（电路与系统专业论文）超高速单片集成光接收机电路研究.pdf

摘要 超高速单片集成光接收机电路研究 陈莹梅 ( 东南大学射频与光电集成电路研究所，南京2 1 0 0 9 6 ) 光纤通信由于其一系列的优点，已经成为信息高速公路的骨干。鉴于信息传输的爆炸性发展和 产品化后高可靠性、低成本的要求，本文对光纤通信系统中的光接收机电路从高集成度和高速率两 个方向进行深入地分析和研究。 在详细地分析比较了光接收机中各模块电路的工作原理和电路结构后，首先采用0 2 5 i j nc m o s 工艺实现了一个s d hs t m - 1 6 级别( 2 5 g b s ) 的高集成度的光接收机芯片。为使得光接收机电路的 抖动满足i t u - t 建议规定的抖动指标，采用了一种环路参数优化的方案。为实现商集成度，芯片采 用了一种特别设计的电荷泵锁相环结构，使其同时具有时钟恢复，数据判决和1 2 分接的功能。本 文还提出了一种结构简单、能够消除系统相位误差的时钟数据恢复电路中的超前滞后鉴别结构( 已 申请专利) 。测试结果表明该芯片各项性能指标均达到了国际先进水平，可以应用在符合s d h s t m - 1 6 标准的光纤通信传输系统中。 采用0 1 8 w bc m o s 工艺实现了光纤传输系统s d hs t m - 6 4 级别( 1 0 g b s ) 时钟恢复中的锁相 环芯片。采用一种对称的、用两异或fj 结构的鉴频鉴相器来消除系统相位误差，还特别设计了能获 得正交时钟输出的5 g l - l z 双延时路径振荡器和l c 环形振荡器。模拟结果表明该鉴频鉴相器使得锁相 环的锁定时间比文献能检索到的其它类型的改进结构的锁定时间缩小到十分之一以下。芯片的最终 测试结果表明该锁相环具有锁频范围宽、输出相位噪声性能好和功耗低等优良指标。 本文最后利用最新获得的德国i h p 0 2 5 1 j ms i g eb i c m o s 工艺，研究在更高的8 0 g b s 速率上设 计光接收机中的l ：2 分接器电路。针对现有的测试条件，设计了能够驱动大负载的高增益大带宽的 时钟驱动电路。运用超高速电路中可以利用的传输线理论设计相应的匹配网络，解决超高速信号的 输入输出匹配以及芯片内部信号间的匹配问题。通过瞬态分析，该芯片能够在超过8 0 g b s 上得至令 人满意的模拟结果。该芯片如果设计成功将成为目前国内速率最高的集成电路。 本论文的研究做出了多项创新性工作，填补了国内在实现高集成度和高速率级别光接收机芯片 研究的空白，取得了多项领先成果。对于设计具有独立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。 关键诃：光纤通信同步数字系列时钟恢复电路c m o sb i c m o s 锁相环电荷泵锁相环分 接器锁存器传输线 a b s t r a c t r e s e a r c ho ru l t r ah i g h s p e e dm o n o l i t h i cc h i po f c h e ny i n g m e i o 娜嘣舭o f r f - & - i c s , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g2 1 0 0 9 6 , c h i n a ) o 硼c a lc o m m u n i c a t i o nh a sb e c m n et h eb a c k b o n eo fm f o r m a t i o nh i g h w a y o na e c , o t m to ft h e e x p l o s i v ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nw a n s m i s s i o na n dd e m a n d sf 研h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s to f p r o d u c t s ，w et h o r o u g h l yr e s e a r c ht h ed e s i g no f o p t i c a lr e c e i v e ri no p a c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf r o mt h e a s p e e to f h i g hi n t e g r a t i o na n dh i g hs p e e d a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc i r c u i ts t r u c t u r eo f e a c hm o d u l eo f o p t i c a lr e c e i v e r , ah i g hi n t e g r a t e do p t i c a lr e c e i v e rc h i po fs d hs t m 1 6 ( 2 5 g b ，s ) h a sb e e nr e a l i z e di nt h et e c h n o l o g yo f 0 2 5 p s nc m o s t e c h n i q u eo fl o o pp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nh a sb e e na d o p t e dt om a k et h ej i t t e ro ft h e r e c e i v e rm e e tt h es p e c i f i c a t i o np r o p o s e db yn 1 j - 1 ：t h ec h i pi n t r o d u c e das p e c i f i cs t r u c t u r eo f c h a r g ep u m p p l lt om a k ei th a v et h r e ef u n c t i o n so f c l o c kr e c o v e r y , d a t ad e c i s i o n a n d1 ：2d e m u l t i p l e x e rs i m u l t a n e o u s l y as i m p l el e a da n dl a gd i s t i n g u i s h e ds t r u c t u r ei nc l o c ka n dd a t ar e c o v e r yc i r c u i ti sd e v i s e dt oe l i m i n a t e s y s t e m a t i cp h a s ef 口 r o r t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wv a r i o u ss p e c i f i c a t i o n sh a v ea t t a i n e da d v a n c e d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dt h ec h i pc a l la p p l i e di ns d hs t m 一1 6o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e m s ap l l c h i pu s e di nc l o c kr e c o v e r yc i r c u i to f s d hs t m - 6 4 ( 1 0 g b s ) o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a s b e e nr e a l i z e di nt h et e c h n o l o g yo f o 1 8 p mc m o s s y s t e m a t i cp h a s ee l r o ri se l i m i n a t e db ya s y m m e t r i c t w o - x o rp h a s e - f r e q u e n c y - d e t e c t o r d u a l - d e l a y - p a t ho s c i l l a t o ra n dl cr i n go s c i l l a t o ro p e r a t e di n5 g h za r c s p e c i a l l yd e s i 伊女。dt oo b t a i nq u a d r a t u r ec l o c ko u t p u t s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h ep h a s e - f r e q u e n c y 棚o r c 锄s h o r t e nt h el o c k i n g - t i m eo ft h i sp l lt ol o w e rt h a no n e - t e n t ho fo t h e ri m p r o v e ds t r u c t u r e t h ef m a l m e a s u r er e s u l t ss h o w st h ep l lh a v ee x c e l l e n ts p e c i f i c a t i o n so f w i d er o c k i n gr a n g e ，l o wp h a s en o i s ea n d