（电路与系统专业论文）013μm+cmos+20gbs限幅放大器设计.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，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，其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。本次课题的任务是采用o 1 3 p m c m o s 工艺研究和设计2 0 g b s 速率的主放大器 主放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器和限幅放大器。由于限幅放大器具有设计简单、 功耗低、芯片面积小和外接元件少的优点，本次采用限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。 该放大器的主体部分采用无电感结构的四级级联放大，每一级放大器又是由三级普通差分放大 组成，四级放大的级内和级间都采用有源负反馈的方式构成一个负反馈放大系统，缓冲部分采用 i t - d o u b l e s 结构有效地减小了输入电容。利用s p i c e 软件前仿真和商用软件s p e 沁e r e 进行后仿真，结 果都表明电路可以实现稳定输出v p p 大于5 0 0 m v 的电压信号并且能保持功耗小于7 0 m w ，其中电 源电压为1 2 v ；接近5 0 d b 的电压增益可以实现较高的灵敏度，采用这种结构可以实现2 0 g b s 速率 的限幅放大。 版图设计是芯片设计的重要步骤，文中详细介绍了高速芯片版图设计的注意点和设计技巧。文 章按照电路设计、版图设计、工艺流片到最后的芯片测试的顺序详细介绍了上述电路的设计过程及 最终的仿真结果全部电路经模拟验证符合设计要求，并送交芯片制造厂商流片所得样片，经过 在芯片测试，结果表明电路工作正常，基本实现预期目标 【关键字】o 1 3 p r oc m o s 工艺光接收机前置放大器限幅放大器 a b s t r a o t ab s t r a c t w i t ht h cr a p i dd c e l o p m o n to ft e l e o o m m u n i o a t i o nn e t w o r k s ，o o m p u t c ri i c t w o r k $ a n di n t e r a c t , i ti s u r g e n tt ob u i l di n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a y o p t i c f i b e ro o m m u n i o a t i o ns y s t e m sa 粥t h cp 血c i p a lp a r t so f i n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a yf o ri t sm e r i t ss u c ha s 掣 c a to a p a o i t y , l o n gt r a n s m i td i s t a a o c ，c o o n o m i z i n gc n o l g y g o u r o c ，a n t ii n t e a f e r e n o ea n da n t ir a d i a t i o nc t c t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a a tt od e s i g nh i g hs p e e di n t e g r a t e d c i r o u i t sf o ro p t i o a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw i t hi n d c l - n d c n tp l q 昨哆 i nt h cb u i l d i n gb l o c k so fa ao p t i o a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ep r c - a n p l i f i e ra n dt h em a i l ia m p l i f i e ra 砧 m co r i t i c a lp a r t s i t sp c 梳柚h a sag r c a t 疆碱o nt h cp c r r o r m a o c0 f 孤c i p t i o a lr e c e i v e r t h ct a s ko f t h i sp r o j c o ti st or c s c a r o ha n dc l - s i g nam a i na m p l i f i e rf o rh i g h e rs p c c dt h a al o g b sf o ro p t i c a lr c o e i v e a u s i n go 1 3 a nc m o st 。