（电路与系统专业论文）035um+sige+bicmos+10gbs前端放大电路设计.pdf

摘要 摘要 随着社会的发展，信息交换量与日俱增。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通 信异军突起，发展十分迅速，已成为信息高速公路的主体。光纤通信具有容量大、传输距离远、 节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，因此开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成 电路对我国信息化建设具有重大意义。 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和主放大 器是两个关键电路，它们的性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。本课题的任务是实现 适用于光纤传输系统s t m - 6 4 ( 1 0 g i e s ) 速率级的单片集成前置放大电路，该电路集成了前端放 大器和主放大器，从而省去了两者间的接口电路，减小了系统芯片面积。考虑到电路性能和成本 的折衷，本文选择了从z z 0 3 5 u r n s g e b i c m o s 工艺来设计前端放大电路。 在高速光纤传输系统中多采用跨阻前置放大器。由r 光检测器的寄生电容对跨阻放大器的带 宽和增益性能有极人的限制，所以本文在跨阻放人器之前加入一级其基输入级来隔离该电容的影 响。后仿结果表明，共基输入级前置放人器在保持9 8 2 g h z 1 1 6 5 g h z 带宽的同时能够提供 5 9 5 2 d b 6 0 2 6 d b 的跨阻增益，从而有效地抑制了后继电路的噪声。 本文选择限幅放大器作为前端放大电路的主放大器，它具有设计简单，功耗低，芯片面积小 和外接元件少等优点。该限幅放大器选择c h e r r y - h o o p e r 放人器作为宽带放人单冗，并采用两级 级联的彤式。c h e r r y - - h o p p e r 放大单元通过跨导放人器和跨阻放人器的级联实现级间阻抗匹配， 从而同时达到高带宽和高增益。后仿真表明，该限幅放大器的带宽达到1 0 8 9 g h z 1 1 5 6 g h z ，小 信号增益为3 3 9 1 d b 3 5 4 3 d b 。 本文设计的前端放大电路工作速率高达1 0 c 4 ，s , 其电路性能受版图设计的影响很大，在文章 中将介绍设计高速集成电路版图的常用技术并阐述前端放人器版图设计考虑。 最后，经商用软件s p e c t r e 后仿真，结果显示，前端放火电路小信号增益高达9 2 8 1 d b 蛆5 5 d b ，3 d b 带宽达到8 9 9 g h z 1 0 6 6 c - 荆z ，同时保持良好的稳定性；输入伪随机电流信弓峰 峰值在1 0 u a 5 0 0 u a 时，前端放大电路的输出电压摆幅可以稳定于3 6 0 m v 。 【关键字】共基输入级前置放大器；c h e - n - h o o p e r 放人器；限幅放大器；0 3 s u m s i g e b i c m o s 工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h t h er a p i d d e v d 掣n e n t o f t e l e c o m m u “c a t i o n n e t w o r k s , c o m p u t e r n e t w o r k s a n d i n t e m e t i t j s u r g e n t t o b u i l d i n f o r m a t i o n 曩p 瞽h g - 举o p u c - f i b e r c o m n u l i c a t i o n s y s t e r n s a r e t h e p r i r d p dp a r t s o f i n f o r m a t i o n s u p e r - h i g h w a y f o r i t s r n e d t s s u c h a s g r e a t c a p e d t y , l o n g 删t d s t a n c b e o o n o n - i z i n g e n e r g y s o u r c e , a n t i i n t e r f e r e n c e 肌1 a n t ir a d i 甜o n e t c h t h 嗡i t i s v e r y i m p o r t a n t t o d e s i g n h i g h s p e e d i n t e g r a e dd r o k i t s f o ro 嘣dt r m m i 麓i o nw s t e m s w i t hi n d e p e n d e n tp 雌f t y i n t h e b u i l d i n g b l e c k s o f 扪o p e d t 日州蚓s y