带自适应均衡功能2.5Gb/s光接收机前端放大器设计

摘要

近些年来，光纤通信发展迅猛，逐渐变成人们交换数据信息的主要方式。光纤通信具有容量大、带宽高、损耗低等优点。又由于依靠互连网来传输的数据信息量，正在用指数级别的速度增长。所以，传统的电互连方式已经不适合传输远距离、容量大的信号。取而代之的是高速光纤连接方式。
　　本文采用标准0.18μm CMOS工艺，设计了一个带自适应均衡功能的2.5Gb/s单片光电接收机前端，用于短距离光通信。该光接收机前端主要包括四个模块:光电检测器、跨阻前置放大器、限幅放大器和自适应均衡器。其中，跨阻前置放大器用于将光电探测器的微弱电流转化为电压信号。本文选用FCG型电路结构作为跨阻前置放大器的输入级。FCG电路具有输入阻抗小、输出摆幅大等优点。跨阻前置放大器的后级放大电路采用有源负反馈结构，提高电路增益带宽积，综合改善电路性能。限幅放大器是为了将跨阻前置放大器的输出电压放大至高摆幅的数字电平级。限幅放大器的输出摆幅达到了900mV。跨阻前置放大器的带宽为传输速率的0.8倍，限幅放大器的带宽和输入传输速率相当，以便降低码间串扰。所以，限幅放大器由五个带负电容结构的差分放大单元级联而成。为了补偿光电探测器频率响应的缓慢滚降特性，且能够依据不同滚降特性自适应地进行补偿，本文采用自适应均衡器。其中，均衡器滤波单元采用具有高通特性的电容退化结构，生成一个零点，产生缓慢滚升特性曲线。自适应回路具有自适应检测功能，能够根据不同损耗的输入信号产生不同的控制电压，用于调整均衡滤波单元源级可变电容，进而改变零点，完成自适应高频补偿。
　　此外，本文还依据各个模块的需求，设计了单转双电路、直流失调补偿电路以及输出缓冲电路。本文采用Cadence对光接收机前端放大器模块和系统分别进行了设计和仿真。后仿真结果表明，可以得到95dBΩ的跨阻增益，输入最小电流为10μA，2GHz的带宽，输出摆幅峰峰值达到900mV。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 光纤通信介绍

1．1．2 SDH标准

1．2 光接收机的发展历史和国内外研究现状

1．2．1 光接收机的研究现状

1．2．2 单片集成光电接收机的研究动态

1．2．3 光电探测器的发展特性与研究动态

1．3 带自适应均衡功能的CMOS光接收机

1．4 0．18 μm CMOS工艺简介

1．5 论文组织

第二章 光接收机前端放大器的理论基础和系统架构

2．1 光接收机前端放大器的基本性能指标

2．1．1 带宽与传输速率

2．1．2 灵敏度

2．1．3 跨阻增益

2．1．4 噪声

2．1．5 伪随机性序列和眼图

2．2 带自适应均衡功能的光接收机前端放大器

2．2．1 跨阻前置放大器

2．2．2 自适应均衡器

2．2．3 主放大器

2．3 硅基光电探测器的理论基础和分类

2．3．1 光电探测器概述

2．3．2 光电探测器的性能指标

2．3．3 本设计采用的光电探测器

2．4 本章小结

第三章 前端放大器的分析与设计

3．1 概述

3．2 跨阻前置放大器分析和设计

3．2．1 跨阻前置放大器的结构

3．2．2 RGC型跨阻前置放大器

3．2．3 FCG型跨阻前置放大器

3．3 限幅放大器的分析与设计

3．3．1 放大器级联分析

3．3．2 单级差分放大单元的设计与分析

3．3．3 限幅放大器的原理

3．3．4 限幅放大器带宽拓展技术

3．3．5 限幅放大器电路设计

3．3．6 限幅放大器前仿真结果与分析

3．4 自适应均衡器的分析与设计

3．4．1 均衡器的分类

3．4．2 自适应均衡器的结构

3．4．3 均衡器基本滤波单元的设计与分析

3．4．4 自适应控制回路的分析与设计

3．5 带自适应均衡功能的单片集成前端放大器的设计与前仿真

3．5．1 前端放大器整体电路结构

3．5．2 相关电路模块设计

3．5．3 前端放大器系统电路设计

3．5．4 前端放大器系统前仿真结果与分析

3．6 本章小结

第四章 版图设计与后仿真

4．1 概述

4．2 版图设计的基本流程

4．2．1 版图的整体性设计

4．2．2 版图的层次化设计

4．2．3 版图验证

4．2．4 提取寄生参数和后仿真

4．2．5 导出GDSII文件

4．3 版图中要注意的效应和因素

4．3．1 天线效应

4．3．2 闩锁效应

4．3．3 其它因素

4．4 版图设计技术

4．4．1 保护环设计

4．4．2 低噪声设计

4．4．3 匹配设计

4．5 光接收机前端放大器版图设计和优化

4．5．1 前端放大器整体版图设计

4．5．2 前端放大器各模块版图设计

4．6 后仿真结果与分析

4．6．1 输入信号以及均衡模块的频率响应

4．6．2 后仿真直流功耗

4．6．3 后仿真幅频曲线

4．6．4 后仿真噪声输入电流

4．6．5 后仿真瞬态眼图

4．6．6 后仿真结果汇总

4．7 本章小结

第五章 芯片测试

5．1 无生产线集成电路设计和多项目晶圆

5．2 芯片测试概述

5．3 芯片测试方案

5．3．1 芯片测试仪器

5．3．2 前端放大器芯片示意图

5．3．3 芯片测试具体方案实施

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介

致谢