曲咀o l o g ya n d 缸y t oi n t e g m t ct h cm m a m p l i f i c rm o n o l i t h i o a l l y a na u t og a i nc o n t r o l ( a g c ) a m p l i t i m o fal i m i t i n ga m p l i f i e ri sg c n c r a l l yu s e dt or c a l i z ct h em a i n a m p l i f i c r t h cl a t t e ro n cw mo h o s o nt or e a l i z ct h em a i na m p l i f i e ri no i l l d e s i g ns i n o ci th a st h ef e a t u r cs u o h a 3s i m p l ct o p o l o g y , f c wc x t c m a lc o m p o n e n t sm df a s tr e s p o n s i b i l i t y t h ca m p l i f i c h r au s e di nt h cm a i np a r to ft h es t r u o t u r ca p p l yf o u rn o n - i n d u o t i v cc a s c a d ca m p l i f i c a t i o n , e v e r ya m p l i f i o a t i o nu s 懿t h et h r e eo r d i n a r yd i f f e r e n t i a ll m l p l i f i o a i o nw i t hi n t e r l e a v i n ga o f i v cf e e d b a o k p a r to ft h eb u 盘c ru s i n gd o u b l c - f ts t m o t u r = c f f c a i v c l yr c d u t h em p n to a p a o i t a n c c t h eu s eo fs p i c e s i m u l a t i o ns o r w a r e 锄do o m m c r o i a ls o f t w a r cs p c o t r e ，g a v er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , t h e yb o t hp r o v e dt h a t t h cc i r o u i t ss t a b l co u t p u tv o l t a g es i g n a lv p pi sg r e 咖 rt h a n5 0 0 m va n dt h ep o w c rd i s s i p a t i o ni sl o w e rt h a a 7 0 r o w , i nt h ec a 8 co f1 2 vs u p p l yv o l t a g c ；o l o s ct o5 0 d bo fv o l t a g cg a i no a nb ea o h i c v c dh i g h e rs c n s i t i v i t y i nt h i sp 叩t h i ss t r u o t u r cc 缸b ca o h i e v c d2 0 g b si nt h cr a t co fl i m i t i n ga m p l i f i c a t i o n l a y o u td e s i g ni smi m p o r t a n ts t e pi nc h i pd e s i g nf l o wa n dt h c5 蛐f o rh i g h - s p c c dl a y o u td e s i g na r c d 蕊o r i b e x ti nt h i sp 辨w cl a s t l yi n t r o d u c e t h c k n o w l c d g ca b o u to p t i o a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m , s u b s e q u o n t l yw cd e s o r i l t h cd e s i g np r o o e a u r ca n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e s eo i r o u i t s t h em e a s u r er e s u l t s o ft h ec h i p b c th a v cb e e no u ta f t e rt 髓t e d , t h er e s u l t sr e p t e s e a t e dt h a tt h eo h i pw o l k 甜w c u , a c h i e v et h e d e s i r e do b j c o t i v a sa l m o s t l y k c y w o r d o 1 3 t u nc m o st e o h n o l