s t e m , t h e p r e - a m p l i f i e r a n d t h e m a i n a m p l i f i e r a r e t h e o i t i c a lp a r t st h e i r p e r f m h a s a g r e s t e f f e c t o l 3 t h e p e r f o r m a n c e o f a n o p u c dr e c e i v e r t h e t a s k o f t h i s p r o j e c t i s t o d e s i g n m o r d i t h i c f r o n t - e n d a m p l i f i e r f o r s d h s t m - 6 4 0 p c i c dr e c e i v e r , w h i c h c o n d s t o f p r e a m p l i f i e r a n d m a i n a m p l i f i e r t h e m o r d i t h i c f r o n t - e n d a m p l i f i e r c a n b e s m d i8 r e e l 钔d i o w c o s t 坤c u t t i n g o f f t h e i n t e r f a o e d r c u i t o f p r e a m p l i f i e r a n d m a i n a m p l i f i e r c o n d d e d c o t h e t r a d e - o f f b e ( w e e n d r c u i tp e r f o r m a m e a n d c o s t t h i s d e s i g n c h o o s e 出l z z 0 3 s u m g e b i 0 m o s t e c h n o l o g y b e c a u s e o fh i g hb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t 订可商r r p 酣珊p r e a m p l i f i e r s a r e w i d e l yu s e di n t h e h i g h s p e e d 优) i i dt r a n s m i s s i o n 掣s t e m sb e c a u s e t h e p a r a s i t i c c a p a d t a c e h a s v e r yl a - g e l i n t a u o n o n 删m p e j d a n a n p i i f i 日套吐n d w i d i h a n d g a i n ，w e a d d a n o o n l m o n b a s e i n p u t s t a g e t o i s o l a t e t h e 诺p 鲥t a 鹏i m p a c c p o s ts i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h e t r a n s i m p e d a n c e a m p l i f i e r w i t h i n p u ts t a g e c 锄 a 洲8 ，e 鹦r 5 2 d b 6 0 2 6 d b 鲥n w h i l e m a n | a i n 9 8 2 c 4 1 z 1 1 6 5 c - h z b a n d w i d t h ，t h e n o i s e o f 9 - ) s e 邙j 日1 d r c u i t s c 钔b e s u p p r e s s e d e f f i d e n t l y t h e l i m i t i n g a m p l i f i e r j s d m a s t h er r b n a m p l i f i e r , w h i c h h a s t h e f e a t u r e s u c h a s s i m p l e t o p o l o g y , f e w e x t e n dc o m p o n e n t s a n d f a s tr e s p o n d b i l i t y t w o c h e r r y - h o o p e r a m p l i f i e r s c o n s t i t u t e l i m i t i n g a m p l i f i e r 公b a s i c w i d e - b a n d a m p l i f i c a t i o n c e i l s , w h i c h c a n a c h i 6 v e h i g h g a i n - b a n d w i d t h p r o d u c t b y i m p e d a n c er n 矗c t t n g o f