（微电子学与固体电子学专业论文）硅基光接收集成宽带放大器设计.pdf

摘要 唑s l 4 2 8 8 介绍了限制宽带放大器频带宽度的因素，通过分析m o s f e t 的本征参 数、寄生参数对频率特性的影响，提出了采用短沟器件、使m o s f e t 工作 在饱和区、抬高栅源电压等提高m o s f e t 特征频率的方法；分析了不同电 路组态对放大器频率特性的影响、节点电压对电压模电路、电流模电路频率 特性的不同影响，根据应用于双极晶体管电路的跨导线性原理，提出了采用 m o s f e t 构成的电流模放大电路、电流传输电路、输出电路以及由它们所 组成的宽带放大器，获得了良好的频率响应。该宽带放大器具有很好的应用 前景和广阔的市场空间。 关键词：宽带放大器带宽电流放大器频率特性 a b s t r a c t t h ef a c t o r sl i m i t i n gt h ef i e q u e n c yb a n do ft h ew i d e b a n da m p l i f i e r a r ei n 订o d u c e d t h r o u 曲a n a l y z i n gt h ee 髓c t so fm ei n 仃i 1 1 s i cp a r 锄e t e f s a 1 1 dp a r a s i t i c a lo nt 1 1 e 丘e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，am e m o do fi m p r o v i n g o f m o s f e tb yu s i n gs h o nc h 锄e ld e v i c ea n dm a k i n gm o s f e t w o r ka tt 1 1 es a t u r a t i o nr e g i o nt 1 1 r o u 曲r a j s 堍i sp u tf o n v a r d ；1 1 1 e e 氐c t so fd i 鼠r e n tk i n d so fc i r c 试t c o 瓶g u r a t i o n s o n t h e 矗e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa n dt 1 1 ej u n c t i o nv 0 1 t a g eo nm ev o i t a g ep a t t e mc i r c u i t ， c u r r e n t p a t t e m c i r c u i ta 1 1 d 丘e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa r e a 1 1 a l y z e d a c c o r d i l l g t om e i 血e a r 也e o r yo f 缸m s c o n d u c t a i l c ew i l i c hi sa p p l i e di nt 1 1 e b ，rc i r c l l i t ，m ec 叫e mp a t t e ma m p l i 丘e rc i r c u i t ，c u r r e n t 廿a 1 1 s f e rc l r c u i t a n do u t p u tc i r c u i tw 1 1 i c hc o n s i s to fm o s f e ta i l dt h e 、v i d e - b a l l d 锄p l i 丘e r c o m p o s e do ft h e ma r ep u tf o ，a r d a n dg o o d 丘e q 、l e l y 他s p 日n s ei s o b t a i n e d e ) ( t e n d e da p p l i c a t i o n sa 1 1 dh u g em a r k e ta r ep m m i s e d k e y w o r d s ：w i d e b a l l d 锄p i i f i e r b a l l dw i d mc u 玎e n t a r l l p l i f i e r f r e q u e n c yc h a m c t e r i s t i c s 摘要 信息时代的到来给网络传输提供了更广阔的市场和发展动 力，同时也提出了更高的性能要求。“最后一公罩“问题的解决， 目户终端数掘传输速度的提高迫切需要+ 种低成本，性能高的集 成宽带放大器。 而传统的双极型运算放大器的带宽一般最多为几十 m h z ，根本不能满足用户对宽带视频、多媒体等业务的 需求。而限制其带宽的原因可以分为两方面：1 器件 结构2 电路形式。根据低成本的要求以及当前集成 i 乜路的发展趋势，采用标准c m 0 si 。艺来设计集成 宽带放大器。 1 器件结构 m 0 s f e t 的结电容将影响节点的电压变化率，从而 降低放大器的带宽。