l o w p o w e r 咖 f i n a l l y , w eu t i l i z et h en e wa c q u i r e dt e c h n o l o g yo fg e r m a n yi h p0 2 5 j a ns i g eb i c m o st or e s e a r c h 1 ：2d e m u l 卸l e x e ri no p a c a lr e c o v e ru p g r a d e st o8 0 g b sr a t e l i m i t e db yc m r e mm e 8 5 u r ec o n d i t i o n , ah i g h g a i n , w i d eb a n d w i d t hc l o c kb u f f e ri sd e s i g n e dt od r i v el a r g el o a d t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r yo f u l u a - h i g h - s p e e dc i r c u i ti su t i l i z e dt od e s i g nm a t c hn e t w o r ka n dt os o l v et h em a t c hp r o b l e mo f i n p u ts i g n a l o u t p u ts i g n a ia n di n t e r n a ls i g n a l t h et r a n s i e n ta n a l y s i ss h o w st h ec h i pc a l la c q u i r ea p p r o v i n gr e s u l t sa t m o t et h a n8 0g b ss p e e d i ft h es i m u l a t e dr e s u l t sc o m e 仉l c t h ec h i pc a l lb e c o m et h ed o m e s t i cf a s t e s t c i r c u i t i nc o n c l u s i o n , m a n yc r e a t i v ew o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h er e s e a r c h e so fh i g hi n t e g r a t e da n dh i g h s p e e do p t i c a lr e c e i v e r t h e ya r es i g n i f i c a n tf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi c sd e s i g na n dh a v eg o o d i 东南j = 学博l 学位论文 a p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d a ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ；s y n c h r o n o u sd i g i t a ih i e r a r c h y ；c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t s ； c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o f ：, b i p o l a rc o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ；, p h a s el o c k e dl o o p s ；c h a r g ep u m pp h a s el o c k e dl o o p s ；d e m u l t i p l e x e r ；, l a t c h ；t r a n s m i s s i o nl i n e 插图 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图2 2 6 图2 2 7 图2 2 8 图2 2 9 图2 3 0 图2 3 l 图2 3 2 图2 3 3 图2 3 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 a 光纤传输系统框图 插图 输入数据无抖动时系统示意图 输入数据有抖动时系统示意图 抖动容限模板 输入数据有抖动时系统示意图 抖动转移特性模板 ( a ) 共栅前置放大器( ”共栅前置放大电路的噪声等效电路 偏置电流源产生的噪声 晶体管作负载的共栅极电路 共栅放大器中的闪烁噪声 ( a 拱源跨阻前置放大器( b ) 共源跨阻前置放大器开环等效电路 典型的a g c 放大器系统框图 一种简单的差分增益控制放大器 使用可变串联方式的增益控制放大器 使用g i l b e r t 单元的增益控制放大器 限幅放大器框图 反馈补偿原理图 d f f 作为鉴相器的c d r 使用同步边沿检测的p d h o g g ep d 改进后的h o g g ep d 。 