t 憎1 s i 丌1 d e 出r 糟唧i i f i 甘a n d t r a n s c o r d u d a n c e a m p l i f i e r a s p o s ts i r r u l a t i o n s h o w s l i m i t i n g a m p l i f i e r g g 百n a n d b a n d w i d t h a r e 3 3 9 1 d b 3 5 4 3 d ba n d l 0 8 9 c 4 - 1 z 1 1 5 6 g h z r e s p e c l i v e l y t h e f r o n t - e n d a m p l i f i e r 奄s p e e d i s u p t 0 1 0 c - b s t h e d r c u i t 套1 w o u th a s a g r e a t i n f l u e n o e o n t h e d r c u i t b p e d r o t h s a m d e i 瞳r o d i 懒s o n l e o d r r l r n o n h i g h s p e e d i c l a y o u t t e c h n o l o g y , a n d g i v e s t h e l a y o u tc o r 西d e r a t i o no ff r o n t - e n da m p l i f i e r f i r e l l y ，a s r ) o 畦- s i m u l 曩i o n w i t h c o r r r n a c i a ls o f t w 可e 蔗糖d r 田对i 叫噶f r o n t - e n da m p l i f i e r 五g a i n a n d b a n d w i d t h a r e u p t 0 9 2 8 1 d b 9 4 5 5 d ba n d 8 9 9 g h z 1o 6 6 g h zr e s p e c t i v d y w h i l e m a i r f 嘣n g o o d s t a b i l i t y a c o n s t a n t o u t p u t s w i n g o f 3 6 1 v c 钔b e a c h i e v e d w h i l e t h e i n p u t c u r r e n t 奄p e d 栅叫 a r r 叫i t u d e c h a n g e s f o r m l o u a l 0 5 c o u a f k e y w o r d c o m m o n 嘛i n p u t d 【a g e p r e a n - p l i f i e r ；c h e r y - h o o p e r a m p i i f i e cl i m i t i n g a m p l i f i e r ；, 0 3 5 l f n s i g e b i c m o s t e c h n o l 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。 研究生签名：敬导师签名：卑日期： 第一章概述 1 1 光纤通信 第一章概述 随着社会的发展，信息交换量与日俱增。为了扩大通信容量，电磁波通信方式从中波、短波 发展到微波、毫米波。在电磁波通信系统中，理论上，增加载波的频率就增加可以使用的频带宽 度，从而增加信道传输信息的容量。光波实质上是频率极高的电磁波( 3 1 0 1 4 h z 以上) ，因此用 光波作为载波进行通信，容量极大，是现有通信方式的万倍以上。光通信是人们一直追求的目标， 也是通信发展的必然方向l 。 光纤通信是以光波作为载波，以光纤作为传输介质的一种先进通信手段。与现行电缆通信和 微波通信相比，光纤通信显示出一系列优越性。主要表现在以下几个方面【3 l = ( 1 ) 频带宽、通信容量大。现行电缆通信工作频率为1 0 5 1 0 8 h z ；微波通信工作频率在1 0 9 1 - 1 7 左右；光纤通信的现行工作频率( 光波载频) 在1 0 ”h z 左右因此，光纤通信的带宽与通信容量 比微波通信高1 0 万倍，而比同轴电缆通信高达1 0 0 万倍。在光纤通信中，光频尚有巨大的带宽与 容量有待于开发利用。因此，光纤通信前途无量。 ( 2 ) 光纤传输损耗低，适用于长途传输。对于现已成熟的硅玻璃( s i 0 2 ) 光纤，工作波长在 0 8 5 1 5 5 u r a 之闯。低损耗窗日损耗可减至0 2 r i b k i n ，工作带宽可达1 0 0 g t i z 以上，无中继传输 距离达1 0 0 k m 以上；而对于同轴电缆通信，在1 0 0 m h z 工作时损耗值高达7 5 d b k m ，无中继距离 仅在5 k m 左右。 ( 3 ) 光纤体积小、重量轻、可绕性强。外径1 2 5 u m 的一根l k m 长光纤重量仅有2 9 克。比 有色金属铜线轻得多，并且敷设也比铜线简单。由于重量轻。特别适用于飞机，汽车、舰艇等通 信控制系统。 ( 4 ) 输入与输出之间电隔离。