《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種帶AGC功能的RGC輸入前置放大器設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第6期
后永奇，楊建紅
蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 微電子研究所，甘肅 蘭州730000
摘要： 基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 0.18 μm工藝，設(shè)計(jì)了一種帶AGC功能的光接收機(jī)RGC輸入前置放大器。該放大器采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)；輸入級(jí)采用RGC結(jié)構(gòu)以拓展帶寬，從而解決了寬帶寬與高跨阻之間的矛盾；輸出級(jí)接入單端轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)，使輸出的信號(hào)能直接輸入到后續(xù)的主放大器中；嵌入自動(dòng)增益控制技術(shù)AGC，以解決輸入動(dòng)態(tài)范圍與高跨阻、低噪聲之間的矛盾。同時(shí)，選用SIMC 0.18 μm工藝庫進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果顯示，當(dāng)光接收機(jī)輸入光功率為-10 dBm、電源電壓為1.8 V、光檢測(cè)器的寄生電容為0.5 pF時(shí)，此放大器具有良好的等效電流輸入曲線和幅頻特性。
中圖分類號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)06-0037-03
Design of a RGC input pre-amplifier with AGC
Hou Yongqi，Yang Jianhong
Institute of Microelectronics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
Abstract： This paper designs an RGC input pre-amplifier with AGC function of optical receiver based on 0.18 μm CMOS technology. The structure of circuits is the voltage parallel negative feedback. Its input stage is an RGC structure to expand bandwidth，which solves contradiction between wide bandwidth and high trans-impedance. The output stage is a single-to-differential structure. And in order to solve the contradiction between the dynamic range and high trans-impedance or low noise，the AGC circuit is used. Finally，the SIMC 0.18 μm technology library is selected to simulate. The results show that this circuit structure has good frequency characteristics and the equivalent current input curve，when input optical power of optical receiver is -10 dBm, the power supply voltage is 1.8 V, and the parasitic capacitance CD of the optical detector is 0.5 pF.
Key words : optical receiver；pre-amplifier；CMOS technology；RGC；AGC

    自1976年美國(guó)在亞特蘭大（Atlanta）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)以來，光纖通信在商業(yè)應(yīng)用中已有三十多年的發(fā)展歷程。而我國(guó)在此領(lǐng)域的所用芯片基本依靠進(jìn)口，所以研制高性能的通信芯片對(duì)我國(guó)通信行業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

    對(duì)于光接收機(jī)前端電路，由于其跨阻前置放大器具有低的輸入/輸出電阻、高帶寬和低噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此一直受到電路工程師們的青睞[1]。但前置放大器的設(shè)計(jì)需要在帶寬、增益、噪聲、電源電壓和功率損耗等因素之間進(jìn)行有效的折中，在一定程度上給設(shè)計(jì)者帶來了困難。為了解決高跨阻與寬帶寬的矛盾，此次設(shè)計(jì)采用RGC(Regulated Cascode)輸入級(jí)以拓展帶寬。同時(shí)，為了解決輸入動(dòng)態(tài)范圍與高跨阻、低噪聲的矛盾，采取了自動(dòng)增益控制技術(shù)。
1 電路設(shè)計(jì)與性能參數(shù)分析
1.1 整體電路設(shè)計(jì)
    圖1是一個(gè)傳統(tǒng)的跨阻放大器，M1和RD構(gòu)成共源級(jí)，M2共漏結(jié)構(gòu)構(gòu)成源跟隨器，Rf是接到輸入端與輸出端的反饋電阻，Iin是光檢測(cè)器的輸出電流，CD為放大器的輸入電容（包括光檢測(cè)器的結(jié)電容、放大器的輸入電容和節(jié)點(diǎn)的寄生電容）。

1.2 電路性能分析
    RGC組態(tài)最顯著的特征是高輸出阻抗和寬輸出電壓范圍。此外，其高速度、低噪聲的特征（當(dāng)輸入晶體管被一個(gè)電流源取代時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生虛地輸入阻抗）對(duì)前置放大器的設(shè)計(jì)是有用的[4-6]。圖2中光電二極管的功能是將光纖傳輸過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這一光電流在晶體管M1的漏極被放大為電壓信號(hào)。而晶體管M2和電阻R3在輸入級(jí)起本地反饋?zhàn)饔?。所以，減小輸入阻抗是通過自身電壓增益的大小而決定的。
    根據(jù)小信號(hào)分析，RGC電路的輸入電阻由下式給出：
    
     圖2中的第三級(jí)是單端轉(zhuǎn)差分級(jí)，輸入端接放大級(jí)的輸出信號(hào)，Vout1和Vout2為差分輸出。其工作原理為：直流時(shí)，電容相當(dāng)于開路，使得差分放大器的兩個(gè)放大管具有相同的直流偏置；高頻時(shí)，電容相當(dāng)于短路，差分放大器單端輸入、雙端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了單端到雙端的轉(zhuǎn)換。這里，由R7和C1組成的低通濾波器提取出放大器輸出的直流電平，并將該信號(hào)送至M7的柵極。因?yàn)閂X-VY呈現(xiàn)出一個(gè)零平均值，所以差分對(duì)的輸出也是沒有偏移量的。圖2中的結(jié)構(gòu)起到了一個(gè)高通濾波器的作用：在足夠低的頻率下，X節(jié)點(diǎn)和Y節(jié)點(diǎn)的信號(hào)是相等的，從而產(chǎn)生了零輸出。只有高通傳遞函數(shù)的低轉(zhuǎn)角頻率降低到幾十千赫茲以下時(shí)，時(shí)間常數(shù)R7C1才會(huì)達(dá)到幾十微秒，因此這個(gè)方法常需要一個(gè)大的外置電容。
2 模擬結(jié)果
    本設(shè)計(jì)基于SIMC 0.18 μm工藝模型，在1.8 V電源電壓下，對(duì)所設(shè)計(jì)的前置放大器進(jìn)行了模擬仿真。此跨阻放大器的幅頻特性曲線如圖3所示。當(dāng)光檢測(cè)器的寄生電容CD為典型值0.5 pF時(shí)，低頻跨阻增益Arf為72.8 dBΩ，3 dB帶寬為3.06 GHz?？缱柙鲆姹幌拗圃跀?shù)百歐姆范圍內(nèi)，結(jié)果滿足系統(tǒng)的高速率（10 Gb/s）、低電源電壓（1.8 V）要求。

    一般地，高性能TIA的總噪聲電流的變化范圍為0.5 ?滋Arms~2 ?滋Arms，并且噪聲隨著頻率的增大而增強(qiáng)。從圖4所示的等效電流輸入電流功率譜密度Seq曲線可以看出，此跨阻放大器的電流噪聲為108.36 nA，具有較低的噪聲。

 

 

    本文基于0.18 μm CMOS工藝，用Cadence軟件設(shè)計(jì)了一種帶自動(dòng)增益控制(AGC)的RGC輸入跨阻放大器，最后選用SIMC 0.18 μm CMOS工藝庫對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，當(dāng)輸入的光功率為-10 dBm、電源電壓為1.8 V、設(shè)定光檢測(cè)器的寄生電容為0.5 pF時(shí)，所設(shè)計(jì)的放大器具有良好的幅頻特性和等效電流輸入曲線。
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