超前滞后采样原理 a l e x a n d e rp d p f d 型c r c p d ( q p d ) 电路图 f d 电路图 半速率线性p d 半速率b a n g - b a n gp d 串型结构1 ：4 分接器 串型结构1 ：4 分接器时序图。 并型结构l ：4 分接器 并型结构i ：4 分接器时序图 树型结构1 ：4 分接器 树型结构i ：4 分接器时序图 p l l 的线性模型 c d r 中的噪卢源( a ) 输入信号的加性噪声( b ) p l l 产生的噪声 滞后超前型滤波器 3 3 抖动传输指标选择( a ) 掌和抖动传输曲线的关系( b ) z w 和抖动传输曲线的关系3 4 v h 5矗一o：j mm：2蟮：2临体培侉侈加甜毖毖m m筋筋始；号孔孔 乐瞒大字僻j ：罕位比又 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 s 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 l 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图3 3 7 图3 3 8 图3 3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 集成电路的抖动产生( a ) 集成电路的噪声源( b ) z r ( 善矾) 对输出抖动的影响3 5 环路参数优化流稃图 光接收机的系统框图 2 5 g b s 单片集成光接收机电路框图 跨阻型前置放大器 采用有源电感负载的限幅放大器单元电路 时钟恢复、数据判决与1 ：4 分接器单片集成芯片功能框图 时钟信号对数据信号的采样 c o 和c 9 0 对数据的采样波形图 c o 和c 9 0 对数据的采样结构图 锁存器l a t c h 复杂结构的超前滞后鉴别电路 简单结构的超前滞后鉴别电路 差分电荷泵4 4 二阶滞后超前型滤波器 2 4 的分接电路 l = 2 分接器结构图 1 ：2 分接器时序图 六级环形振荡器 振荡器单级电路 输出随时间的变化曲线 振荡器的反馈系统框图 环形振荡器的等效框图 4 5 4 5 4 6 4 6 4 6 4 7 4 7 ( a ) 单端交流等效电路( b ) - - - 极管连接方式的小信号等效电路 单端电路的高频模型 v c o 的调频特性曲线。 4 8 x o r 异或门( a ) 版图( b ) 电路图 芯片显微照片。 光接收机电路的电测系统框图 恢复出的6 2 5 m h z 时钟的相位噪声 4 8 4 9 5 l 5 2 5 2 5 3 8 m v 电压输入时恢复出的时钟的波形5 4 9 m v 电压输入时恢复出的时钟的抖动一“ 分接出的6 2 2 m b s 的数据眼图 6 2 2 m b s 输出数据与s t m 4 o c 2 速率级眼图模板5 4 1 4 分接功能的输入输出数据逻辑 普通的锬相环电路框图 本设计中的锁相环电路框图 5 4 6 0 6 0 p f d 的设计思想6 l 输入为随机数据时的p f d 的鉴别情况 对称性的异或rj 和v l 转换器 6 l 6 2 ( a ) 普通的反相器( b ) 带负延时的反相器( c ) 输入频率相同时两种反相器的跃变情况6 3 双延时路径环形振荡器 v 1 1 1 弘”强”钉钉铊奶 插图 图4 8 图4 9 圈4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 翻5 2 2 图5 2 3 四输入双延时路径单元电路 特征频率弁双倍的缓冲器电路 芯片显微照片 5 g h z 时钟的频谱 差分结构的l c 振荡器 正交输出的振荡器单元 输入参考频率从5 2 g h z 跳变到5 0 g h z 时p l l 的捕获时间 p l l 芯片的显微照片 p l l 的测试系统框图 振荡器自由振荡在5 g h z 时的频谱 6 5 6 5 6 6 6 6 6 7 6 8 p l l 锁定在5 g h z 频率时的频谱6 9 p l l 锁定状态下输出波形的r m s 抖动 s g 2 5 h 1 工艺截面图 n p n 管截面图 n p n 2 0 0 _ 4 晶体管直流输出特性 1 ：2 分接器的框图 s c f l 锁存器 ( a ) 锁存器采样【作示意图( b ) 锁存器锁存1 ：作示意图 ( a ) 锁存器等效电路图( b ) 完全等效电路图 锁存器开关部分等效电路图 开关部分等效电路图的密勒近似 锁存器跟随器部分的等效电路图 7 4 7 4 7 6 7 6 7 6 7 7 7 8 7 8 7 9 8 1 8 2 1 0 0 g b s 的锁存器电路 共发共基级电路 单端输入的时钟驱动电路 微带线和常规共面波导的剖面图 微带线的等效电路 微带线拟合结果图 无补偿的输入接口 实现补偿的输入接口电路 输出接口电路 时钟树布局 1 ：2 分接器芯片版图 8 2 8 4 。