o g y , o p t i c a lr c c , e i v c r , p 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 r 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：妫日期：毕 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，可以公砸( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理 一哟酶躲牛 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 x 1 0 1 乜以上) ，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1 1 闭 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 1 ： ( 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 电z ；微波通信工作频率在1 0 9 l - i z 左 右；光纤通信的现行工作频率( 光波载频) 在1 0 1 4 】舷左右因此，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，光纤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，适用子长途传输对于现已成熟的硅玻璃( s i 0 1 2 ) 光纤，工作波长在0 8 5 - 1 5 5 i n n 之间低损耗窗口损耗可减至0 2 d b k ：m ，- r 作带宽可达1 0 0 g h z 以上，无中继传输距离达 1 0 0 k i n 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 t i 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，并且铺设也比铜线简单。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 航腐蚀、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。 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， 东南大学硕士学位论文 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 以上的距离采用同轴电 缆则需铜1 5 0 吨或是铅5 0 0 吨 历史上，英籍华裔学者高锟( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o z 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 a 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【4 】： 第一代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，采用8 5 0 n 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 世纪印年代中期投入使用，采用1 3 1 0 n 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 世纪加年代后期投入使用，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网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 的超高速干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意义 2 第一章概述 1 2 光纤传输系统 1 2 1 光纤系统简介 光纤传输系统 5 1 框图如图1 1 所示，图中复接器、激光驱动器和激光二极管等模块组成了光发射 机；后面由光检测器、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 的为光接收机各模块的功能如下： 复接器一将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。 激光二极管睁电信号转换为光信号，送入光纤传输。 光检测器一光电转换器件，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。 时钟恢复电路一产生一个时钟信号，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 2 2 主放大器类型选择 本论文主要是系统性的讲述了主放大器的研究和实现。这里首先介绍一下光纤传输系统中主放 大器的类型选择。下面将给出在选择主放大器的类型时的一些考虑。 