通过对m 0 s f e t 的本征电容、寄 7 e 电容的分析，得到了减小结电容的方法：1 使 m o s f e t ：i ：作在饱和区，此时c 。，等r 零。这将有利于 提高频率响应和稳定性。2 根据c 。= = c 。耽知，在不 3 改变阡的情况下，应尽量减小w l ，即采用最小面i l 1 ；： 晶体管。 根据m o s f e t 的本征电容、寄生电容，并考虑到制造过程 t i 一形成的栅源覆盖电容c 0 栅漏覆h 电容( 0 ，源一衬底 p n 结电导等得到m o s f e t 的小信号模型，在此基础上 进而考虑到沟道电阻对c 。和c 。，的允放电的影响及信弓在 沟道中的传输延迟对m o s f e t 频率特降的影响得到其分伽 模型。根折：分和模型得到m o s f e t 的戡【t 频率为： 1 ， 厂= 二等( 一i j ) 6 丌l 从m 缁剑改普m o s f e t 频率响应的途伟：1 提高载流f 的迁移率 从，因此在信号通道中宜采用n m o s ；2 提高m o s f e t 的 【：作点，即i lm o s f e t 工作在大电流：队念。3 尽可能减小沟 道长度，即采用短沟器件。 采用s 0 i 技术将有助于改善器件的频率响应和其它性 能。 2 ，电路形式 电路形式对电路的频率响应存在较大影响。通过对共源、 共栅组态的频率响应分析可知：共栅组态对应较小的密 恸电容而有较好的频率响应，具有电流传输特性。同时 采用负反馈和零点极点对消技术也将改善电路的频率响应。 零点极点对消技术是通过在电路中应入零点来抵消电路的另一 个节点，从而扩展带宽。 共栅组态实质可归于电流模放大器。电流模放大器与传 统的电压模放大器之间存在较大差别。电压模放大器从电压的角 度末考虑信号的传输，节点等效电容的存神二将降低节点电压的变 化率，因为节点电压的变化需要通过对恬点电容的充放电束实 现，从而限制了放大器的带宽。 然而，当从电流模的观点束考虑时，节点电容的影响将会 出于减小了节点电压的波动而变得很小，而且采用跨导线性坏 时，电路性能与器件的偏置大小基本无关，仅取决于偏置电流比。 从双极晶体管电路提出的电流模放大器也使用于m o s f e t 电路。 通过采用近似，可以推导出与双极晶体管电路提出的电流模放大 器相似的电流放大表达式。而且可以证明这种近似的合理性。 通过采用跨导线性环构成的电流传输器、互阻放大器和输 出级及有它们构成的宽带放大器均具有良好的频率响应。宽带放 大器的频带宽度可以达到5 0 0 m h z ，远远高于现在的宽带网络用 户接入端的带宽1 0 m h z ，而且采用的是标准c m o s 工艺，其低 廉的价格和良好的频率响应使它在迅速发展的宽带网络业务中 县有极强的竞争力和巨大的市场空f s j 。 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 通信技术的发展与光纤通信 随着通信技术的不断发展，通信业务将从单一的话音业务过渡到话音、 数据和图象的综合业务。宽带视频、多媒体业务、基于口的实时准实时 业务等新兴数据、图象业务的社会需求不断增长，将要求网络有更多的带 宽资源。而原有双绞线为主的传统物理网络，传输速度慢，建设成本高，敷 设周期长，增值业务少，其网络带宽越来越成为阻碍通信进一步发展的瓶颈。 高速宽带综合业务网络已成为本世纪通信网络的发展趋势。 光纤通信因为频带宽、通信量大、中继距离长、保密性强、抗干扰能 力强等优点而备受重视。8 0 年代初，激光通信进入应用发展阶段。从此， 光纤通信的传输容量以超过摩尔定理的速度飞速发展。通信光纤元件的全球 销售额从1 9 7 5 年的2 5 0 万美元扩展到2 0 0 0 年的1 5 8 亿美元，年平均增长率 达4 2 ，预计到2 0 2 5 年达7 3 9 0 亿美元【2 】。现在，光纤通信不但是一种新 技术，而且也成为了一种比较成熟的产业，拉动国民经济的增长，成为综合 国力的体现。 我国形成了较为完整的光纤通信产业，具有世界上最大的光传输网络。 光缆总长度达1 2 0 公里。由于我国信息化程度加快，多网络竞争格局的形成 和光纤应用领域向接入网转移，我国光通信将以年均1 5 2 0 的速度发展 ”1 。高速宽带通信网、本地网、接入网等的建设规模将进一步发展。 1 2 硅基光电集成电路的发展概况 宽带接入网是消化光产品的生力军，光缆接入尤其是城域网n o c a l a r e a n e 咖r k ) 中的宽带接入，对光通信产业产生了越来越大的推动作用。如l a n 、 w a n 、智能大楼综合布线系统等。而局域网宽带接入需要有相对廉价、高 可靠性的光电收发模块，如：高速光探测器、宽带前置放大器、p l l 、多路 复用输入输出选择器等。 采用传统方法，无法将光探测器和前置放大器集成在同一衬底上1 4 】。 1 壁苎垄壁塑塞堕童堂垫查堡堡! ! 塑堕查兰堡兰兰堕望兰一 在集成电路外部将光探测器和前置放大器连接起来，不仅会使成本较高，使 用不方便，而且由于需要引线在集成块外部将光探测器和前置放大器连接起 来，这会引入较大的寄生电容，给前置放大器的带宽带来很大的影响。 