8 5 1 ：2 分接器分接出的5 0 g b s 数据输出眼图 l ：2 分接功能的输入输出数据逻辑 i x 8 6 8 6 8 6 8 7 s 7 8 5 表格 表i 1 表2 1 表2 2 表2 3 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 s d h s o n e t 标准速率等级 o c l t t 误码特性指标 线性和非线性p d 比较 i ：4 分接器结构比较 表格 6 2 3 2 7 几种c m o s 工艺特性比较 采样逻辑表。 各路采样的数据与输出的时刻 2 5 g b s 单片集成光接收机芯片综合性能指标 本芯片与参考文献芯片的指标比较 o 18 p r oc m o s 工艺特性参数 p l l 芯片基本性能。 i h p0 2 5 t t ms i g eb i c m o s 工艺的衬底参数 各频率上的趋肤深度 l ：2 分接器基本性能 4 1 4 2 5 5 5 6 6 9 7 5 7 5 8 8 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： 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：堑童垦丝导师签名：日期：哆刁 ， 第1 章绪论 1 1 光纤通信系统概述 第l 章绪论 由于通信事业的发展、通信价格的降低和业务范围的扩展等综合因素，通信业务量成倍增长， 数据传输的速率也越来越高光纤通信是以光波作为信息载体、以光导纤维作为传输介质的一种先 进通信手段。光纤通信与以往的电子通信相比，主要区别在于：一是以很高频率的光波作载波；二 是用光纤作传输介质。因此与以往的通信方式相比有很多优点：传输频带宽、通信容量大；传输损 耗低、中继距离长；线径细、重量轻；原料为石英，节省铜( 铝) 、铅；导光且绝缘、抗电磁干扰： 抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、保密性强等。可在特殊环境或军事上使用由于它优点突出，所以 发展迅猛，不仅被认为是影响2 1 世纪的最新技术，而且必然成为信息高速公路的骨干现在世界各 国都投入了极大的人力和物力来研制更高速率的光纤通信系统。光纤通信集成电路的研究已经成为 世界范围内的热点。 目前，世界信息传输网6 0 - - 8 0 的业务由光纤通信完成。传统的光纤通信是以准同步数字体 系( p d h ) 为基础的。随着网络日趋复杂和庞大，以及用户要求的日益提高，这种传输体系暴露出 了一系列不可避免的内在缺点，而一种有机地结合了高速大容鼍光纤传输技术和智能网络技术的新 体制一一光同步传输网应运而生。这一概念最初由美国贝尔实验室提出，称之为同步光网络 ( s o n e t ) 。后来经过修改以适戍欧洲的接口速率，而铍c c i t t ( 现在的i t u t ) 接受并于1 9 8 8 年标 准化为同步数字体系( s d h ) ，使之成为不仅适于光纤也适于微波和卫星传输的通用技术体制。表1 1 列出了两种传输体系标准的速率值。其中s d h 的传输速率由c c i t t 标准化，而s o n e t 的传输速率则 由a n s i 标准化。需要指出的是，尽管s d h 和s o n e t 的规范略有差别，但是两者的基本原理相同，在 特定速率上标准互相兼容。 由国际电话与电报顾问委员会( c c l 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( s o n e t ) 的数字光纤传输系统标准相对应的速率等级如表1 1 所示 表1 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 l m b ss t m oo c - i s t s l5 1 8 4 0 1 5 5 m b ss t m 1 o c 一3 s t s 3 1 5 5 5 2 0 6 2 2 m b $s t m - 4o c - 1 2 s t s - 1 26 2 2 0 8 0 2 5 g b ss t m 1 6o c - 4 8 s t s - 4 82 4 8 8 3 2 0 1 0 g b ss t m 耐o c 1 9 2 s t s 1 9 2 9 9 5 3 2 8 0 4 0 g b ss t m 一2 5 6o c 7 6 8 s t s 7 6 83 9 8 1 3 1 2 0 东南大学博l ：学位论文 1 2 课题背景 国际通信产业正在发生前所未有的重大变革，这场变革几乎遍及通信的每个领域，对光通信的 影响更为重大。