12通道10Gb/s0.18μmCMOS激光驱动器集成电路设计

摘要

计算机与网络等高科技的突飞猛进使通信得到了迅速发展，而以光波为载体、光纤为传输媒介的光纤通信更是取得了非常快速的发展。光纤通信具有传输容量大、保密性好等优点，在通信领域扮演了非常重要的角色。激光驱动器是光纤通信系统中的关键模块，能够驱动激光器有效工作。 本论文设计的12通道10Gb/s0.18μm CMOS激光驱动器集成电路为采用CMOS工艺设计超高速激光驱动器积累了经验，在光通信领域中具有实际应用和产业化应用。 论文研究的是应用在光纤通信系统发射机中的激光驱动器集成电路，它位于复接器之后，用来产生合适的驱动电流，驱动激光二极管有效工作。 本文根据相关应用需求，重点对电路设计架构、版图设计以及测试方案研究等部分进行深入研究。激光驱动器由输入匹配级、预放大级和输出驱动级组成。预放大级电路采用直接耦合的低负载阻抗的三级差分对级联结构和有源负反馈技术来增大带宽，输出驱动级采用C3A结构来减小输出电流的下降沿时间。物理版图的设计对整个电路的性能具有很大的影响，本设计采用对称精简的版图布局，相邻通道间距250μm，通道间采用P+、N+和深N阱三阱隔离结构来减小通道间的串扰。最后分别对单通道和12通道的激光驱动器芯片进行测试方案的研究，讨论测试环境、测试系统设计和测试过程步骤等。 后仿真结果显示，在速率10Gb/s的伪随机序列信号输入下，电路输出电流眼图良好，输出电流可以达到23mA，带宽7.2GHz，眼图抖动1.2ps，单通道驱动器的芯片面积是400μm×500μm，12通道驱动器的芯片面积是500μm×3200μm。单通道驱动器功耗为93mW左右。 仿真结果表明，论文设计的单通道和12通道的10Gb/s激光驱动器电路功能正确，性能基本达到设计要求和指标，经优化后可以应用于符合SDH STM-64标准的长距离光纤通信传输系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

1．5 主要完成工作

第2章 激光驱动器的基本原理

2．1 光纤通信系统基本架构

2．2 半导体光源的几种常见类型

2．2．1 发光二极管

2．2．2 激光二极管

2．2．3 垂直腔面发射激光器

2．2．4 光调制器

2．3 工艺选择

2．3．1 工艺比较

2．3．2 CMOS工艺设计难点

2．4 集成电路设计流程

2．5 本章小结

第3章 激光驱动器的电路设计与前仿真

3．1 激光驱动器的主要性能参数

3．1．1 工作速度

3．1．2 驱动能力

3．1．3 伪随机序列

3．1．4 功耗

3．1．5 带宽

3．1．6 眼图与抖动

3．2 输入匹配级电路

3．2．1 阻抗匹配

3．2．2 直流电平偏置

3．3 预放大级电路

3．3．1 差分对特性

3．3．2 多级级联

3．3．3 带宽拓展技术

3．4 输出驱动级电路

3．5 激光驱动器电路的整体结构分析

3．6 单通道激光驱动器的前仿真结果

3．6．1 直流工作点仿真

3．6．2 大信号瞬态仿真

3．6．3 调制电流和偏置电流特性

3．6．4 前仿真结果小结

3．7 12通道激光驱动器的设计与前仿真

3．7．1 12通道激光驱动器系统框图

3．7．2 12通道激光驱动器的前仿真结果

3．8 本章小结

第4章 版图设计与后仿真

4．1 版图设计原则

4．1．1 匹配设计

4．1．2 抗干扰设计

4．1．3 可靠性设计

4．1．4 低噪声设计

4．1．5 寄生优化设计

4．2 激光驱动器版图设计

4．2．1 单通道激光驱动器版图设计

4．2．2 多通道激光驱动器版图设计

4．3 后仿真

4．3．1 单通道激光驱动器集成电路后仿真结果

4．3．2 12通道激光驱动器集成电路后仿真结果

4．4 本章小结

第5章 测试方案研究

5．1 测试环境

5．2 在片测试方案设计

5．2．1 单通道激光驱动器在片测试方案设计

5．2．2 12通道激光驱动器在片测试方案设计

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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