全球信息化的强烈趋势，在推动了微电子技术继续向前发展的同时， 正促成光电子、光子技术迅猛发展。光电子技术的兴起将信息的处理过程提 到了一个新的高度。其中硅基光电子技术以其特有的优势，在信息化的进程 中占有极重要的地位。由于硅基光电子集成中的关键技术与微电子相容，超 大规模集成在微细加工设备与工艺技术的高度发展为硅基光子集成提供了完 善的平台。移用v l s i 的s o i ( s i l i c o n 0 n i n s u l t o r ) 技术，可在s o i 衬底上， 采用标准c m o s 工艺，集成高速光探测器。最近有关于在s v i o x 上集成了 应用与2 vc m o so e i c 的p i n 光探测器的报道f 4 】。本课题的合作单位天 津大学电子信息工程学院已研制出基于s o i 衬底的瓯，g ，的p - i - n 光探测 器吲。这样就可以采用标准c m o s 工艺将光探测器和前置宽带放大器集成 在同一衬底上，不仅降低了成本，而且因寄生电容等寄生参数的减小而大大 提高了电路的可靠性和响应速度，促进了局域网宽带接入的发展。 1 3 宽带放大器的发展概况及研究意义 与高速宽带网发展不相适应的是高性能的o e i c 的发展。常用的宽带 大器的频带宽度只有几十m ，虽然采用g a a s 制成的宽带放大器可以达到g 1 1 z 的带宽，但由于其高昂的成本使其只局限于应用在光纤骨干网，使得进入用 户端的网络带宽很窄。这就是所谓的“最后一公里”问题。显然，缺乏合适 的廉价高性能的宽带放大器成为限制宽带网络迅速发展的原因之一。因此， 研究低成本高性能宽带放大器对解决“最后一公里”问题，推动宽带网络的 发展具有十分重要的意义。 由于工艺方面的原因，双极型集成电路的发展较m o s 集成电路成熟， 而且也具有较好的频率响应。然而，随着v l s i 的迅速发展，m o s f e t 集成 电路的工艺日趋成熟，特别是c m o s 工艺因其低成本、低功耗已成为集成 电路发展的主流。研制基于标准c m o s 工艺的集成宽带放大器也将成为o e i c 的发展方向之一【6 】。但如果直接将传统的放大器的设计方法应用于c m 0 s 2 硅基光接收集成宽带放大器设计湖南大学硕士学位论义 宽带放大器，将不会得到好的效果，因为m o s f e t 有其固有的局限使它的 频率响应较双极晶体管差。这也是现在基于标准c m o s 工艺的集成宽带放 大器发展缓慢的原因之一。 现有的放大器一般采用电压放大的形式，即从电压模的角度来考虑放 大器的设计。这样就使得电路信号通道中的节点电压波动较大，节点电容对 转换速率、信号的附加相移等的影响将双极型放大器的带宽限制在几十m h z 的范围内。这个值远远低于双极晶体管的疋，没有充分利用晶体管的性能。 若采用m o s f e t ，其带宽会更窄，远远达不到高速宽带网对带宽的要求。 本设计采用了近年来发展非常迅速的电流模设计方法【7 2 8 0 9 3 0 l ，即从电 流模的角度来考虑电路的设计。这样，在电路的信号通道中传递的是电流信 号而不是电压信号，节点电压的变化幅度很小，从而大大减小了节点电容对 电路性能的影响，从而提高了放大器的频率响应。( 对双极晶体管，电路的 工作频率可达到丘) 电路的性能主要取决于元件的匹配程度，与偏置电流 的绝对值大小或负载电阻基本无关，且具有恒定的带宽和非常高的转换速 率。正是由于采用电流模放大器，使采用m 0 s f e t 作成的放大器的频带宽 度可以达到几百m h z 。 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 第二章m o s f e t 的结构及工作原理 2 1 引言 1 9 4 7 年b e l l 实验室研制出了第一只双极晶体管，从此拉开了信息时代 的序幕。随着对半导体器件及其制造工艺的研究不断深入，通过对半导体表 面效应的深入掌握，于1 9 6 0 年制造出了金属一氧化物一半导体场效应晶体 管( m o s f e t ) 。然而，7 0 年代以前，m 0 s 集成技术并未被模拟集成电路 广泛采用。随着m o s 集成技术的不断发展，m o s 电路因它特有的优点而 备受重视。如： 功耗低。般m 0 s f e t 的工作电流只有几十微安，因此每个m o s 电 路的基本单元的功耗只有几毫瓦甚至几微瓦，新型的m o s 电路甚至可以在 纳瓦下工作。它的功耗只有普通双极晶体管和集成电路单元功耗的百分之 一，乃至万分之一。 电路结构和制造工艺简单，成品率高。双极型集成电路通常要采用晶 体管和电阻来组成电路。在m o s 集成电路中常以m o s 管代替电阻，实现 了单一元件一m o s 管组成的电路。由于m o s 管的高阻抗输入不需要推动 电路，使得电路间的m o s 管可以直接相连，这就使得电路的结构大为简单。 其次，由于m o s 电路一般不需要“隔离“( c m o s 集成电路需p 阱或n 阱 隔离) ，省去了制造元件之间的”隔离“工艺。另外，由于m o s 管只是一 种三层( m o s ) 结构，省去了制造双极型电路多层结构的不少工艺， 使得m o s 集成电路的制造工艺要比双极型电路简单得多，一般可以省去 3 0 5 0 的工序。