目前主放大器的实现方式主要有两种：自动增益控制( a 1 3 c ) 放大器和限幅放大器【卯，它们基于不 同的原理达到上述对主放大器的要求，在性能上两者各有优缺点，分别应用于不同的场合：如果要 求主放大器具有较高的线性度则自动增益控制放大器比较合适，否则可以采用结构较为简单的限幅 放大器下面将分别简要介绍两种放大器的原理。 1 2 2 i 自动增益控制( a o c ) 放大器 当输入信号幅度在一定范围内变化时，a g c 放大器可以自动调节增益以使输出信号幅度几乎不 变具体地说，当输入信号很弱时，放大器的增益很大，t l 动增益控制电路不起作用。当输入信号 很强时，自动增益控制电路对增益进行抑制，使放大器增益减小这样，由变化的输入光信号功率 引起的在一定动态范围内变化的前置放大器输出电压，经a g c 主放大器放大后，输出电压幅度几乎 保持不变 a c _ , c 放大器的工作原理是：取出被放大信号幅度的平均值对放大器的一些电路参数进行调节， 改变放大器的增益，从而达到稳定输出信号幅度的目的。典型的a g c 放大器系统框图如图1 2 所示 a g c 环路实质上是一个负反馈系统。图1 2 中的整流器对单端工作来说为半波整流器，差分工作时 则为全波整流器。当输入信号幅度增加或放大器的参数变化等原因引起放大器输出信号幅度改变时， 控制过程如下：首先由整流器以及低通滤波器( x c 网络) 检测出放大器输出信号的幅度变化，接着把 这个幅度变化信号通过一个低频放大器进行放大，此经过放大的电压信号即为控制信号，控制放大 器增益的改变，最终使输出信号的幅度朝相反方向变化，从而使放大器输出信号幅度保持恒定 图1 2 典型的a g c 放大器系统框图 4 第一章概述 实现增益控制的一种方法是利用放大管跨导受直流偏置影响的特性如图1 3 所示给出了一种 简单的差分增益控制放大器，通过改变用作电流源的m o s 管的栅极偏置，调节电流源输出电流，进 而调节放大管的跨导，达到控制放大器增益的目的。但是，由于用作电流源的晶体管要保证工作在 饱和区，导致这种电路的缺点是可控制的动态范围小。 输出 图1 3 一种简单的差分增益控制放大器 实现增益控制的另一种广泛采用的措施是利用两层重叠的跨导放大单元来实现。 图1 4 给出的是可变串联反馈的例子。两个并联跨导单元有着不同的串联反馈电阻，假设r j 。小 于r 2 ，则在= ，2 的情况下，r 。所在跨导单元的增益大于r 2 所在跨导单元的增益。可以通过改 变、x 2 的比率来控制增益，当电流厶全部从r l 所在的跨导单元流过( 即= 厶- ；0 1 时，放 大器增益最大，当电流厶全部从r 2 所在的跨导单元流过( 即= 0 ，2 = 厶) 时，放大器增益最小 图1 4 使用可变串联方式的增益控制放大器 但是上述电路的动态范围也很小，这可以通过采用g i l b 吼单元等其他电路形式来提高。 单级放大单元很难满足增益和动态范围的需求，因此光接收机主放大器常常由多级放大单元级 5 东南大学硕士学位论文 联构成，并在输入和输出端加上缓冲器实现阻抗变换和电平位移。 整个a g c 放大器的性能，不仅取决于其前向增益，还取决于其反馈特性。反馈环路的设计主要 在于选择作为低通滤波器的r c 网络的时间常数以及低频放大器的增益。 通常的放大器在输入信号幅度较小时具有很好的线性放大特性，然而在输入信号幅度增大时， 放大器的非线性逐步增强，当输入信号幅度继续增大导致电路实际输出高于输出的最大摆幅时，输 出信号将会被“剪平”，即所谓的限幅状态。限幅放大器的原理就是基于上述机制，通过合理的调节 电路的参数，使得当输入信号幅度超过一定的值时，放大器的输出电压幅度稳定在系统所需要的幅 度上而不再受输入信号的影响。 限幅放大器作为一个单片集成电路，应用范围十分广泛。在光纤通信系统中，限幅放大器至少 有三种应用场合：首先，可用作光接收机的主放大器：其次，可用于含无源滤波器的时钟恢复电路， 以抑制由输入信号码型不同引起的时钟信号的幅度变化；第三，可用作数据和时钟处理电路的输入、 输出缓冲。 1 2 2 3 主放大器的类型选择 限幅放大器与a g c 放大器均广泛用作光接收机的主放大器。从以上两小节的分析中，不难发现 a g c 和限幅放大器这两种放大器各有特点 a g c 放大器通过探测出输出信号的幅度，再经过反馈环路来自动调节放大器的增益，从而达到 稳定输出信号幅度的目的。a g c 放大器达到稳定工作状态的时间较长，且电路形式复杂，占用的芯 片面积较大，此类放大器广泛应用于对线性度要求较高的模拟信号接收系统。 与自动增益控制放大器相比，限幅放大器的幅度约束功能直接作用于每个脉冲，因此可以抑制 各种速率数据信号幅度的变化，对接收信号的幅度波动有较好的抑制作用。而且限幅放大器中不存 在增益控制放大器中的时间常数问题。此外限幅放大器还有以下优点： ( 1 ) 因采用了简单单元电路的形式而减少了寄生参数，并且综合应用了高增益和限幅电路系统的 非线性机制，工作速度高； ( 2 ) 由于取消了用于控制增益的一层晶体管，其所需电源电压相对较低，从而电路的功耗也较低； ( 3 ) 取消了增益控制环路，电路设计简单，芯片面积小； ( 4 ) 外接元器件较少，易于芯片集成 6 第一章概述 鉴于限幅放大器的种种优点，在此次设计中，采用限幅放大器的形式来实现2 0g b s 光接收机的 主放大器。 