能抗电磁干扰，防闪电雷击。特别适用于铁路、电力、厂矿等 电磁干扰严重的环境；适合电子计算机联网，电视传输，以及飞机、舰艇、导弹等要求防电磁干 扰的通信、传输、控制系统。 ( 5 ) 几乎无漏信号和串音，安全可靠、保密性强。到目前为止还没有发现能窃听光缆中传输 的光信息的手段，特别适用于军事保密通信以及国家安全机要部门内部通信与重要经济信息的保 密传输。 ( 6 ) 抗腐蚀、抗酸碱。光缆可直接埋在地下，适合化工企业的内部及恶劣环境下的通信。 东南丈学硕士学位论文 ( 7 ) 节省能源。制造1 0 0 0 公里光纤比制造相同长度同轴电缆可节省约2 6 0 亿千焦( 6 3 亿大 卡) 能量，这相当于9 0 0 吨煤完全燃烧产生的能量 ( 8 ) 资源丰富，可省大量有色金属。目前制作光纤的原料是二氧化硅，此种材料在地球上极 其丰富。硅提纯技术的进步，使得可以生产出硅材料的两大类产品：光导纤维和集成电路。光导 纤维的造价下降迅速，一公斤极纯的石英玻璃可拉制1 0 0 k i n 以上的光纤，而1 0 0 k i n 以上的1 8 0 0 路同轴电缆则需铜1 5 0 吨、铅5 0 0 吨。 历史上，英籍华裔学者高锟( c k i o o ) r 霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 于1 9 6 6 年发表了关于传输 介质新概念的论文，指出了利用光纤( o p t i c a lf i b e r ) 进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现 代光通信一光纤通信的基础。1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 公司研制成功损耗2 0 d b k m 的石英光 纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1 9 7 6 年美国在亚特兰大( a t l a n t a ) 进行了世界上第一 个实用光纤通信系统的现场试验，把光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。之后光纤 通信的诸多优点促成了其快速的发展，到目前为止，光纤通信的发展可以分为下面几个阶段1 4 l ： 第一一代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，采用8 5 0 r i m 波长段的多模光纤系统，传 输比特率在2 0 1 0 0 m b s 之间。 第二代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代中期投入使用，采用1 3 1 0 r i m 波长段的单模光纤通信系 统。可传送准同步数字体系( p d h ) 的各次群信号，最高传输速率可达1 7 g b s 。 第三代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代后期投入使用，采用1 5 5 0 n m 波长段的单模光纤通信系 统。应用在同步数字体系( s d h ) 光纤传输网，传输速率达2 5 g b s 第四代光纤通信系统采用光放大器增加中继距离，采用波分复用和频分复用技术提高传输速 率，已完成的单信道速率最高达2 5 g b s 。2 0 世纪9 0 年代初光纤放大器的研制成功并投入使用， 已经引起了光纤通信的重大变革。 第五代光纤通信系统是利用光纤的非线性压缩抵消由于光纤色散产生的脉冲展宽的新概念 产生的光孤子，来实现光脉冲的保形传输。 现今，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。光纤 已成为信息宽带传输的主要媒质，在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占 重要地位。光纤通信系统众多的优点和广阔的应用范围使得光传送 。9 作为下一代宽带通信网的基 础成为不争的共识。我国幅员辽阔，对光纤通信系统的需求十分巨大，目前，2 5 g b s 速率的高速 干线系统已成为我国干线通信的主流，1 0 g b s 的超高速十线系统也必将得到推广并逐渐取代 2 5 g b s 干线系统。然而目前国内光纤系统所采用的超高速集成电路几乎全部从国外购买，因此开 发具有自主知识产权，用于光纤传输系统的超高速集成电路对我国信息高速公路的建设具有重大 2 第一章概述 意义 1 2 光纤传输系统简介四 光纤传输系统框图如图1 1 所示，其中，光发射机由复接器、激光驱动器和激光二极管等模 块组成；光接收机由光检测器、前置放大器、主放大器、数据判决电路、时钟恢复电路和分接器 等模块组成各模块的功能如下：， 复接器悔多路低速数据信号复接成一路高速数据信号，以提高光纤通信容量的利用率。 激光驱动器在复接器输出信号的激励下，产生足够强度的电压电流，驱动激光二极管正 常工作。 激光二极管将电信号转换为光信号，送入光纤传输。 光检测器光电转换器件，将接收到的光脉冲信号转换为电流脉冲信号。 