电路形式简单和制造工序少，就使得m o s 电路具有较 高的成品率，从而导致成本降低。 集成度高。m o s 管本身具有的特性蕴藏着提高m 0 s 电路集成度的巨 大潜力：每个m o s 管的功耗小，允许更多的m o s 管集成在一起，散热问 题容易满足。m o s 电路中个m 0 s 管之间不需要特殊的“隔离“方法，在硅 片上省去了”隔离槽“的面积，使得硅片的有效利用率大大提高( 一般可以 提高4 0 左右) 。m o s 管本身面积小。通常一个m 0 s 管占用硅片面积仅为 4 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕t 学位论文 o 0 0 0 5 平方毫米，只有双极晶体管的四分之一。这就使得在相同的硅片上可 以集成更多的元件。 所有这些都使得m 0 s 集成技术迅速发展，并逐渐成为超大规模集成电 路半导体工业中的主导技术。因此，本设计采用m 0 s f e t 作为宽带放大 器的基本单元。 2 2 m 0 s f e t 的基本结构及工作原理 2 2 1 基本结构 利用平面工艺制作的硅栅增强型m o s 场效应管( 以n m o s 为例) ，其 基本结构如图2 2 1 所示。衬底材料为p 一型半导体，在其上生长一层高质 量的薄氧化层( 厚度为f 约8 0 1 0 0 0 a ) ，并在氧化层上淀积多晶硅形成 栅极，在栅极两侧进行”+ 扩散形成源区和漏区。显然，源区和衬底、漏区 和衬底形成两个背靠背的p n 结。正常工作时，将衬底b 接最低电位， 确保有源区和衬底间无电流流过。图中，场氧( f o x ) 作用是用作器件之间 的隔离。m o s f e t 可以看成是具有g 、d 、s 、b 的四端结构。 sgd 图2 2 1n 沟m o s f e t 的剖面图 2 2 2 工作原理 当栅极接零电位时，如前所述，漏区到源区是一个疗+ 一口一胛+ 的结构。 此时，即使在漏源之间加一正电压( 衬底电压为0 ) ，由于漏区与衬底的p n 结反偏，因此，= o ( 实际上有很小的反向漏电流) 。当栅极电位逐渐 升高时，将有一部分电压降落在薄0 层上，另一部分电压降落在p 型 衬底表面，形成指向衬底内部的表面势，衬底表面中可动的空穴将被推向衬 底，留下固定的受主离子。此时，衬底表面被耗尽。当栅极电压进一步 壁垄堡些叁堕童萱整查塑堡茎 塑堕查堂翌主兰垡堡! 三一 增大时，在衬底表面产生可动的负电荷， 道，表面由p 型转为n 型，即表面反型。 从而在漏源之间出现了一个n 型沟 ( 如图2 - 2 2 ) 此时的栅压叫k 。 图2 2 2n 型m o s f e t 加栅极偏置时的情况 当在漏源之间加一正电压时，由于在沟道中存在横向电场，n 型载 流子将在横向电场作用下运动到漏极，从而形成漏电流j 。改变栅压的 大小，可以控制反型层中反型电荷的数目，从而控制了沟道电流，实现了放 大作用。 2 2 3m o s f e t 的输出特性曲线 m o s f e t 在应用中有多种连接方式，最常用的共源连方式：源与衬底相 连，接地电位，信号从栅极g 输入，经m o s f e t 放大后，从漏极d 输出。 下面分析，。随的变化曲线。 根据s 1 1 i c h m a i l 和h o d g e s 8 1 提出的m o s f e t 单元电路的直流特性模型 f d = 华l 呱一) 一丢阻 ( 2 _ 1 ) 舯 以：n m o s 管的沟道表面迁移率 ( 册s ) c 。= 占彩：栅氧化区单位面积电容( c m 2 ) ，“ ， ：有效沟道宽度 三：有效沟道长度 根据s 的大小，可将m o s f e t 的工作区分为线性区、饱和区、 截止区。 线性区( o 时，对应栅氧化层的衬底表面会感应出，? 型反型层，形 成导电沟道。若此时， 一，由于导电沟道区存在横向电场，沟 道区载流子被横向电场加速，运动到漏区形成k 。显然当增加时，沟 道中的横向电场也增加，使在相同的时间内有更多的载流子运动到漏区，故 ，增加。由于，随c 的增加而增加，此时m o s f e t 的可看成一个大小受 栅压控制的可变电阻。 舻熹= 华( 一巧一) 饱和区( 一) 如图2 2 2 ，当。= p 磊一时，沟道开始夹断，m 0 s f e t 进入临界饱 和。当。进一步增加时，漏一衬底p n 结反偏电压升高，耗尽区将向源 端和衬底扩展。增加的部分将降落在耗尽区，而维持沟道横向电场不变， 从而使载流子从源端运动到漏端的速度不变，即，。不变。( 见图2 2 2 ) 用加在沟道两端的有效电压呱；- 替换式2 1 中的，得到： f 。：妻掣( 一坼) ： ( 2 2 ) 考虑到沟道长度调制效应，实际的，。将随p k 的上升而略有增加，如 图2 2 3 中虚线部分所示。由式( 2 2 ) 可求得跨导： 旷象b = 华( 吲 一hr 以c 凹矿 、“舾 显然，提高静态偏置电压p 击或静态电流，。，有助于提高动态跨导乳， 这将有利于扩展带宽。( 详见第3 章) 】 截止区 当。 ) 由此，可画出本征m o s f e t 的小信号等效电路。 