引言

    光通信系統(tǒng)的光接收機(jī)中前置放大器的性能決定了接收端信號(hào)的通信質(zhì)量，一般要求高跨阻增益，低輸入?yún)⒖荚肼暎瑢挼膭?dòng)態(tài)范圍和高的電源噪聲抑制比等。隨著通信速率的升高，跨阻放大器以低的輸入噪聲和更寬的帶寬成為了設(shè)計(jì)首選。光接收機(jī)中前置跨阻放大器要求長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，因此工作環(huán)境溫度的變化不可避免的對(duì)芯片性能造成影響。為此，必須對(duì)放大器進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償。在光接收機(jī)中，輸入光功率和PD二極管的響應(yīng)度決定了輸入電流，在輸入電流過(guò)大的時(shí)候，自動(dòng)使得跨阻增益減小，從而達(dá)到輸入范圍擴(kuò)大的目的。

    雖然目前CMOS工藝的跨阻放大器能夠達(dá)到很高的工作速率^[1]，但是在通信速率為10 Gb/s的節(jié)點(diǎn)上，CMOS前置放大器芯片往往會(huì)消耗更大的功耗，有更高的噪聲^[2]，為提高帶寬而采用無(wú)源電感^[3]或者變壓器^[4]不僅占據(jù)更大的面積，甚至導(dǎo)致功耗進(jìn)一步增大。相比CMOS工藝而言，BiCMOS SiGe工藝器件有著更高的截止頻率和相對(duì)低的器件噪聲^[5]，這意味著穩(wěn)定良好的芯片性能和更小的芯片面積符合商用芯片的要求。

1 前置放大器電路設(shè)計(jì)

    光接收機(jī)端一般由跨阻放大器、限幅放大器、時(shí)鐘恢復(fù)電路和解復(fù)用器電路組成^[6]，跨阻放大器位于接收機(jī)的最前端，其性能好壞對(duì)整個(gè)光接收機(jī)有決定性的影響。

    本文設(shè)計(jì)的跨阻放大器如圖1所示。其中輸入級(jí)電路將PD輸入的光電流轉(zhuǎn)換成輸出電流，實(shí)現(xiàn)跨阻放大的作用；自動(dòng)增益控制電路在輸入光電流較大時(shí)將跨阻減小，從而擴(kuò)展輸入動(dòng)態(tài)范圍；溫度補(bǔ)償電路對(duì)輸入級(jí)電源電壓進(jìn)行補(bǔ)償，從而使得增益在帶內(nèi)保持平坦和足夠的帶寬；兩級(jí)差分放大電路將輸入級(jí)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)一步放大的同時(shí)，也進(jìn)行阻抗變換來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出緩沖電路；輸出緩沖電路匹配外部負(fù)載50 Ω；帶隙偏置電路為核心電路提供穩(wěn)定的供電電壓，同時(shí)提供與溫度關(guān)聯(lián)的、用來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娏鳎?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/溫度電流" title="溫度電流" target="_blank">溫度電流）；PD偏置電壓為PD光電二極管提供穩(wěn)定的反偏電壓。

1.1 輸入級(jí)電路設(shè)計(jì)

    本文采用的輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，相比于圖2(a)中一般的共射組態(tài)結(jié)構(gòu)，放大器采用共射組態(tài)和射隨器級(jí)聯(lián)的方式，反饋電阻在射隨器N2管的發(fā)射級(jí)。其電路方便直流工作點(diǎn)的選取，V_out點(diǎn)的電壓為2V_be，可以直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)差分放大電路，而圖2(a)中，V_out約為V_be1的電壓，很難驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路，需要進(jìn)一步的共模電平轉(zhuǎn)換。圖2(b)的另一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)于后級(jí)噪聲有很強(qiáng)的減弱作用，可以看出，后級(jí)輸入噪聲要經(jīng)過(guò)一個(gè)N1管等效到輸入，即減小了g_m1R₁倍，而圖2(a)中，后級(jí)輸入噪聲直接通過(guò)反饋電阻R_f等效到輸入，其噪聲將會(huì)很大，跨阻放大器的靈敏度將會(huì)很低。圖2(b)的小信號(hào)模型如圖2(c)所示。其中V_reg是由溫度補(bǔ)償模塊產(chǎn)生，來(lái)補(bǔ)償溫度對(duì)輸入級(jí)跨阻和帶寬的影響。