前置放大器将光检测器输出的微弱电流脉冲信号放大并转换成电压脉冲信号 主放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至一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。 时钟恢复电路产生一个时钟信号，该时钟信号与输入数据信号同步。 该时钟信号可作为数据判决电路和分接器的时钟信号。 数据恢复电路去除数据的噪声和干扰，实现数据再生。 分接器将一路高速数据信号分接为多路低速数据信号，供后继信号处理电路使用。 图1 1 光纤传输系统框图 3 东南大学硕士学位论文 1 3 光接收机性能指标 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将经光纤传输衰减和畸变后的微弱光脉 冲信号通过光电转换变为电脉冲信号，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。 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，衡量光接收机性能的主要指标有 接收灵敏度、动态范围、比特率穿透性、响应时间1 6 瞎。 接收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。它反 映了光接收机检测微弱信号的能力。影响接收灵敏度的主要因索是光信号检测过程中产生的噪声 和光接收机的内部噪声，灵敏度是确定中继器之间最大延伸距离的关键因素。 光接收机的动态范围是指最大允许输入光功率与最小可检测光功率的比值，它反映了光接收 机适应输入信号变化的能力。最大光功率决定于非线性失真及前置放人器的饱和电平，最小功率 则决定于接收灵敏度。 比特率穿透性是指接收机能工作于不同码速的能力。在数据传输系统及局域网等应用中，码 速通常根据用户要求而定。比特率穿透能力允许同一接收机用在不同码速的几个网中，它使用户 能提高网络容量以适应终端数据及业务的增长，而不需要改变主要的硬件设备。 响应时间是指光接收机从空闲状态到接收突发输入数据后达到稳定状态所需的时问，该指标 在点到点连接和局域网中应用较为广泛。我们希望光接收机对突发的输入数据能够有快速的响应， 使输入码流前的引导序列尽可能的短，从而提高传输效率。 此外，功耗、电源电压、可靠性、尺寸及价格等也是在设计光接收机时需要考虑的重要因素。 1 4 工艺选择 光纤通信集成电路由于其高速特性一般选择特征频率( f t ) 较高的g a a s ，i n p 等i l l i v 族工 艺，这些工艺的价格很高而且代工工艺难以获得。 近年来由于c m o s 工艺具有价格便宜，代工获得方便的优点，成为光纤通信集成电路的研究 热点。目前国内外已有关于使用0 1 8 u r nc m o s 工艺实现1 0 g b s 速率级光接受机前端放大电路的 研究成果。然而由于o 1 8 u mc m o s 工艺的特征频率( f t ) 仅为4 9 g h z a n ，在实现1 0 g b s 前端放 大电路时无法兼顾速度，增益和噪声的性能要求，在国际上尚无能满足：业级应用的实际产品。 相比而言，本次设计所采用的0 3 5 u ms i g eb i c m o s 工艺与o 1 8 u r n c m o s 的成本柏近甚至 4 第一章概述 更低，而它所提供的h b t 管的特征频率( 6 1 g h z ) 【q 要远高于c m o s 工艺，对于本文所设计的 1 0 g b s 级光纤前端放大电路是一个理想的选择 另外，如后文详细分析，在1 0 g b s 级光接收机前置放大器设计中，为了避免光检测器较大的 寄生电容对放大器的带宽和增益的限制，可以放大器之前加入一级输入阻抗极低的输入级来隔离 该电容的影响。然而加入该级输入会带来额外的噪声，降低了前置放大器的接收灵敏度，所以设 计该输入级的原则是用最简单的结构来实现最小的输入阻抗，这就对工艺本身所能提供的晶体管 的跨导提出了较高的要求。与c m o s 工艺相比，s i g eb i c m o s 工艺能提供跨导极高的h b t 管， 可以利用之构成结构简单的共基输入级。 在综合考虑速率。噪声，成本等各项因素后，本文决定采用j a z zs i t 3 eb i c m o s 工艺来实现 1 0 g b s 光接收机前端放大电路的设计 1 5 论文组织 本文将研究光纤传输系统s t m 6 4 t g j ( 1 0 g b $ ) 速率级光接收机前端放大电路，并给出其在 0 3 5 u r ns i g eb i c m o s 工艺中的实现。前端放大电路主要包括前置放大器和限幅放大器。 在第二章中先叙述一些光检测器的基本特性，并给出其等效电路模型；第三章将详细介绍前 置放大器r q 原理与设计，给出了共基输入级前置放大器的电路设计和前仿真结果；接着，在第四 章中叙述主放大器的原理和设计，介绍了采用c h e r r y - h o o p e r 放大单元的限幅放大器电路设计和 前仿真结果。第五章中首先给出单片集成前端放大电路的总体架构，然后给出版图设计要点，最 后给出后仿真结果。 论文的最后给出本次设计的总结。 