图3 1 3m o s f e t 的本征电容模型 b 坚。 一 、 = 口中其 壁墨娄堡坚叁盛宴堂垫奎矍堕生 3 2m 0 s f e t 的小信号模型 湖南入学硕士学位论文 3 2 1m o s f e t 的集总参数模型 在前面分析m o s f e t 的本征模型时，未考虑其它寄生效应对m o s f e t 的 影响。完整的小信号等效电路还应包括非本征元件。 非本征元件包括栅源覆盖电容c 二、栅漏覆盖电容c 二、源一衬底p n 结电 导9 0 、源一衬底p n 结势垒电容c 0 、漏一衬底p n 结电导g 乙、漏一衬底p n 结势垒电容a 。、源极串联电阻、漏极串联电阻白、以及栅连线电容c 二。 c 二及c 二指多晶硅( 或铝) 与源区及漏区之间m o s 电容。是由于在向有 源区进行+ 扩散时，旆主离子存在横向扩散，从而产生了长度为l 的覆盖 部分川。形成了c 二、c 二。 c p 。c 耐2 c 矿三。， 由于栅氧化层的单位面积电容c 。较大，故c 二、c 二不能忽略。 另外，当采用铝栅时，。，应包括漏源杂质的横向扩散距离与光刻最小套刻 间距之和。而多晶硅栅能在漏源+ 注入时自动阻止离子通过( 即所谓自对准) ， 因此，三。只有源漏杂质的横向扩散距离，而不包含光刻最小套刻间距【1 2 l 。故 c 二、c 二较小。这两者都会对器件的频率特性产生直接影响。其中，c 二会因 密勒效应而产生较大延迟。 由于在实际电路中，衬底与源漏间的p n 结零偏或反偏，故g 二、g 厶通常 很小，而可以忽略，a ，、a 。也都是势垒电容。 图3 2 1m o s f e t 的完整小信号电路模型 b 壁兰垄堡堕叁壁宴塑壁奎壁堡生 塑妻查兰堡圭兰堡笙苎一 3 2 2m 0 s f e t 的小信号分布模型沟道的传输线模拟 在前面推导m o s f e t 的本征电容模型时，忽略了影响m o s f e t 频率响应 的重要因素： 1 c 。，和c 。的充放电电流均需要通过沟道电阻，显然，沟道电阻的存在会 给电容的充放电引入附加延迟。 2 信号在沟道中的传输延迟。在图3 1 3 中，假设了吃变化时立即引起输 出电流的变化，即与输出电流同相位。实际上，比对输出电流的控制 是通过沟道电阻实现的。变化时，沟道中的电荷密度也发生变化，而只有当 沟道中的电荷漂移到漏区时，才会有漏电流的变化，即：吃与输出电流间存在 传输延迟。显然，沟道长度的减小有利于减小这种延迟。 因此，用分布参数模型来分析m o s f e t 的高频特性，本征m 0 s f e t 中 某段沟 b 图3 2 2m o s f e t 的小段沟道放大图 将分布参数模型进行简化，可得到一级近似下的一阶混合模型。 工艺一上， ：百利馨 dg 。 lf 图3 2 3m o s f e t 的一阶混合n 模型 当m o s f e t 工作在饱和区时，有 勺= 詈c 。耽 ( 3 2 - i ) 1 5 硅基光接收集成宽带放大器设计湖南大学硕士学位论文 g ，：要华( 一巧) ( 3 2 2 ) o 铲 1r 、u j ， 显然，从分布模型可以看出： c 。支路增加了电导g 。，这正好对应于放电时需要通过的沟道电阻。 c ，的充放电电流流过沟道电阻g 。时，会在g 。上产生压降，即v 。的部分电压 降落在g ，上。然而，k 对漏电流的控制是通过完成的：c ，两端电压发生 变化，引起反型层的载流子浓度发生变化，从而改变了沟道电阻而使漏电流相 应改变。( 图中恒流源大小为吃而非。) 也就是说：对漏电流起控制作 用的是c 。两倍电压，而非、a 由于g ，上存在压降，这就减小了c 。两端的电 压，而且这种影响会随着信号频率的升高而变大。这也就说明了为什么信号频 率升高时m o s f e t 的放大能力下降。 从图3 2 3 中可看出：恒流源大小 1 ，_ g m 咯鲁 二j _ 二一 g fj 蕊p 2 9 ： 式中g 用为低频跨导2 毒g 岛_ 彘。 一$1 l ，= 。 因此，也可以这样认为：信号频率的升高导致跨导下降，如果m o s f e t 的截止频率定义为跨导下降为低频跨导的；时所对应的频率，则有： 必： l 2 舭妒芒 将( 3 2 1 ) 、( 3 2 2 ) 代入上式，有m o s f e t 的截止频率为： 1 6 硅基光接收集成宽带放大器设计湖南大学硕士学位论文 ；譬也眩一) 产；- 2 石二c ，耽 = 芒鲁( 一巧) ( 3 - 2 - 3 ) 8 石 为了提高本征m o s f e t 的截止频率拓展放大器的带宽，在器件的设计上 应从以下方面考虑： 1 提高载流子的迁移率以，因为p m o s 的载流子为空穴，其迁移率低于 n m o s ，故宽带放大器的信号通道中应全采用n m 0 s ： 2 提高m o s f e t 的工作点，即让m o s f e t 工作在大电流状态。实质上这也 有助于加快对电容的充放电。 3 尽可能减小沟道长度，从式( 3 2 3 ) 可知：m o s f e t 的截止频率强烈地 依赖于沟道长度，这也可以从物理特性加以解释： 三变小，将使c ，( c 。= 争耽) 变小，从而减小了c ，通过沟道电阻充 放电的时间，使漏电流能更快地跟随栅源电压的变化，减小了由于c 。