1 3 光接收机相关的性能指标 1 3 1 光接收机系统性能指标 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 光接收机的输入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 7 】等 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素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。最大光功率取决于非线性失真及前置放大器的饱和电平，而接收灵敏度 则决定了最小光功率。 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间，该指标在 点到点连接和局域网中应用较为广泛通常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 3 2 光接收机中限幅放大器的性能指标 ( 1 ) 输入寄生电犁。1 为了不影响前级的前置放大器带宽，通常要求限幅放大器具有较低的输入电容。然而限幅放大 器的输入电容大小和放大器的增益、带宽以及噪声存在折衷关系。换言之，为了降低放大器输入电 7 东南大学硕士学位论文 容则不得不牺牲掉一些增益和带宽性能。因此，在限幅放大器和前置放大器之间加入一级缓冲器来 隔离限幅放大器输入电容的影响。 ( 2 ) 带宽 限幅放大器，对于其带宽的要求往往很高。这是因为，两级同带宽的放大器级联后理论上带宽 会降为单个放大器的0 7 0 7 倍，限幅放大器必须具有更高的带宽，从而使其前面的前置放大器的性 能不会受太大影响 ( 3 ) 增益 增益是限幅放大器的主要性能要求，这里的增益指的是小信号增益。由于前置放大器的输出电 压最低值仅为几个毫伏，对于限幅放大器，要在此输入电压值下使得输出电压摆幅达到几百毫伏， 则限幅放大器的增益至少需要4 0 5 0 d b 。 ( 4 ) 直流偏移 在高增益开环使用的放大器中都必须考虑直流失调的问题。由于限幅放大器各级之间采用直接 耦合方式，且有很高的增益。前级放大单元的器件不匹配等因素产生的d c 失调电压经过放大后， 会导致后级放大单元直流工作点大幅度的偏移，甚至可能将最后一级的输出电压驱动到一个幅度极 限，使整个电路失去限幅放大的作用。因此需要加入一个直流偏移补偿回路来抵消失调电压的影响 ( 5 ) 输出电流驱动能力 限幅放大电路的输出端直流负载一般较小，一方面是为了实现与传输线的特征阻抗5 0 欧姆进行 匹配：另一方面为了使得输出电压的摆幅达到几百毫伏，限幅放大器必须能够提供较大的电流输出 输入能力，因此需要在限幅放大器的宽带放大单元之后加入一级输出缓冲来提供所需要的输出，输入 电流 1 4 限幅放大器的研究现状 在光接收机中，为了与光电检测器进行良好的匹配，并获得低噪声和带宽，前置放大器的增益 通常不会太高，输出电压的幅度为几毫伏到几十毫伏。而判决电路所需的输入电压一般为几百毫伏 以上因此，在前置放大器和判决电路之间还需要4 0 - 5 0 d b 的增益另外，光电检测器从光信号中 检测到的电流信号幅度是定义在从光电检测器灵敏度到过载之间的一个范围内的，为了对数据作进 一步处理，信号幅度就必须为恒定值。 诸如上节所介绍的限幅放大器和自动增益放大器的比较，限幅放大器有很多优点。基于限幅放 大器的种种优点，现阶段的各种成熟的光接收机基本都采用限幅放大器来作主放大器。 近几年来主流限幅放大器的产品主要由国外知名i c 公司提供( 截至2 0 0 7 年) ，如表1 1 所示 8 第一章概述 表1 1 流行的国外l a 产品 公司t i ( o n e t )a d i ( a d n )m a x m 厦a x ) 型号 4 2 9 1 p a8 5 0 1 p b2 8 9 0 2 8 9 23 7 4 7 1 33 9 7 1 a 速率( c - b s ) 4 2 51 1 33 24 2 53 21 0 - 3 功耗( m w ) 2 1 12 0 81 3 01 6 09 91 5 5 价格( 美元) 3 87 24 0 54 1 024 0 4 3 在目前国际国内的论文发表中也不难看到有很多电路技术，使得高速限幅放大器的研究得以实 现。设计者们尝试了各种工艺，其中使用最多的还是c m o s 工艺。这里对以下提到的各限幅放大器 例子的具体电路不做介绍，只给出相应电路的指标下面以列表的形式给出国际国内各种论文、期 刊中发表的l a 的设计成果，如表1 2 表1 2 国际国内l a 研究的成果 文献嗍 文献1 1 哪文献l l l l文献t 1 2 1文献1 1 习文献1 1 4 1文献捌 工艺 s i g c 船t 0 2 5 - 斗m0 1 8 - t u a0 1 8 - t u n0 1 3 - t u no 1 8 - 1 m r0 1 8 - 1 t i n f r f f i 4 7 g h z c m o sc m o sc m o sa m o sa m o sc m o s 差分增益( d b )6 0 3 23 05 03 84 24 2 带宽( o h z ) 1 536 59 42 6 29 o 9 灵敏度( m v p p ) 3 52 22 54 62 01 03 2 有无电感无无有有有无。