放大器连接，如图2 3 所示，光检测器与放大器电路 及等效电路 图2 3 光检测器与放大器电路及等效电路 图中c k 为光检测器的结电容；r 为偏置电阻；见和q 为放大器的输入电阻和输入电容；疋 为检测器的串联电阻，通常很小与r 、r 比较可以忽略。 1 ) 结电容对光检测器的响应时间的影响 设r r = r 兄、c ；= c ：+ c k ，则光检测器的1 0 铲9 0 的电路上升时间为 靠c = 2 2 碍g 为了提高响应速度，必须降低时间常数r ，c ；。 2 ) 结电容对光检测器后放大器带宽的影响 放大器的带宽受放大器的等效输入电阻r y ，和等效输入电容c r 的限制，即： 五2 壶 要求放大器有较宽的带宽，则要求有较小的晦c r 时间常数。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由以上两点可以看出，时间常数碍g 越小越好。对光检测器本身来说，应尽量降低结电容( 、尸 r 一g o g a 。”一1 r 8 ( 2 6 ) 硕士论文第2 章光检测器 式中c o 为真空介电常数；为二极管材料的相对介电常数；a 为结面积，h 为结厚度。 光电二极管的总电容除了c k 外，还耍记入封装电容，通常封装电容更大a 般对于高速系统 中的p i n 光电二极管，总电容小于0 ，8 p f 。另外，结电容大小还与反向偏压高低有关。 而对于前置放大器来说，要减小时间常数辟c r ，就要减小等效输入电阻墨。 2 4 光检测器的等效电路 为了分析和模拟，电光检测器可以用两个电流源和结电容相并联的支路来代替，如图2 4 所示。 图2 4 光检测器的交流等效电路 其中是由光检测器经入射光产生的电流，毛代表暗电流a 若作为独立屯流源考虑就可以 用s p i c e 中的s i n 、p u l s e 、p w l 语句来描述。 2 5 光检测器的噪声特性 光检测器的噪声性能对接收机的设计产生重大的影响。光子激励产生的光生载流子是随机的， 不是每一个光子都能产生光生载流子，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，是检测器固有的，无法避免的。此外，雪崩二极管因雪崩过程带来的倍增随机噪声， 将远大于量子噪声。 与光检测器有关的噪声由以下几部分组成： ( 1 ) 信号入射到光检测器上时的随机起伏及光电子产生和收集过程的统计特征。信号光电流 中不但有信号成份，还有噪声成份，这种量子噪声( 霰弹噪声) 与信号电平成正比； ( 2 ) 对于a p i ) ，由于倍增过程的统计特性而产生的附加霰弹噪声，它随倍增系数的增高而增 9 硕士论文第2 章光检测器 加； ( 3 ) 无光照时光检测器中流通的赔屯流，这也是一种霰弹噪声，随倍增系数的增高而增加： ( 4 ) 表面漏电流产生的霰弹噪声，与倍增过程无关； ( 5 ) 背景噪声。 如采用a p d ，量子噪声和倍增随机噪声将是主要的接收机噪声，因此前置放大器不必是超低噪 声的，可以牺牲些噪声性能来展宽带宽和降低成本。如采用p i n ，前置放大器的噪声将是主要的 接收机噪声源，设计的重点是低噪声，为此可能要采用一些补偿措施，以满足带宽的要求。 对于光检测器其后的噪声，主要来自前置放大器，其中包括电阻热噪声以及晶体管器件内部噪 声。 1 0 硕士论文第3 章前置放大器原理及特性分析 第3 章前置放大器原理及特性分析 3 1 前置放大器 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。 前置放大器在光接收机中处于光检测器之后，而光检测器输出的是电流信号，所以前置放大器 要有将信号从电流形式转化为电压形式的功能。另外光信号在经历了长距离的光纤传输后，到达接 收端时已经非常微弱，如果放大器本身又引入很大的噪声，后一级放大器会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，信噪比不会得到改善。