5 第二章光检测器 2 1 概述 第二章光检测器 弟一早尤伍删嵛 如1 2 节所述，光检测器，或称光电二极管，是光纤通信系统中一类重要的光电器件，在光 接收机中位于前置放大电路的前端。由于光检测器与前置放大器的密切的关联性，在介绍前置放 大电路之前有必要对光检测器的基本特性作一深入的了解。 光检测器的作用是将经光纤传输衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电转换变为电脉冲信 号。不同种类的光电二极管的原理都是类似的：二极管反向偏置，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。通常对光检测器 的性能要求主要有以下几点： ( 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。 2 2 光检测器的指标 2 2 1 光波长响应 由光电效应的条件可知，对任何一种材料制作的光检测器， 九2 h c e g = 1 2 4 e g ( e i o 都有上限截止波长，定义为： 式中毛为半导体材科的带隙能聋，h 是普朗克常量，约为6 6 3 x 1 0 3 4 ， 于s i 材料，截j 卜波长为1 0 6 u m 。 7 ( 2 1 ) c 是真空中光速。对 东南大学硕士学位论文 2 2 2 光电转换效率 假设材料的吸收系数为口，耗尽区宽度为w ，则在耗尽区内吸收的功率为： p ( 奶2 矗( 1 一f ”) ( 2 2 ) 假设光检测器的表面反射系数为盛。则初级光电流为 2 舌晶( 1 百“x l 一髟) ( 2 3 ) 工程上常其 量子效率和响应度来衡量光电转换效率。光检测器的量子效率表示入射光子能够 转换成电子空穴对的概率。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 5 ) 和式( 2 6 ) ： jo | q 驴茄 ( 2 4 ) 孵；生：塑 晶加 ( 2 5 ) 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i 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。但是耗尽区宽度昀增加，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 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【l o l ： ( 1 ) 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 ) 光电二极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。它是载流子飘移速度与耗尽层宽度 w 的比值决定。典型的s i 耗尽区宽度为l o u m ，极限响应时间为o i n s 。 8 第二章光检测器 2 2 4 暗电流 光检测器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。硝 材料制作的p - i - n 光电二极管的暗电流可小于l n a ，但g e 的光电二极管的暗电流经常达到几百纳 安。 2 3 光电检测器的分类啊 在光纤通信系统中，满足2 1 节所提出的要求的半导体材料光检测器主要有以下三种： 2 3 1p i n 光电二极管 这种光电二极管通常_ i j 于长波光传输系统中，它的优点在于低噪声，高带宽，与低电压放大 器电路相容，结构简单和高可靠性等等。而其缺点在于由于没有增益，所以其最大可能效率为l ； 2 3 2 雪崩光电二极管( a p d ) a p d 的p 和n 层掺杂很高，这使得其在耗尽区形成比p i n 光电二极管更高的场强，该场强会 导致初始电子一空穴对以极高的速度与品格碰撞，产生二次。三次剑四次等等电子空穴对，形成 雪崩效应。由于该雪崩效应，a p d 对光脉冲具有更高的灵敏度，可用于高灵敏度的光电接收； 2 3 3 金属一半导体一金属光电二极管 m s m ( m e “s e m i c o n d u c t o r - m e t a l ) 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，有利于低噪声和高速率的应用。 2 4 光电检测器的噪声特性 在经历了光纤衰减后，信号到达接收端时已经很微弱，因而光检测器产生的光电流也1 f 常微 弱，所以必须减小光检测器的噪声，以提高接收机的灵敏度。 9 东南大学硕士学位论文 光检测器在无内部增益时，其主要噪声是量子噪声，光电二极管材料引起的暗电流噪声和表 面漏电流嗓声。量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上，光电子的产生和收集过程中具 有服从泊松分布特性的随机过程。在带宽b 内，量子噪声均方根电流与光电流厶的平均值成正比： & = 2 磷m 2 f ) ( 2 6 ) 其中，是噪声系数，和雪崩过程的随机特性有关。它的取值取决于材科。对于p - i - n 光电 二级管，只岣与m 等于1 光电二极管的暗电流值是无光照时流过检测器的电流。为体暗电流和表面暗电流之和。