的充放 电而在，与之间引入的附加相移。这将有助于提高m o s f e t 的工作频率。 对应相同的，变小将使沟道横向电场增加，根据v = 心可知，提 高了载流子的漂移速率，同时，缩短了载流子从源区到漏区的漂移时间。 缸 35 m 弧 喜。5 。 昱h ，15 地 5 h o i i o i 了 弋、” 一i 。一。一 - 弋 l ，即 g ， g 出+ g 所以极点只的频率远远低于只的频率。可以这样认为，由于密勒效应的存在， 使电容c 3 折合到输入端时，其大小变为原来的4 。倍，从而影响了放大器的 带宽。从公式4 2 一l 和4 2 2 可知：当月，变大时，会使电压增益匆变大， 但同时也使得密勒电容c 1 _ 1 + g 兀。+ g 。) c 3 增大，从而降低了极点频 率，减小了3 d b 带宽。采用h s p i c e 仿真软件( m o s f e t 的模型见附页) ，对不 同负载电阻下的共源放大电路进行仿真，结果如图4 2 6 所示。 5 5 3 旦 兰 m 量 ： l s l 5 0 ：r l5 k 、 ：r ；l2 k f ；r l k 心 姆 ； ? 卜 m “i “1 q m ”，- 口0 c h 日动 图4 2 6 共源放大电路对不同负载的频率响应 2 3 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学坝士学位论文 从上图中可以看出：仿真结果与上面分析密勒电容对放大器频率特性的 影响基本一致。因此，可以这样认为：因为从输出节点( 漏极) 到输入节点 ( 栅极) 存在反馈电容，提高电压增益增益时必然会得到更大的密勒电容， 从而降低3 d b 带宽。 根据密勒电容的表达式：c 2 【1 + 衫磊。+ 乳) c 3 ，其中g m 、c ，等 均为器件参数，大小取决于器件结构和工艺。因此，需要增大g ，以减小c 。 虽然这会使以下降，但这可以通过后级补偿。为此，采用如图4 2 3 所示 的共源共栅放大器。图中，m 2 从当了m 1 的负载。它的小信号等效电路如 下图。 g o + 图4 2 7 共源一共栅放大电路的小信号等效电路 假设g 女：、c 。：可以忽略，则可得到简化电路如图4 2 8 。在此电路 中，工作于共栅组态的m 2 的源一栅电阻充当了m 1 的负载。根据 铲圭华( 吲2 形飞= 粤：华( 一_ ) r s g “8 d y j rl 凯s 。矾 图4 2 8 共源一共栅放大电路简化后的小信号等效电路 所以可以认为m 1 的负载电导等于m 2 的跨导。由于一般情况下， 2 4 硅基光接收集成宽带放大器设计湖堕叁堂堡圭堂堡笙苎 鼠，即m 1 的负载电导大大增加，根据式4 2 1 知，密勒电容大大减 小，从而提高了极点只的频率，改善了m l 的频率响应。而工作于共栅组态 的m 2 基本上是一种具有单位增益带宽的电流传输器1 ，选择适当的心即 可获得电压输出。而c ：不象共源电路跨接在输入输出之间，不存在密勒效 应，给整个电路提供了良好的隔离。共源共栅电路的频率响应如下图： 5 1 5 i 薯” 】 2 l 5 l l 咄 “ r 。_ 。蒜_ 嘲m 。 图4 2 9 共源共栅放大电路对不同负载的频率响应 4 3 零点极点对消技术 因为放大器的频带宽度受到晶体管的特征参数力、结电容及寄生电容 的限制，当工作频率升到一定值后，增益下降。如在电路中引入负反馈，可 以减缓这种下扩展带宽。 这也可以从物理意义的角度加以解释：低频时电压增益、电流增益较大， 故r 上的负反馈电压也大，减小了电压增益；随着频率的上升，r 上的负反 馈电压将随着电压、电流的增益的下降而减小，对增益的减小作用减弱，使 增益下降变缓，从而扩展了带宽。当然，这是以牺牲增益为代价的。因此， r 的取值应兼顾增益与带宽。 “ 一 ， ；拍 | 2 “ l 图4 3 1 负反馈和频率补偿电路 j b 。： 浏。 心 li ：n 一 “m o “ 4 图4 3 2 负反馈与频率补偿对带宽的影响 2 5 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 同样，利用电容可以实现频率补偿，拓展带宽。如上图中的电容e ， 由于c e 的阻抗z c 2 i 若，随着频率的升高，z c 减小，e 的负反馈作用 减弱，同样也扩展了带宽。 r 及e 对差分放大器频率特性的影响见图4 3 2 。 ( r = 4 0 q ，c _ 2 0 p f ) 图中，曲线a ：无尺。和c 。，正3 = 2 8 7 m h z 曲线c ：只有e ，f 3 = 3 l o m h z 曲线b ：有r 。和c 。，工3 = 5 6 1 m h z 这种方法实质上就是零点一极点对消技术【2 6 2 7 2 ”，即通过在电路中引入 一个零点来抵消掉电路中的某个极点从而拓展带宽。其基本原理如下： 设某电路的传递函数为： 】1l 4 r 2 爿p 。i i ：而i i i j 丽2 爿r 。i ：i j i ：雨 。q。国2 显然，此传递函数对应两个极点，( 设置c 。 r ：c ：) 1 。u 日。