    從圖2(c)中可以得出輸入級(jí)電路的傳輸函數(shù)，-3 dB帶寬，低頻輸入阻抗分別為：

    式中g(shù)_m1，g_m2為N1管和N2的跨導(dǎo)，R_o1和R_o2為N1管和N2管的發(fā)射極與集電極之間的電阻，C_in為輸入總電容，C_out為輸出端總電容。

1.2 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

    為了抑制溫度變化對(duì)電路性能的影響，需引入溫度補(bǔ)償電路，且要求電路結(jié)構(gòu)要盡量不影響輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)和消耗太大的功耗。仿真結(jié)果表明，V_reg電壓可以很好地控制電路的增益和-3 dB帶寬，為此，可以產(chǎn)生一個(gè)與溫度有關(guān)系的V_reg電壓來(lái)補(bǔ)償輸入級(jí)結(jié)構(gòu)和后級(jí)電路的溫度特性。V_reg電壓的產(chǎn)生電路如圖3(a)所示,可以表示為I_tempR+V_be1+V_be2。

    從圖中可以看出，輸入是一個(gè)與溫度變化有關(guān)系的電流I_temp(I_temp由帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生)，從而產(chǎn)生一個(gè)與溫度有關(guān)系的電壓V_reg，這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器鎖存后供給輸入結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載能力。引入了與溫度有關(guān)系的V_reg電壓后，整個(gè)放大器的的-3 dB帶寬如圖3(b)所示。從對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，溫度補(bǔ)償可以很好地控制放大器的帶寬，使得帶寬隨溫度變化較小。

1.3 AGC電路設(shè)計(jì)

    AGC電路的設(shè)計(jì)思路是在輸入級(jí)電路中電阻 R_f并聯(lián)了一個(gè)MOS管，當(dāng)輸入電流較大時(shí)，N_f管開(kāi)啟，處于三極管區(qū)，使得與 R_f并聯(lián)的整個(gè)跨阻減小。而當(dāng)輸入電流較小時(shí)，N_f管關(guān)閉，處于截止區(qū)，使得整個(gè)跨阻最大，如圖 4(a)所示， V_agc產(chǎn)生電路如圖 4(b)所示。

    V_2p和V_2n電壓取自差分放大第二級(jí)的輸出，兩個(gè)電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器之后輸入到放大器A₀中，放大器的輸出電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器之后控制后級(jí)MOS管中電流分配，從而產(chǎn)生AGC控制電壓V_agc。假設(shè)V_2p電壓上升，經(jīng)過(guò)放大器A₀之后，V_offset電壓上升，從而導(dǎo)致M1和M2中電流上升。M1中的電流經(jīng)過(guò)PM1鏡像到PM2中，也使得電阻上的電流增加，從而導(dǎo)致V_agc電壓上升，開(kāi)啟圖 4(a)中的Nf管，實(shí)現(xiàn)AGC的作用。值得注意的是，在AGC電路中，為了不使得V_agc電壓上升的過(guò)快，加入了M3管，當(dāng)V_agc電壓上升到一定電壓的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致M3管開(kāi)啟并處于三極管區(qū)，與R_c2并聯(lián)后，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電阻減小，從而一定程度上減小了V_agc電壓。其對(duì)比結(jié)果如圖5所示。可以看出，M3的引入使得V_agc控制電壓上升的更加緩慢，對(duì)輸入電流的調(diào)控范圍更大，但是引入M3管并沒(méi)有改變AGC電壓?jiǎn)?dòng)點(diǎn)。

1.4 中間差分放大級(jí)電路和輸出緩沖電路設(shè)計(jì)

