0.13μm BiCMOS工艺超高速光接收机前端放大器电路设计

摘要

近年来，随着光纤事业的快速发展和创新，人们对高速光纤传输系统的需求更加迫切。光接收机的性能对整个光纤通信系统具有至关重要的影响，而前端放大器作为光接收机的一个关键模块，其性能对整个光接收机的性能具有决定性的影响。前端放大器位于光检测之后，光检测器将到的光脉冲信号转换为电流信号，而前端放大器是将光检测器产生的电流信号转换成电压信号并放大到一定的幅度。
　　本文设计的光接收机前端放大器的设计主要考虑到跨阻增益、带宽、噪声、输入动态范围以及增益动态范围等指标。前端放大器主要包括跨阻放大器、自动增益控制电路以及输出缓冲电路。跨阻放大器的作用是将光检测器产生的电流信号转化成电压信号，其结构采用的是伪差分共基前馈输入的结构，这种结构具有极小的输入阻抗，适用于超高速光接收机。由于光接收机接收到的光照强度不确定，因此光检测器产生的电流信号幅度有一定的变化范围，所以需要自动增益控制电路根据输入信号幅度大小的不同自动调节增益以使输出信号达到一定的幅度。自动增益控制电路改变的是可变增益放大器的增益，可变增益放大器采用了三级改进型Gilbert单元级联构成。输出缓冲电路采用了电容退化技术，拓展了电路的带宽。
　　文中设计的前端放大器龟路采用的是IBM0.13μm BiCMOS工艺，并基于该工艺设计了前端放大器电路的版图，整体版图的面积约为865μm×593μm。经过后仿真得到，前端放大器的增益动态范围是36.4dBΩ～75.4dBΩ，-3dB带宽最小为42GHz左右，在40μA到1.5mA的输入电流范围下，单端输出可达到150mV到250mV之间，在3V和4V电源电压下共消耗450mW的直流功耗。后仿真结果表明，本文设计的前端放大器适用于56Gb/s的光纤通信系统。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 光纤通信系统

1．3 国内外研究现状

1．4 光接收机性能指标

1．5 工艺选择

1．6 设计指标

1．7 论文组织

第二章 光接收机前端放大器理论分析

2．1 光检测器

2．1．1 光检测器的工作原理

2．1．2 光检测器的指标

2．1．3 光检测器的噪声特性

2．1．4 光检测器的电路模型

2．2 随机二进制序列

2．3 前置放大器

2．3．1 前置放大器的分类

2．3．2 跨阻放大器的指标

2．3．3 跨阻放大器的噪声性能

2．3．4 小结

2．4 自动增益控制电路

2．4．1 AGC环路的原理分析

2．4．2 AGC电路的要求

2．4．3 AGC系统主要指标分析

第三章 0．13μm BiCMOS工艺光接收机前端放大器设计

3．1 前端放大器的整体结构

3．2 带宽拓展技术

3．2．1 电感峰化技术

3．2．2 电压并联负反馈技术

3．2．3 电容退化技术

3．2．4 负密勒电容技术

3．2．5 fr倍增技术

3．3 跨阻放大器的设计

3．3．1 跨阻放大器的结构选择

3．3．2 跨阻放大器的电路设计

3．4 伪差分-全差分转换电路的设计

3．5．1 可变增益放大器的设计

3．5．2 增益控制电路的设计

3．6 输出缓冲电路的设计

3．7 直流偏移消除电路的设计

第四章 版图设计与后仿真

4．1 版图设计中考虑的因素

4．1．1 寄生效应

4．1．2 匹配性与对称性

4．1．3 天线效应

4．1．4 其他因素

4．2 版图实现

4．3 后仿真结果

4．3．1 直流仿真

4．3．2 交流仿真

4．3．3 瞬态仿真

4．3．4 小结

第五章 测试方案

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文