随着通信业务特别是i p 业务的“爆炸式”发展。通信业务的增长、一体化和多业务接 入的需求无疑会刺激和推动能提供“无限”带宽的光通信技术的发展。从网络应用看带1 0 g b s 接口 的路由器已经闯世而且，路由器间的突发性i p 、l i , 务量还在迅速增长为了提高核心网的效率和功 能，希望单波长内能处理多个数字连接，因此核心网的单波长速率向4 0 g 弘乃至更高速率的方向演 进是必然趋势。目前，全球光传输网的智能化建设在升温；超长途和超高速系统开始引入网络；4 0 g b s 超高速试验网建设开始起步。 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的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 l s 光传输系统已经研制成功i i ，利用化合物半导体工艺， 4 0 g b s 的光传输系统也已经有了产品1 2 1 ，光传输模块电路的最高工作速率甚至超过了1 0 0 g m ，”i 。 国内，2 5 g b ss d h 的光纤通信系统已被广泛应用。1 0 g b s 的s d h 传输平台代表着当今实用光通 信设备的最高水平，必将成为我国信息高速公路的主干。但是，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。因此，开发具有自主知识产权的光纤通信用集成电路苍片，对推动民族光通信产业的发展意 义十分重大。并且，光通信传输系统关系到整个国家的信息安全，对其进行深入的研究、实现国产 化，为国防事业做出贡献都有着深远的意义。 为了迎接具有高速率、大容量、长距离、智能化、多业务、网终化等等特征的下一代光传输网 唧的到来，实现独立自主、完全国产化的光传输系统，需要战略性的眼光，在光传输关键芯片上进 行基础性研究。国内虽然已经在1 0 g b s 以下的光传输模块关键芯片上做出了研究。并且取得一些喜 人的成果1 5 - ：9 ，但是全集成的光接收机电路还很少。在4 0 g b s 的光传输系统也做出一些研究，并且取 得一些实质性的进展口l 。但是，但是在更高的速率上，8 0 g b l s 这个速率上，国内还没有进行任何的研 究。 目前，光通信市场在经历低谷之后，呈现良好的上升势头，在这充满机遇时刻，抓住机会，使 得国内的光通信产业在下一代传输网中，登上世界舞台可以这么认为，下一代光通信将面临前所 未有的发展契机，当然。也将面临巨大的技术上的挑战和困难。 1 3 本文研舡作 如前文所述，为满足信息传输的大容量的要求，光通信系统需要向更高的速率级别提升，而就 商业应用来讲，为满足产品化后高可靠性和低成本的要求，光通信集成电路必须高度集成以及具有 较少的片外元件，因此光纤通信集成电路的研究向着更高的速度和更高的集成度发展。 本文对光纤通信用集成电路的研究过程是循序渐进、逐步深入地进行的，随着工作速率的提高， 器件模型要求更高，芯片内寄生参数的影响更为显著，芯片的版图更容易引起不确定性，使得超高 2 第1 章绪论 速集成电路的研究更为困难因此，对于1 0 g b s 以上速率的集成电路，在器件模型、电路设计、仿 真算法、测试等等方面都需要深入地研究和探讨。 本文的第一二章首先介绍光通信系统中光接收机电路的原理。着重研究近年来得到广泛关注的电 路结构。对共栅和共源跨阻前置放大器以及主放大器的等前端电路进行分析，着重对近几年来出现 的一些时钟恢复电路进行总结比较，在这一章中还对分接器电路进行研究 第三章研究采用0 2 5 t u nc m o s 工艺实现一个s d hs t m o l 6 级别( 2 5 g b s ) 的单片集成光接收 机芯片为使得光接收机电路的抖动满足i t u - t 建议规定的抖动指标，这一章阐述了一种低抖动设 计方案。采用该方案提出的设计步骤对环路参数进行优化，可使系统获得低抖动性能。然后介绍 2 5 g b s 的单片集成光接收机芯片的设计，着重介绍了高集成度的时钟和数据恢复电路的设计思想和 1 2 5 g h z 的振荡器电路设计。测试结果表明该高集成度的光接收机芯片具有低抖动、宽捕获范围、 低功耗和面积小等优点，可以应用在符合s d hs t m - 1 6 标准的光纤通信传输系统中。 第四章在成功实现前述的2 5 g b s 的单片集成光接收机芯片的基础上，采用0 1 8 t u nc m o s i 艺对 光纤传输系统s d hs t m - 6 4 级别( 1 0 g b s ) 时钟恢复中的锁相环电路进行设计。