    輸入級(jí)產(chǎn)生的跨阻增益是有限的，中間差分放大器進(jìn)一步將輸入信號(hào)進(jìn)行放大，其電路結(jié)構(gòu)采用共射放大器和射隨器相連的結(jié)構(gòu)，如圖 6(a)所示。在共射放大器中，使用了電容簡(jiǎn)并來(lái)補(bǔ)償由前級(jí)產(chǎn)生的增益滾降。利用半邊等效電路概念，其等效結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。

    其等效跨導(dǎo)為：

    可以看出，G_m中包含一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，分別為1/(R_s1C_s1)和(1+g_m1R_s1)/(R_s1C_s1)，而在N1管的集電極又包含一個(gè)極點(diǎn)為1/(R₁C_L)，如果集電極極點(diǎn)和等效跨導(dǎo)中的零點(diǎn)相抵消，則可以擴(kuò)展放大器的帶寬。但這是以降低低頻增益和引入電阻R_s1的熱噪聲為代價(jià)的，需要不斷優(yōu)化和折中選擇。

    射隨器電路除了完成了直流電平轉(zhuǎn)換之外，也將輸出電阻減小到了1/g_m，提高了放大器的帶負(fù)載能力；輸出緩沖電路一般要求CML電平輸出，同時(shí)要匹配和驅(qū)動(dòng)外部50 Ω電阻，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，在設(shè)計(jì)中R₁和R₂為50 Ω。為了滿足一定的輸出幅度以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)限幅放大器，輸出緩沖電路的電流一般比較大，在本次設(shè)計(jì)中輸出緩沖電路尾電流源設(shè)計(jì)為8 mA，這樣可以產(chǎn)生400 mV的差分輸出電壓。

2 版圖和后仿真結(jié)果

    整體電路版圖采用0.18 μm BiCMOS SiGe工藝設(shè)計(jì)，其供電電壓為3.3 V，芯片面積為937 mm×828 mm。交流仿真建立在合適的直流工作點(diǎn)之上，本文設(shè)計(jì)的跨阻放大器的跨阻增益和等效輸入噪聲仿真結(jié)果如圖8所示。從仿真結(jié)果中可以看出，放大器的單端跨阻增益為73 dBΩ，-3 dB帶寬在8.7 GHz，在10 G處等效輸入噪聲為17 pA/√Hz，從而得到跨阻放大器的靈敏度為-20 dBm。

    當(dāng)輸入電流較大的時(shí)候，AGC控制電壓就會(huì)上升，使得跨阻增益減小，其變化曲線如圖9所示?？梢?jiàn)，當(dāng)輸入電流為40 μA的時(shí)候，AGC電壓開(kāi)始開(kāi)啟輸入級(jí)跨阻上的可變MOS管電阻，減小跨阻增益。

    在高速通信系統(tǒng)中，眼圖是觀察通信質(zhì)量最直觀的方法。本設(shè)計(jì)版圖后仿真的瞬態(tài)眼圖如圖 10所示。

    從仿真眼圖中可以看出，“眼睛”張開(kāi)較大，上升和下降沿有一定的過(guò)沖，說(shuō)明帶寬足夠，且輸出關(guān)于零電平對(duì)稱。“眼皮”厚度較小，說(shuō)明放大器有比好的抗噪聲性能?？缱璺糯笃鞯闹饕阅軈R總?cè)绫?所示。

3 結(jié)論

    本文采用0.18 μm BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s跨阻放大器設(shè)計(jì)。為了獲得帶內(nèi)平坦的增益和較大的輸入動(dòng)態(tài)范圍，引入了溫度電流和AGC模塊。整個(gè)放大器的差分跨阻增益為9 kΩ，帶寬為8.7 GHz，靈敏度為-20 dBm，芯片正在流片中，從版圖后仿真結(jié)果來(lái)看，其芯片性能指標(biāo)完全可以使用在10 Gb/s的光通信領(lǐng)域。

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作者信息:

陳  偉1，黃啟俊1，何  進(jìn)1，王  豪1，常  勝1，童志強(qiáng)2

（1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072；2.武漢烽火通信科技股份有限公司微電子部，湖北 武漢430074）