体暗 电流毛来自于p h i 结区热产生的电子和( 或) 空穴，其噪声功率谱密度如式( 2 7 ) 5 ( 力= 2 9 ，d m 2 f ( m ) ( 2 7 ) 其中b 是初级光检测器体暗电流。 表面暗电流也称为表面漏电流。它由表面缺陷、清洁度、偏置电压大小和表面积大小等因素 决定。表面漏电流的噪声谱密度为： 鼢= 2 叽 ( 2 8 ) 屯为表面漏电流。 通过比较s i 、g e 、g a a “i n x g a l - x a s 等不同材料的光电二级管的典型暗电流值，可以发现 在相同归一化偏置条件下，硅材料具有较小的暗电流密度”1 。表面暗电流与有源区的面积的平方 根成正比，而体暗电流则与有源区面积成正比。由于暗电流与信号电流不相关，所以光检测器的 总均方噪声电流为： s e d ( f ) = s o ( f ) + s d b ( f ) + s d s ( f ) = 2 q ( e + i o ) m 2 f ( m ) + 2 q l l ( 2 9 ) 2 5 光电检测器的等效电路嘲 为了在h s p i c e 和s p e c t r e 等e d a 软件中更好地将光检测器与前置放大器结合起来进行分析和 仿真，常常采用其等效电路。光检测器的等效电路如图2 1 所示。其中， ，i 光检测器的输出电流，电流强度为“a 数量级。 g ：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 就是尽量减小由光检测器寄生电容带来的影响。光检测器的寄生电容从o 1 p f ( p - i - n 二极管，未 封装，加有较大的反偏电压) 至几个p f ( p - i - n 二极管，已封装，加有适度的反偏电压) 不等， 根据其封装和连接形式不同而不同。 1 0 第二章光检测器 厶c ，马，飓：光检测器的连线电感，连线电容和连线电阻。 lr m 图2 1 光检测器等效电路 第三章前置放大器的分析与设计 3 1 引言 第三章前置放大器的分析与设计 作为光接收机的关键部分，前置放大器紧随光检测器之后，其作用是将光检测器输出的微弱 电流脉冲信号转换成一定的电压脉冲信号由于光信号经过在长距离光纤信道中的衰减，到达接 收端时已经非常微弱，所以由光检测器产生的电脉冲信号也非常微弱，通常在u a 量级。此时如 果前置放大器本身引入较大噪声，而后级放大器对其输出的信号和引入的噪声是同时进行放大的， 信噪比无法得到改善。因此如果不考虑来自光检测器的量子噪声和其他因素的影响，光接收机的 灵敏度就是由前置放大器决定的，因此前置放大器的设计目标就是在给定的数据传输速率下，获 得低噪声、高灵敏度以及高增益性能。 对前置放大器的各方面要求可以总结如下 l l l ； ( 1 ) 前置放大器应该有较高的互阻增益，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与工作速率相适应。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； 但翦置放大器的带宽也不是越宽越好。过宽的频带会引入额外的噪声，反而会引起光接收机噪声 性能的恶化。 ( 3 ) 前置放大器等效输入电流噪声应该尽量低，这样我们在采用普通的光检测器时，也可以 获得较高的灵敏度； ( 4 ) 前置放大器输入阻抗足够的小，以避免光检测器寄生电容对带宽的影响： ( 5 ) 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。 3 2 常见前置放大器类型【1 2 】 通过前面的讨论可知，前置放大器必须具备以下三个功能： ( 1 ) 将电流转换为电压； ( 2 ) 提供放大； ( 3 ) 提供一个合适的传输函数； 第一个功能可以通过一个电阻作为光检测器的负载电路或用一个互阻放人器实现。第二个功 1 3 东南大学硕士学位论文 能可以通过一个放大器实现。第三个功能可以通过均衡器、滤波器和放大器的频率特性来实现。 根据以上不同形式的解决办法，前置放大器主要有以下三种类型：低阻前置放大器、高阻前置放 大器和互阻前置放大器。 3 2 1 低阻前置放大器 低阻放大器具有简单的拓扑结构，其结构如图3 1 所示，光检测器通常使用传输线与前置放 大器连接。5 0 欧姆的电阻与前置放大器相连，用于和传输线进行良好的匹配从而减小放大器中的 反射。 低阻放大器的带宽较大。同时，它有着只需要很少均衡、动态范围较大的优点。低阻放大器 的基本要求是选择合适的检测器负载电阻与放大器的输入电容，使其组合的时间常数充分小，以 便恢复原脉冲波形。 然而低阻放大器的缺点在于，增益只能从传输线到放大器之闻获得，而不能从光电检测器到 传输线之间获得。整个结构显示，低阻放大器比下面要讨论的高阻放大器的增益低得多，而且噪 声性能很差。 3 2 2 高阻前置放大器 j j i p 图3 1 低阻前置放大器 高阻放大器是根据最大增益原则设计的，其结构如图3 2 所示。共源f e t 电路的很高的输入 电阻用于和内附l 极高的光电检测器进行匹配以获得最大增益。图中r b 的功能仅仅是在f e t 栅极 与地之间提供一条直流通路，因此其阻值可以非常高。