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。同时前置放大器要提供一个合适的传输函数 3 1 。 所以前置放大器的作用总结为： ( 1 ) 将电流信号转化为电压信号； ( 2 ) 提供较大的放大倍数： ( 3 ) 引入较小的噪声； ( 4 ) 提供合适的传输函数。 对前置放火电路的设计有以下几点要求： ( 1 ) 前置放大器应该有较高的跨阻增益，以避免由于后接的主放大器噪声影响而引起的信噪 比的下降； ( 2 ) 前置放大器的频带宽度应该尽量展宽。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码速率的要求； ( 3 ) 光接收机的灵敏度要高，这就要求前置放大器等效输入电流噪声尽量低，这样我们在采 用普通的p i n 二极管时，也可以获得较高的灵敏度： ( 4 ) 输入阻抗足够的小，咀避免由于光检测器寄生电容对带宽的影响。 这几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、带宽利灵敏度应该保持相对稳定。 通常采用跨阻放大器作为前置放大器。通过低阻值的反馈电阻给放大器的输入端提供负反馈用 以实现具有一定增益、低输入阻抗的放大器，从而既可以保证低噪声，又有大的带宽和动态范围。 硕士论文箱3 章前置放大器原理及特性分析 3 2 跨阻放大器 跨阻放大器是利用电阻尼提供电压并联负反馈来实现电流信号到电压信号的转换。跨阻放大 器的形式简单，如图3 1 所示，跨阻放大器的基本结构”。 图3 1跨阻放大器的基本结构 为了更清楚地了解跨阻放大器的特性，我们首先对电压并联负反馈的基本特性进行分析。 3 2 1 电压并联负反馈 电压并联负反馈放大电路的组成框图，如图3 2 所示，可咀看成是流控电压源。 3 2 1 1 互阻增益 图3 2电压并联负反馈放大电路的组成框图 铲而a r = 击= 告 式中r = 4 ，巴，称为环路增莓，指沿环路变换到f f 所经历的传输增益。 d ：1 + t ，称为反馈深度，表示放大器施加反馈前后增益变化倍数。 ( 3 1 ) 硕士论文 第3 章前置放大器原理及特性分析 3 2 1 2 负反馈提高增益的稳定性 由于电源电压、环境温度和负载晶体管参数变化等原因会引起放大电路增益的不稳定，引入负 反馈可以大大提高增益的稳定性。 假设电路满足深度负反馈的条件，即 则由式( 3 d ( 3 2 ) 得 d i = i + a , f g i i ( 3 2 ) 匀。惫2 专 ( 3 3 ) 该式表明，在深度负反馈情况下，闭环增益几乎与基本放大电路的增益无关，只取决于反馈系 数最。 增益稳定性定义为开环增益的相对变化量与闭环增益相对变化量的比值，表示a f ( 或如) 对 a ( 或4 ) 变化的敏感程度。即 一：竺丝：些 ? a | l a a | a 假设信号工作在中频，反馈网络为纯阻性，则反馈方程式可写成 4 ，= 型 o 1 + a f ( 3 4 ) ( 3 5 ) 设开环增益爿增加至4 ，a a = a 1 一a ，相应的闭环由a ，增至a ，l ，彳，= a ，l a ，则 屿鸣一4 2 南一而a2 矿羽a 而a 可 ne ) 因此，闭环增益的相对变化量为 竺：1 _ 丝：_ 1 _ 一一a a ( 3 7 ) a s 1 + 4 fa1 + ( a + 鲋) fa 若4 1 ，则上式可以化为 哪咖焉一而r f z z ， 从式( 3 2 1 ) 可以看出，该跨阻放大器的中频跨阻增益约为r i ，一3 d b 带宽为 4 c o h f2 面 ( 3 2 3 ) 根据以上分析，当a 和c r 一定时，反馈越深，即r y 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。从这个角度想，我们希望反馈尽可能 的深，即r ，尽可能的小。但是另一方面，反馈越深，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。从这个角度想，反馈不能太深，即r ，不能太小。