有 电源电压( v ) 3 5 5 52 52 41 81 51 81 8 功耗m w ) 6 5 31 2 01 5 01 2 51 8 91 1 8 芯片面积( m m 2 ) 1 2 2 6o 2 o 1 5o 6 o 6 5o 5 1 5o 3 1 3o 3 2 o 6o 9 o 6 5 由上表所示，大部分设计的l a 所采用的工艺为o 1 8 1 l mc m o s 工艺。这种工艺f t 耋5 0 g h z ， 设计1 0 g b s 速率的限幅放大器已经有一定的困难，而更高速率的研究则以采用其他更先进的工艺为 主表1 2 中采用的0 1 3 p mc m o s 工艺设计的l a 虽然有较大的带宽，但是可以看到电路中采用了 无源电感，占用了较大的芯片面积，给芯片设计成本带来一定的负担。另外这些电路功耗也较大， 增益相对较小本次设计则是建立在o 1 3 u ac m o s - r 艺基础上，信号的工作速率为2 0 g b s 1 5 论文组织 从表1 2 可以看出，适用于光纤传输系统s t m 6 4 ”1 速率级( 1 0 g b s ) 光接收机限幅放大电路已经 9 东南大学硕士学位论文 实现本文将研究和开发更高速率级( 2 0 g b s ) 的限幅放大器，并给出其在0 1 3 r u mc m o s 工艺中的实 现。 第二章将介绍限幅放大器的理论与分析；接着，在第三章中叙述2 0 g b s 限幅放大器的设计介 绍了三阶级间有源负反馈放大单元的限幅放大器电路设计和前仿真结果；第四章给出了限幅放大器 的版图设计布局，后仿真结果；第五章中则给出单片集成限幅放大电路的测试方案和测试结果 论文的最后给出本次设计的总结。 1 0 第二章限幅放大器的理论与分析 2 1 引言 第二章限幅放大器的理论与分析 2 1 1c m o s 工艺 本论文所研究的内容为高速光接收机限幅放大电路的设计，是建立在u m co 1 3 v t mc m o si 艺 基础上而进行的研究c m o s 工艺与其他工艺相比有一定的优点，但是也有很多缺点。针对c m o s 工艺的缺点，就必须要采用相应的电路结构优化的措施来弥补。下表2 1 定性给出几种常见工艺的 各项性能比较阍 表2 1 各种工艺性能比较 c m o sb i p o l a r( s i g t ) b i c m o s g a a s 集成度最高 较低最高较低 速度低较高较低最高 功耗较低较高较高较高 流片费用 较低较高较高最高 寻求代工服务方便困难困难 困难 早期设计高速光纤通信集成电路的工艺主要采用g a a s 和b i p o l a r ，它们的缺点主要是成本高、 成品率低、功耗大、工艺不易获得、集成度低。c m o s 工艺具有集成度高、价格低廉、功耗低、代 工方便等特点，但相对低的速度影响了它在高速中的应用。然而随着c m o s 工艺向亚微米、深亚微 米方向的发展，c m o s 器件的特征尺寸不断减小，特征频率f r 不断提高，其中o 1 3 v t mc m o s 工艺 的特征频率f t 接近1 0 0 g h z 。 目前，利用深亚微米c m o s 工艺设计高速单片集成电路已成为全球i c 界研究的热点。实践表 明，综合考虑芯片速率、电路功耗、噪声、芯片面积、流片途径及设计成本等各项因素，在实现高 速乃至超高速集成电路的设计时可以采用c m o s 工艺 2 1 2 限幅放大器原理 在光纤通信系统中，光信号经过几十甚至上百公里长光纤无中继的传输，在接收端光强度已有 很大的衰减。如何在接收端将微弱的光信号转变为电信号，并放大到一个较大的、恒定的幅度，以 东南大学硕士学位论文 作为时钟恢复和数据判决电路的输入信号是对光接收机前端放大电路的要求 在前置放大器和判决电路之间，需要一个有一定输入动态范围的放大器，从而当输入信号幅度 在一定范围内变化时，输出信号幅度保持恒定，完成这些功能的就是主放大器，即本文所说的限幅 放大器 正如1 2 2 2 节中所提到的限幅放大器的工作原理，下面将通过讨论m o s f e t 所组成放大器的 差模传输特性来熟悉电路的限幅原理【堋图2 1 所示为m o s 差分放大器的电路。 v s s 图2 1m o s 差分放大器 当两管特性一致，且都工作在饱和区时，两管的漏极电流分别是 么= 丝笋( 。一。帅) 2 = 足( 一。啪) 2 z d 2 - - - - 警( ：一) 2 = 足( ：一) 2 即k = 型笋由于= 。一：，k = f d l + d ：因此 将上式两边平方，经整理 双端输出电流 = 悟一悟= 求得单端输出电流 铲等一蓐 铲等+ 蓐 n ：；蓐 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 将k i = k 2 = k 2 = 芷( 矿嘲一( 哪) 2 代入上述各式，得n m o s 差放的差模传输特性： 1 2 一：。一：毋 皿 隔 再辱再 第二章限幅放大器的理论与分析 铲每+ 每k 吲 铲每专蚓 嘞= k k 相应的差模特性曲线如图2 2 所示 一 b - k l s s l v i 】 v m ；。 