此时，和f e t 栅极输入电艇l 的噪声效应 和旁路效应均可忽略，仅f e t 的沟道电阻引入噪声，因此前置放大器的噪声性能要远高于低阻前 簧放大器，可用于灵敏度要求较高的系统。 1 4 第三章前置放大器的分析与设计 j j i p 图3 2 高阻前置放大器 然而高阻前置放大器的缺点是： ( 1 ) p d 的偏置电阻和f e t 的输入电容对光检测器的输出电流形成一个积分电路，为了避免 信号脉冲产生严重失真，必须对输出信号进行均衡，而均衡网络的设计非常复杂： ( 2 ) 动态范围小； ( 3 ) 由于高阻放大器的高输入阻抗。其电路的时间常数较大，电路的带宽小； ( 4 ) 由于其对较长的连0 ，连1 的积分效应，基线偏离十分明显，只有采用较好的线性编码 才可以解决这一问题。 这类放大器只适用于对速率要求不高，但对灵敏度要求很高的系统 3 2 3 跨阻前置放大器 跨阻放大器( t i a ) 采用电压并联灸反馈。这种设计方法既有低噪声又有大带宽和动态范围 的优点。跨阻放大器的结构如图3 3 所示其中，反馈电阻盛形成电压并联负反馈。从电路理论 上，可以看出负反馈起着使电路增益稳定的作用( 对于高增益放大单元，放大器的跨阻几乎由反 馈电阻决定) 。同时，负反馈还能够提高动态范围的作用。电压并联负反馈能减小放大器的输入和 输出阻抗，所以它可以使得光电流几乎全部流入放大器。跨阻放大器拥有许多低阻和高阻放大器 不具有的优点，例如：低的输入阻抗、高带宽、避免使用均衡网络、简化了结构；大动态范围； 输出电阻小；所以，跨阻放大器成为高速光纤通信电路的最佳选择。 ) 图3 3 跨阻前置放大器 1 5 东南大学硕士学位论文 3 2 4 本文1 0 g b s 前置放大器的类型选择 本文所要设计的是用于1 0 g b t s 速率级光接收机的前端放大电路，其中前置放大器必须要具备 高带宽性能来适应高的数据速率。同时必须具备本身的低噪声性能和较高的增益来达到整个光接 收机的高灵敏度要求。通过前面的讨论可知，在上面介绍的三种类型的前置放大器中，只有跨阻 放大器可以同时满足商带宽，低噪声和高增益的性能要求。所以本文采用跨阻放大器作为前置放 大器，接下来将详细介绍跨阻前置放大器的原理和设计。 3 3 跨阻前置放大器的原理与性能分析 3 3 1 反馈放大器1 3 1 将放大器的输出信g - ( 电压或电流) ，按一定路径回送剑放大器输入端的过程称为反馈。施加 反馈的放大器称为反馈放人器。反馈广泛地应用于模拟放大器的设计，这是因为它具备几个非常 重要的优点。根据检测输出的方式和产生反馈误差的方式，反馈的类型可分为四类：电压并联反 馈，电压串联负反馈，电流并联负反馈和电流串联负反馈。各种放大器的具体形式不同，但是基 本原理是一样的，在本节的分析中将不区别检测输出和产生反馈误差的方式。 图3 4 反馈放大器的组成框图 图3 4 中x o 是放大器的输出信号，假设基本放大器的开环增益为a ，则 x o = 以 x f 是x o 通过反馈网络产生的反馈信号，假设反馈网络的反馈系数为k 则 石，2k l x 。 1 6 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章前置放大器的分析与设计 由于】c i 是输入信号x i 和反馈信号x f 相比较的产物，即 而= 毛一o ( 3 3 ) 将以上式子合并，经整理求得反馈放大器的闭环增益： 彳f 立：垒：l ：生：一a ( 3 4 j x | x l 、+ x ft ￥蔓i + t f 五 式中 殍x ：皇立：k ，a( 3 5 ) x t lx ox t l j f = - i + t = 1 + k a ( 3 6 ) t 和f 分别称为环路增益和反馈深度，它是指掏沿环路变换到。f 所经历的传输增益。f 称为 反馈深度，表示放大器施加反馈前后增益变化的倍数。 在实际反馈放大器中，以粕的极性作为参照点，凡是x f 为正值，致使) i ；x f 的反馈称 为负反馈。此时，t 为正值。反馈放大器的增益a f 小于未加反馈前基本放大器的增益a ，f 就是 增益的下降倍数。 当碥一定时，若外界不稳定因素( 温度变化、电源电压变化等) 引起a 增大，则x o 增大， 相应地，x f 增大，导致禹减小，结果是x o 的增大受到抑制。反之亦然。所以反馈放大器具有自动 调节的作用，从而抵抗外界不稳定因素的影响。 另外，反馈还可以有效地扩展放大器的频带宽度和减小非线性失真，并可按要求改变放大器 的输入和输出电阻等。有关这些问题将在下面结合电压并联负反馈做介绍。 负反馈的自动调节作用是以牺牲放大器增益作为代价的。不过，增益的减小可以容易得到补 偿，但自动调节作用却只能用负反馈技术获得。这就是负反馈技术对于提高放大器性能之所以必 不可少的原因。 3 3 2 基本互阻前置放大器性能分析 为了便于分析跨阻放大器的各项特性，我们将图3 3 中的光检测器用其等效模型替代，可以 得到跨阻放大器的等效电路( 如图3 5 所示) ： 1 7 东南大学硕士学位论文 图3 5 跨阻前置放大器的等效电路 图中， c ，为基本放大器的输入电容，彤为反馈电阻，4 ( j ) 为电压放大器的传输函数。通 常实际的放大器包含多个极点，然而在其他极点远远大于主极点的情况下，我们可以假设摹本放 大器的低频增益为4 ，并且具有一