所以应适当选择反馈电 阻r ，的氲 从以上分析还可以看出，减小q 的值，可以增加跨阻放大器的带宽。当r ，和c ；一定时，反 馈放大器的带宽和基本放大器的增益( 开环增益) 成正比。 3 3 前置放大器的噪声特性 在讨论前置放大器的噪声之前，先简单分析光接收机的噪声。 光接收机的噪声主要来自于两个方面，一方面是外部的噪声，另一方面是光接收机的内部噪声。 外部噪声包括米白自然环境和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 屏蔽等方式减弱或防止。 但内部噪声是在接收机内部产生的，是伴随信号的接收、检测与放大过程产生的。人们只能通 过电路的设计和工艺的改进来尽量减少它，却不能完全消除它。它使光接收机最小可接收的平均光 功率受到限制，即决定了光接收机的灵敏度。 所以我们主要讨论光接收机的内部噪声，包括光检测器噪声( 在上一章已经介绍过) 和前置放 1 9 硕士论文 第3 章前置放大器原理及特性分析 大器噪声。 3 3 1 接收机等效电路及噪声分析 如图3 ，8 所示，光接收机前端的交流等效电路【4 】o 图3 8 光接收机的交流等效电路 等效电路中各符号的说明： l ： 输入的光电流，即光检测器的输出信号 c 。： 光检测器的结电容 r 。： 前置放大器的输入电阻 c 。： 前置放大器的输入电容 一( 国) ：前置放大器的频响函数 日( o ) ：均衡滤波器的频响函数 在这里光检测器被认为是一个理想的电流源。如果不计光检测器的噪声，那么接收机的噪声源 将是前置放大器的噪声，它包括两部分： s j ：包括光检测器负载电阻的热噪声在内的并联噪声( 屯( f ) 、f 。( ，) ) 电流源噪声谱密度 s f ： 串联噪声电压源噪声谱密度 由图得到系统总的输入阻抗z 。为： 乙= 专= ( 去巾盯1 其中，q = c p + c a ，r r = r 。r ( 3 2 4 ) 硕士论文第3 章前置放大器原理及特性分析 由于串联噪声电压源& 产生的电流噪声谱密度为s 。1 z 。1 2 或& i k1 2 ( a 2 h z ) ，在& 和 叠相互独立的情况下，接收机的总的等效输入噪声电流谱密度为 墨+ 鞋，j 乙j 2 = 墨+ s 。 r 1 i + ( z 丌q ) 2 ，2 c 。z s ， 必须强调，上面分析中没有涉及光检测器的噪声，因此( 厂) 上述实际上是放大电路的噪声谱 密度a ( 厂) 的计算需要知道& 和s ，这就需要结合具体的前置放大器进行讨论。 3 3 2 前置放大器的电路噪声 模拟电路中的噪声源可阻分为两类：器件噪声与干扰。热噪声、散弹噪声和闪烁噪声属于前者 主要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。 这里，我们主要介绍由电阻和晶体管产生的器件噪声，关于对衬底噪声和电源噪声的抑制问题 我们将在电路设计和版图设计过程中考虑和介绍。 这里我们针对设计选用的c m o s 工艺中的场效应管进行分析。 3 3 2 1 热噪声 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。即使电阻中的平均 电流为零，热噪声仍然存在。所以热噪声的功率谱密度是与绝对温度成比例的。 热噪声可以用电流噪声源或电压噪声源来表示，如图3 9 所示，图中r 为理想电阻【“1 。 图39 电阻热噪声的等效模型 一个阻值为r 的电阻，产生的噪声电流，其功率谱密度为： 硕士论文第3 章前置放大器原理及特性分析 墨( ，) = 4 k t r = 4 k t g 如果等效为噪声电压，其功率谱密度为 品( 厂) = 4 k t r ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 式中，k 为玻尔兹曼常数，r 为热力学温度。 从上式可以看出，电阻热噪声的功率谱密度与频率无关，为常数，因此属于“白噪声”。实际上， & ( ) 曲线直到1 0 0 t h z 仍然是平坦的，更高的频率才开始下降。 