u 兽一 = 量 。“ 2 帆 0 - c 蛔n ix - li l + o o 跫薏 一舞：饕甚；躲譬 l 辜点2 讨一心 。2 志，最= 矗 q，：为只，只的极点频率。 铲。毒毒濮粹姚魍4 3 1 若在电路中引入一个零点，z ：上 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 1 + 三 叭y 吐。焉去 若z _ 志2 志，b 口通过引入零点z 抵消极点只，贝蜞频率响应见4 3 _ 3 a 图4 3 4 差分放大电路的小信号等效电路 根据上图可求得其传递函数为： 1 堡：! ! !。 k r 。+ 墨! + l ( g 。+ j c 2 ) 。 l + r s e s c l 显然，由于r 。，e 引入了零点z ，改善了电路的频率响应。 4 4 电流模放大器3 1 ，3 2 】 4 4 1 跨导线性环 传统的放大器一般从电压的观点来考虑，属于电压放大器。然而，由 于结电容、寄生电容的存在使节点等效电容较大。显然，当节点电压发生较 大波动时，( 放大倍数较大的电压放大器) ，节点电压给节点电容充放电的时 间将变长，影响了节点电压的变化率，限制了放大器的带宽 然而，当从电流的观点来考虑时，节点电容的影响将会变得很小如采用 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 跨导线性环”。 图4 4 1 跨导线性环示例 当输入电流不变化时，各节点电压变化的幅度非常小，基本上可以忽略 节点电压波动对电容的充放电时间，只有电流信号在跨导线性环中传递，而且， 电路的性能基本上与工作电流( 即偏置电平) 的绝对值无关，只取值于电流比， 堕 与温度无关( 普通的电压放大电路中，疋= 0 吁一1 ) ，巧，。均与温度紧密相 关) 这使电流模放大器具有许多优良的特性，如恒定带宽( 带宽与负载电阻无 关) 及非常高的转换速率( 比传统电压运算放大器高两个数量级) 1 3 0 ，3 3 1 4 4 2 跨导线性原理 在包含n 个p n 结的闭环中，如上图假设存在合适的偏置使所有结正向 导通根据基尔霍夫电压定理回路电压降等于零，有： = o k - i ，为第k 个p n 结的基极发射极对，根据 鱼墅 i c = i s 妊h q i s e h 有 = 1 n 等 s r - nr 巧l n 竽= o k - i1 9 在所有项上都出现了热电压，假定各晶体管的楣同，则可以 抵消；由于晶体管的类型或结面积不同，l 可能不同，则有： 巧l n 笋= o 壁至垄堡! ! 竺叁垡窒堂整查壁堡盐 即： 兀等= 1 ； ， f - l 湖南大学硕士学位论文 由于任何实际电路均工作于善 1 的情况，如：即使集电极电流低 s 到1 0 0 州，这个比值一般也有1 0 0 0 0 左右，因此，为了满足上式，电路 必须满足两个基本条件： 口：跨导线性环的结数必须是偶数( 至少两个) ： 6 ：面向顺时针方向和面向逆时针方向的结数必须相等。 显然，p n 结的排列顺序不重要，而且实际上，对于跨导线性环电路， 允许有各种各样的合理的排列顺序。也可以将不同类型的结( 如在同一跨导 线性环中同时有n p n 管和p n p 管) ，但由于它们的饱和电流具有不同的温 度特性，同一种类型的晶体管必然成对出现。( 即顺时针或逆时针方向所经 过的同一种类型的晶体管的基射结和射基结数目相同) ，此时，可将( 4 4 一 1 ) 式变换为： 考虑到在实际的集成电路设计中，如比例恒流源电路中，跨导线性环 中各晶体管的发射结面积不等，因此，用以t ，w 的因子代替式( 4 4 2 ) 中 的j 。其中：如：发射绪面积，蹦：与任何结构无关的饱和电流密度， 则有： u 去= 耳忐 如前所述，可以假设上式中两边的因子如可以抵消，( 同种晶体管的 ，肛相等，采用混合结型时，也可以采用配对的办法使两边的氏相消) 。故 有： 珂誓= 耳冬c n kc c w k 比值二譬正是发射极电流密度，可以将跨导线性环原理写成最简形式： 4 ， n ，= n ， ( 4 4 3 ) k i兀w = k i 兀册 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 阐述如下： 在一个包含偶数个正向偏置结的闭环中，若将结排列成面向顺时针方 向和面向逆时针方向，其极性、数目相等，则顺时针方向的电流密度积等于 逆时针方向的电流密度积。将跨导线性环示例图重画如下： 图4 4 2 跨导线性环 考察环2 ，由于均为n p n 管，且顺时针方向p n 结数目等于逆时针方 向数目，满足跨导线性原理的要求，因此有：每每：。如： ：i c 2 2 i y + | n ，i n 2 iy l c l ：2 i c 2 = i x + iy 叫。一半，半= 华 i c i i c 3 = i ；= 4 i c i j c 2 ：i ，= 0 i 乏一i ； 故上图为一矢量差电路。 从跨导线性的观点来研究电流模电路，发现决定电路性能的是电流比， 与偏置电流的绝对值无关，也与温度无关。决定电流模电路性能的关键是： = l n 等恒成立，且巧，l 可以相消。