因为随着光纤标准向 s t m - 1 6 ( 2 5 g b s ) 和s t m - 6 4 ( 1 0 g b s ) 级别的提升，系统对芯片速度提出了更高的要求，而时钟恢复 电路正是速度提升的主要瓶颈1 1 4 l 。因此，对更高速率级别的时钟恢复电路的设计将具有重要的意义。 该章首先提出了在普通的锁相环电路中，鉴相器往往在输入输出信号之间引入系统性相位误差的问 题，然后阐述用一种对称性的鉴相器结构来消除系统相位误差的方案。为获得较好的相位噪声性能， 第四章针对鉴相器电路的特点，特别设计了能获得正交时钟输出的双延时路径振荡器和l c 环形振荡 器，和以往的l c 振荡器不同的是，该l c 振荡器还有端到端犬摆幅输出的优点。模拟结果表明锁相环 的锁定时间大大缩短，比文献能检索到的其它类型的改进结构的锁定时闻缩小到十分之一以下。芯 片的最终测试结果表明该锁相环具有锁频范围宽、输出相位噪卢性能好和功耗低等优良指标 随着电路 作速率的不断提高，芯片内寄生参数的影响更为显著，这也对电路的设计方法、测 试设备和方法等各方面都提出了更高的要求。而国内超高速电路工艺、设计、设备以及测试技术的 匮乏严重地限制了电路的成功设计。这些因素促使我们尝试在更高的速率上对光通信电路进行研究。 第五章即是利用最新获得的半导体工艺，在更高的8 0 g b s 速率上，以光接收机中的分接器电路为例 进行研究和探索。该章利用德国i h p0 2 5 p r os i g eb i c m o s 工艺，以设计8 0 g b sl ：2 分接器为主线， 全面详尽地分析研究该速率级别分接器的设计和实现等环节。首先对分接器的核心电路锁存器进行 研究，同时设计了能够驱动大负载的高增益大带宽的时钟驱动电路。然后运用超高速电路中可以利 用的传输线理论，来设计相应的匹配网络，解决超高速信号的输入输出匹配以及芯片内部信号问的 匹配问题。第五章还解决了电磁场仿真得到的频域s 参数的结果不能应用到时域的问题。通过瞬态分 析，该芯片不仅能够在8 0 g b s 上得到结果，而且还能在1 0 0 g b s 上得到令人满意的模拟结果。 第六章，总结全文。 概括地说，本文主要在以下方面做出创新性的工作： - 发明了一种结构简单、使用的器件少，成本低、功耗低的时钟数据恢复电路超前滞后鉴别方 3 东南人学博士学位论文 法，并申请了国家专利( 中国专利申请号：2 0 0 6 2 0 0 7 4 7 8 6 2 ) 。 _ 应用低抖动设计方案优化设计了2 5 g b s 高集成度的单片集成光接收机芯片，该芯片的各项 指标均优于文献能检索到的相同功能的芯片。该芯片中的功能模块2 5 g b s0 2 5p u nc m o s i 艺时 钟数据再生与1 ：4 分接单片集成电路被江苏省科技厅组织的专家组鉴定为具有“国际先进水平” ( 苏科鉴字 2 0 0 5 】第4 9 9 号) i 实现了一种特别设计的电荷泵锁相环电路，该锁相环中的鉴相器在实现鉴相的同时还能进行 数据判决和l ：2 分接，因此锁相环同时具有了时钟恢复、数据判决和1 ：2 分接三个功能。 _ 采用一种简单的两异或门实现的鉴频鉴相器结构，实现了1 0 g b s 时钟恢复中的锁相环芯片。 该锁相环的锬定时间比文献能检索到的其它类型的改进结构锁相环的锁定时间缩小到十分之一以 下 i 设计了能获得正交时钟输出的5 g h z 的l c 环形振荡器，该振荡器具有优良的正交输出特性和 相位噪声性能，和以往的l c 振荡器不同的是，该l c 振荡器还有端到端大摆幅输出的优点。 _ 应用参数拟合的方法解决电磁场仿真得到的频域s 参数的结果不能应用到时域分析的问题。 _ 采用串连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 出宽带匹配问题。 l 在国内利用现有的工艺。首次设计了速率超过8 0 g b s 的l ：2 分接器电路 参考文献 【l 】 c a oj l n l g r e e nm i c h a e la n dm o m t a za f s h i ne ta 1 o c - 1 9 2t r a n s m i t t e ra n dt e c e i v e ri ns t a n d a r d 0 1 8 - 1 u nc m o s 【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 v o l3 7 ( 1 2 ) ，d e c2 0 0 2 ：1 7 6 8 - 1 7 8 0 【2 】m e g h e l l im o u n i r , r y i y a k o vvaa n dz i e rjse ta 1 a0 1 8 一t u ns i g eb i c m o sr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e rc h i p s e tf o rs o n e t0 c - 7 6 8t r a n s m i s s i o