2 场效应管的热噪声 ( 1 ) 漏极热噪声( 沟道热噪声) 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动工作的，因此，沟道中多子的不规则热运动会在场效 应管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要噪声源。 当场效应管工作在饱和区时，其沟道热噪声电流功率谱密度为： s ( 力= 4 k t y ( 3 2 8 ) 对于氏沟道器件，“2 3 ，对于短沟道器件，“2 3 。在某种程度上y 也还随漏源电压而 改变。 ( 2 ) 栅极噪声 除了沟道热噪声，沟道热噪声的扰动引起另一个很重要的现象：栅极噪声。沟道电压的扰动容 性耦合到栅极，导致栅极电流噪声。这个噪声在低频处可以忽略，但是在高频处影响很大。 栅极噪声电流可以表示为 i 0 9 2 = 4 k t d g g a f ( 3 2 9 ) 其中a f 为噪声带宽，参数可由下式得到 2 c 。2 岛2 专 对于短沟道m o s 管，给出占的经验值为4 6 。 由于栅极噪声和沟道热噪声的起源相同，所以两者是相关的。 记及沟道热噪声的和栅极热噪声的场效应管噪声等效电路，如图3 1 0 所示。 2 2 ( 3 3 0 ) 硕士论文 第3 章前置放大器凰理及特性分析 g 3 3 2 ，2 散弹噪声 s 图31 0 场效应管噪声等效电路 d 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。 其均方值电流为 2 = 2 q l c a f ( 3 ，3 1 ) 式中q 是每个载流子所载的电荷量，i g 为栅极漏电流，a f 为噪声带宽。 3 3 2 3 闪烁噪声 闪烁噪声又称为低频噪声或1 ，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，般认为这种噪声是由于半导体晶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。闪烁噪声也存在于电阻等耗能器件中。低频时，晶体管的噪声主要由它决定。 闪烁噪声的数学表达式如下 z = 尘c 。= w l ， ( 33 2 ) k 是和器件相关的经验参数，v 为噪声带宽。 顶士论文第3 章前置放大器原理及特性分析 3 3 2 4 电源和衬底噪声 虽然高速电路大多采用全差分结构，但还是受到电源和衬底噪声的影响。有三种效应造成了 这种影响，如图3 1 1 所示。 图3 1 1 差分放大器噪声 ( 1 ) 器件的不匹配降低了电路的对称性； ( 2 ) 差分对共源端的总电容( 即m l2 的源极总结电容与下部电流源相关的电容) 将电源和 衬底噪声转变为电流，调制了增益级的延迟 ( 3 ) 每一个晶体管的漏极电容都与p 和k f m 相关，当噪声出现在任何一个电压上时，都 会调制每一级的延迟。 3 3 3 跨阻放大器噪声分析 对于跨阻前置放大器，影响其噪声性能的因素主要有电阻噪声以及晶体管对输入端的等效输入 噪声。 由前论述可以知道，用等效输入电流噪声或等效输入电流噪声功率谱密度来衡量前置放大器的 噪声性能。假设s 。( 厂) 为前置放大器等效输入电流噪声功率谱密度函数，那么在前置放大器输入端 功率谱密度函数为s e q ( ，) 的电流噪声源在输出端产生的噪声功率与前置放大器电路内部噪声在输 出端产生的噪声功率相等。等效输入电流噪声由下式给定 i = 毫qs ，u ) ( 3 3 3 ) 硕士论文第3 章前置放大器原理及特性分析 这里表示理想带通滤波器情况下等效噪声的带宽。 s 。( ，) 主要来自于前置放大器的第一级，跨阻放大器，后续电路的噪声影响可以忽略不计。 最简单的m o s 场效应管跨阻放大器的电路图，如图3 1 2 所示。 v c c 图3 1 2 场效应管跨阻放大器 该电路的主要噪声源有： 反馈电阻的热噪声谱锻为：石2 i 4 k t 负载电阻的热噪声韶度为：石= 4 k _ y _ r m 管的散弹噪声谱密度为：1 。