i o ，r l v m i s s 图2 2m o s 差分放大器差模特性曲线 由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、 ( 2 9 ) 可知当y d = 0 时： k = l d z = = k 2 当1 l 很小，满足k l “2 ( 印一( 曲) ) 时， 满足线性关系，差模传输特性为一段直线，其斜率即跨导为： 双端输出时的差模电压增益： 舻譬2 东 1 i _ 西 y g 鼢一y 珊( 咖 钆；- 暑 1 3 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 童姜 一一一一一一 生2 k 2 矿 矗2 矗2 嘞 h k h 东南大学硕士学位论文 增加，差模传输特性进入非线性区。当1 k 取大于等于i v 。i = 烈圪勉一( 伪) ) 时， 就相应有= k ，2 = o 或岛2 = i s s ，f d l - - 0 ，放大器特性进入限幅区 由以上分析可知m o s 差放的非限幅范围与有关，也就是与i s s 和k 有关即当j 盥越大、 足越小时，就越大，相应的非限幅范围也就越大 2 , 2 限幅放大器的类型选择 由于差分放大器具有抗噪声、稳定的优点，下面讨论几种由基本的差分放大电路构成的限幅放 大器瞰1 结构：基本差分放大器级联结构、去耦合差分放大器级联结构、加缓冲的差分放大器级联结 构、并联峰化差分放大器级联结构。这些结构的放大器都采用相同基本电路结构级联，假定每级输 出节点处产生的时间常数t 相同，若限幅放大器是由一级相同电路级联，则其带宽可以粗略的表示为 嗍： 厶；嘭 2 2 1 基本差分放大器级联结构 ( 2 1 6 ) 如图2 3 所示，限幅放大器采用相同尺寸的差分放大器级联由于级联的各级电路相同，可以认 为各级输出节点时间常数相同。现在分析节点a ，考虑沟道长度调制效应，此节点对地电阻等于 r di lb ，其中r o 为m i 的沟道导通电阻。而各节点的对地电容是前级放大器的输出电容、连线电容、 后级放大器的输入电容之和，其中后级放大器的输入电容占主要部分采用单边电路分析法，在不 考虑负载电容的情况下，后级放大器的输入、输出端之间存在电容耦合，根据密勒定理，输入电容 c - = c 髑+ ( 1 a v ) c ，这里a v 2 _ - g 。 dl i 毛) 所以其时间常数如下式表示： f 限dl lr o ) 毛= 限d1 1 ) c o s + 1 + g 。偎d1 1 ) c 】) ( 2 1 7 ) 通过仿真发现，在满足增益的情况下，带宽较小究其原因，主要是由于基本放大器输入输出 之问存在电容耦合，使级间节点对地电容过大，导致时间常数t 过大，则带宽f h 过小 1 4 第二章限幅放大器的理论与分析 图2 3 相同尺寸差分放大器级联 2 2 2 去耦合差分放大器级联结构 通过以上对差分放大器级联结构的分析，发现级联放大器在满足增益的情况下带宽较小是由于 级间节点对地电容过大引起的。考虑若能将原输出端与电路负载之间进行隔离去耦，那带宽就会得 到提高。 v d dv d dv d d 图2 4 共源共栅极放大器图2 5 共源共栅极差分放大器单元电路 如图2 4 所示，在原输出端与电路负载之间采用共栅管隔离，就能在很大程度上抑制输入和输出 端的电容耦合。基本的共源共栅差分放大器电路结构如图2 5 所示 能达到输出端与电路负载之间去耦目的的另外一种方法是采用源耦合放大器( 可以认为是驱动 共栅极的源极跟随器) ，如图2 6 所示。基本的差分源耦合放大器单元电路见图2 7 v d dv d d 图2 6 源耦合放大器图2 7 源耦合差分放大器单元电路 1 5 东南大学硕士学位论文 采用共源共栅极和源耦合放大器结构都能够使输出端与电路负载之间有效的去耦隔离，降低密 勒效应对带宽的影响。比较图2 5 和图2 7 ，共源共栅极差分放大器提供的增益相对源耦合差分放大 器稍大些，并且源耦合差放消耗了两倍的电流，也就是说若要提供相同的增益，源耦合差分放大器 的功耗较大然而共源共栅放大器的两个共源、共栅m o s 管是堆叠在电源和地之间，所以其输入中 心电平范围较小，且输出动态范围较小，尤其在低电压设计中更为严重。 2 2 3 带缓冲的差分放大器级联结构 ( 一) 两种类型缓冲比较 在两级差分对之间插入缓冲能降低容性负载，如图2 8 给出了两种类型的c m o s 缓冲：源极跟随 器和共源极缓冲。 v d dv d d c lc l ( a ) 源极跟随器( i ，) 共源极 图2 8 源极跟随器与共源极电路 这两个缓冲的小信号分析表明缓冲的带宽b 乃，和电容传输比c l q 有着互为消长的关系对于这两种 缓冲，这种消长关系可以用下式表示刚： 百c l = 口唔一力 其中f t 是特征频率，旺、p 是无量纲系数。这两种缓冲的不同就在于这些系数的不同。假定这两种缓 冲具有相同的直流增益，有下列经验值： 源极跟随器：o p - 2 4 ，肛1 7 共源极：皑1 0 ，p o 5 对于给定的带宽而言，源极跟随器的电容传输比约是共源缓冲的两倍，因此在差分单元电路之 间采用源极跟随器会使得主放大器具有更好的性能 ( 二) 源极跟随器的带宽 考虑图2 9 ( a ) ，c l 表示输出节点对地电容为简单起见，忽略体效应，并假定电流源输出阻抗为 1 6 ； 第二章限幅放大器的理论与分析 无穷大。采用如图2 9 ( b ) p f i ：示 b j 交流小信号等效电路图可以得到下式： k c s + 岛= v o i c e s 圪= r c 芦墨+ ( k + ) c | d j + + 从式( 2 2 0 ) 可以得到输入一输出电压传输函数： v d d ( a ) 源极跟随器 高频小信号等效电路 图2 9 源极跟随器