事实证明了这些关系在很宽的范 1 s 围内都成立【”。 3 0 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 o o2 o o3 5 04 0 04 5 0 5 5 5 0o o 。6 6 07 0 07 5 08 。o 刚0 0 图4 4 3 c 与e 之间的严格对数关系( t = 3 0 0 k ) 显然，电流模电路的性能远优于普通的电压放大器。在普通的电压放 大器中，基本关系式为：，= 。，它不仅受工作点( 即偏置电流绝对值大 小) 的影响，而且对温度也比较敏感。同时，因节点电压波动较大，还必须 考虑节点电容的影响。在电流模电路中，电压摆动总是十分小。因为它们是 由变化的电流比引起的。在宽带放大器的设计中，为了降低节点电 压的摆幅，所取电流比通常小于1 0 ，此时，摆幅一般为十几毫伏。电流模 放大器电路如下图： 图4 4 4 电流放大器原理图 根据跨导线性原理，( 设所有晶体管的发射结面积相等) 设i 。= x i l ，i 。= w i ，鼬： ，；( 1 + z ) + ，y ( 1 一w ) = ，y ( 1 + w ) ，( 1 一工) 即： 1 一xi w十 1 + 工1 + w 硅基光接收集成宽带放大器设计 湖南大学硕士学位论文 所以有： x 2 w 即电流的变化在内外侧的分配比相同。从而有： ， ，。，= ，。 。 即此电路为电流放大器，其电流放大倍数只取决于偏置电流比，而与偏 置电流的大小无关。只要晶体管在它的工作频率范围内都满足： h 。脚( 等柚 则电流放大器的放大性能就不会改变。而不象电压放大器，因为节点电压波 动较大，需要仔细考虑节点电容对频率特性的影响f 3 4 1 。对于电流放大器， 只须考虑电流比h ”】。虽然节点电容对它的频率特性也存在一定的影响，但 由于节点电压变化较小而近似可以忽略它的影响。下面就以一个电流放大器 的具体工作参数来具体分析节点电压的大小。 设j x = 5 0 埘，j y = 5 0 0 “，j 。的变化范围是一5 谢到+ 5 “，则a 点电 压将因输入电流的变化而波动。根据= 巧l n 等有： s 圪。：巧l n 生生 _ 。：1 1 1 三量 故摆幅为： _ 。圳n 糟 ：阼l n 三堕。5 2 2 肌矿 1 5 0 5 由此可见，节点a 中流动的位移电流仅为电压模电路中1 v 信号所产生 的位移电流的2 那么大。因此，节点电容对电流放大器频率特性的影响 远远小于对电压放大器的影响。事实上电流模电路基本上工作在双极型电路 工作在给定的偏置电平下所能达到的最低阻抗：吃= 7 形，它们与节点电 c 容所形成的极点频率非常高。 硅基光接收集成宽带放大器设计湖南大学硕士学位论文 以上阐述的跨导线性原理是基于双极型电流模电路。而本设计所采用 的是m o s f e t ，其传输特性不同于双极型晶体管。下面参照上述跨导线性 原理的推导方法推导它m o s f e t 电流模电路中的表达形式。将上图中的n p n 换成n m 0 s ，有： f 图4 4 5m o s f e t 构成的电流放大器 图中，0 ，可看成是m o s f e t 的静态偏置电流。假设电路已存在正 确静态偏置使跨导线性环内各m o s f e t 工作在饱和区，则有： 小警( 吲2 = 昙( 一) ： 式中： ：丛娑 山 所以有： = 巧+ j 告 考察节点a ，当存在输入电流且l c 以时，栅源电压可表示为 = + 式中：。为只有静态偏置电流以时的a 点电压。 k + 居 g 。为m o s f e t 的跨导，对4 4 5 式求导有： 争：2 ( 一巧) a 一“ 岛= 2 ( 一) = 面 壁苎垄堡堕堡堕重堂塾查墅堡生 塑皇查兰堡主兰垡笙兰一 = 石历了 ( 4 4 6 ) 因式4 4 5 对m o s f e t 的跨导线性原理至关重要，下面先用数据来说 明式4 4 5 的正确性： 设，j = 5 0 “，。= 5 训 按式4 4 4 有： = 巧+ 按式4 4 5 有： 则： 咯一 ：u + 巨 、 2 专俩+ 言，去一压 = 警矾o o o 伽 _ p “u 式4 4 5 在此电路中成立。 吃= 。+ 。形 ( 4 4 7 ) 根据基尔霍夫电压定理：回路电压降为零，故有： 2 + 4 = l + 2 将式4 4 5 代入匕式得： 一+ 。：+ 。”一。2 嘶，一。，+ 。， 将式4 4 6 代入上式有： ”居+ 粝+ 厝一 + i 以。 降 压嘉岳锯焉蛎雕雕仔 ” ”丽防如即锯 硅基光接收集成宽带放大器设计湖南大学硕士学位论文 2 t + 1 每+ + ，+ 告一4 一s ， 设m 1 、m 4 以及m 2 、m 3 为完全相同的m o s f e t ，则： 2 + 4 5 2 + 4 故可将式4 4 8 简化为： 括+ 而+ j 告一而 2 居+ + j 芳一炳 煽一 。编一 2 冶 = 死 ( 4 4 9 ) 从上式可看出，虽然m o s f e t 的传输特性不象双极型晶体管电流模电 路类似的性能：电路性能取决于电流比，与偏置电流大小无关。4 4 9 式成 立的条件为： 1 输入电流。 以； 2 跨导线性环中的m