ns y s t e m s 【j 】i e e ej o u r n a lo fs o l i d - s t a t e c i r c u i t s ，v o l3 8 ( 1 2 ) ，d e c2 0 0 3 ：2 1 4 7 - 2 1 5 4 【3 】 s u z u k iya m a m i y aya n dy a m a z a k ize ta l ，1 2 0 - g b sm u l t i p l e x i n ga n dl1 0 - g b s d e m u l t i p l e x i n gi c s 【j 】i e e ej o u m a lo f s o f i d - s t a t ec i r c u i t s ，v o l3 9 ( 1 2 ) ，d e c2 0 0 4 ：2 3 9 7 - 2 4 0 2 【4 】m e g h e l l im 1 3 2 - g b s4 ：im u l t i p l e x e ri n0 1 3 t u ns i g e - b i p o l a rt e c h n o l o g y 川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 , v o l3 9 ( 1 2 ) ，d e c2 0 0 4 ：2 4 0 3 - 2 4 0 7 嘲 郁炜嘉，朱恩。熊明珍，王志功o 培t u nc m o s1 0 - g b s4 ：l 复接器芯片设计【c 1 江苏省 研究生通信年会，2 0 0 3 年1 2 月 【6 】 张立国，冯军，陈明洁等，o 1 8t u nc m o s1 0 g b s4 ：1 复接器集成电路设计【微电子技 术，第3 1 卷第6 期，2 0 0 3 年1 2 月 【7 】z h a n gc e n - a n , s o n gq i f e n g , w a n gz h i - g o n g 2 5g b s1 6 ：1m u x i cd e s i g nw i t hc m o s 田 半导体光子学与技术( 英文版) ，p 2 3 3 - 2 3 6 ，2 0 0 4 年1 1 月 8 】孙杰贤c x r n e t 试水4 0 9 光传输能否再次起飞? 川通讯世界，2 0 0 5 年0 2 期 【9 1张海懿下一代传送网的技术发展趋势浅析阴 i m p ：i c o m m c c i d n e t c o m p u b a r t i c l e c 1 7 1 2a 2 1 4 3 7 1p 1 h l m l ，2 0 0 5 年0 2 月2 2 日 4 第2 章光接收机电路的原理与结构 第2 章光接收机电路的原理与结构 光纤通信系统具有宽带和大容量的特点，传输的数据信号频谱几乎从直流延伸到接近数据速率 值的射频。这样的数据处理电路应该是直流耦合的和宽带的。直流耦合的要求影响着电路设计的许 多方面，譬如电路结构的选择、阻抗匹配等i i o l 。另外，大量高速数字电路的存在也增加了单片集成 光通信电路的难度。 本章介绍光通信系统中接收机电路的原理，着重研究近年来得到广泛关注的电路结构第一节 对光纤通信系统的组成和系统指标进行简单介绍，第二节研究共栅和共源跨阻前置放大器，第三节 介绍主放大器的电路设计，第四节着重对近几年来出现的一些时钟恢复电路进行分类研究，第五节 研究分接器电路结构。 2 1 光纤通信系统简介 2 1 13 r 再生系统 随着光纤放大器和波分复用( n d m ) 系统的发明，大部分光纤主干传输系统都上作在全光领域。 因为至今还没有成熟可用的光再定时技术，全光数据传输系统通常没有数据再定时。这使得全光数 据传输系统具有了一定的灵活性和可更新性，但是缺少了再定时，系统的抖动很大。在数字传输系 统中，信号再生通常是通过称为“3 r 再生”，即再放大一r e a m p l i f i c a t i o n ，再整形一r e s h a p i n g ，再定 时一r e t i m i n g 的三级处理完成的。信号通过前置和限幅放大器放大整形，通过时钟恢复电路和触发器 的方法再定时。而一个光放大器，如掺铒光纤放大器( e d f a ) ，只是一个“1 1 1 再生”器，因为它只 放大信号。 如果在数字系统中等间隔地使用3 r 再生器，那么误码率( b e r ) 近似随着再生器数目线性地增 加，可以实现远程传输。但是如果系统用k 个等间隔的l r 再生器，随机抖动以i 增加i ”1 。在这种 情况下，它的b e r 比使用3 r 再生器的系统增长的快得多。因此全光网络的传输距离有限。 3 r 再生器中能够防止b e r 非线性增长的关键器件就是时钟数据恢复( c d r ) 电路。 2 1 2 敬光纤系统的组成 图2 1 是3 r 光纤传输系统框图( 阴影区域为本论文研究内容) ，各模块功能如下所示： 图2 i