2 g = 2 9 乇 m 管的沟道热噪声谱密度为：矗1 = 4 k t y g , m 管栅极噪声谱密度为：巧= a 七阿孥 假设各个噪声源是非相关的，忽略m 1 管的闪烁噪声和电路中其他噪声源，m o s 场效应管跨阻放 大器的等效输入电流噪声功率谱密度函数为： 硕士论文 第3 章前置放大器原理及特性分析 s 。q ( f ) = 丐+ 巧+ 巧+ 紫 吉+ ( 2 石厂) 2 ( + ) 2 】 等撇r 万等+ 谨+ i 4 k t y ，畴坤硼吲2 ， 式中：r ，：反馈电阻 乇：场效应管m 的栅极漏电流 g 。：场效应管m 的跨导 巳、：场效应管m 1 的栅源、栅漏电容 k ：波尔兹曼常数 r ：绝对温度 y ：与f e t 材料有关的系数因子 从式( 3 4 釉可以得出结论： 3 q - ( 1 ) 反馈电阻r ，越大，跨阻放大器的噪声越小 j ( 2 ) 放大管m 的栅极漏电流，6 越小，跨阻放大器的噪声越小 ( 3 ) 放大管 以的跨导g m 越大，跨阻放大器的噪声越小 ( 4 ) 放大管m i 的栅源电容和栅漏电容( 0 越小，跨阻放大器的噪声越小 ( 5 ) 频率厂越低，跨阻放大器的噪声越小。 ( 3 3 4 ) 硕士论文 第4 章跨阻型前置放大器设计与仿真 第4 章跨阻型前置放大器设计与仿真 4 1 设计指标 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幅度的电压脉冲信号 实现工艺：t s m c0 3 5 “mc m o st 艺 工作速率：2 5 g b s 适用系统：s d hs t m 一1 6 电源电压：+ 5 v 考虑光检测器寄生电容典型值：0 5 p f 考虑光检测器输出电流最小值：5 u a 过载电流：l m a 工作温度：o 一6 0 摄氏度 4 2 系统结构 跨阻型前置放大器的系统框图，如图4 1 所示 跨阻放大器 铲 bc p n 上_ r - 。单端转双端 图4 1 跨阻型前置放大器的系统框图 图中，为光检测器等效电流源，c 为光检测器寄生电容：跨阻放大器将光检测器输出电流 转换成电压并适当放大；r 、c 和一级差分放大器构成单端一双端转换电路，将跨阻放大器输出的 单端电压信号转换成双端电压信号，以适应后续电路主放大器双端输入的要求。 2 7 硕士论文 第4 章跨阻型前置放大器设计与仿真 4 2 1 跨阻放大器 基本形式的跨阻放大器电路，如图4 2 所示。 v d d 图4 2 基本形式的跨阻放大器电路 图中，m n 和r l 构成共源放大器。m n f 和m n s 构成n 型源极跟随器，用于进行电平位移和阻 抗变换。m p l b 2 和m n i b 2 构成的偏置电路为该源极跟随器提供偏置电压。共源放大器和n 型源极跟 随器构成基本放大器。反馈电阻j 0 跨接在基本放大器的输入端与输出端之间，提供电压并联负反 馈，从而实现将电流转换为电压的功能。m p f 和m p s 构成p 型源极跟随器，用于抬高工作点，使输 出工作点满足后续电路的要求，m p i b l 、m n l b l 和m n 2 8 1 构成的偏置电路为该源极跟随器提供偏置 电压。 由跨阻放大器的基本特性可以得出 ( 1 ) 反馈越深，即反馈电阻尼越小，跨阻放大器的频带越宽、输入电阻越小 ( 2 ) 基本放大器的电压增益( 开环增益) 越大，跨阻放大器的频带越宽、跨阻放大器的输入 电阻越小。 硕士论文 第4 章跨阻型前置放大器设计与仿真 4 2 2 基本差分放大器 在带宽满足要求的条件f ，可以再级联一级差分放大器，从而进一步提高前置放大器的增益。 基本差分放大器的电路结构如图4 3 所示。采用差分的电路形式可以使输入信号对电源电压和温度 的变化不敏感，并且在宽频带和高增益的情况下，可以较好地抑制干扰。 v o d 4 2 3 线性有源电阻1 1 3 图4 3 基本差分放大器的电路 跨阻放大器是单端输出，而基本差分放大单元是双端输入的，两者之间需要一个r c 低通网络 来实现单端到双端转换。其r c 常数决定了前置