高速、高频(ROF)光通信用前置放大器设计

摘要

光接收机是光通信系统的重要组成部分，而前置放大器作为光接收机的关键模块，其性能很大程度上决定了光接收机乃至整个光通信系统的性能。本课题的目标是设计适用于光纤通信系统1.25Gb/s、2.5Gb/s速率级的高稳定性、宽动态范围宽带前置放大器，以及适用于射频光传输系统的10GHz频段窄带前置放大器。宽带的前置放大器多采用跨阻形式的放大器。窄带前置放大器则借助于射频微波技术方法来进行设计。
　　 本文采用Chartered0.35μmCMOS工艺，实现了一种2.5Gb/s光接收机的前置放大器。芯片面积仅为465μm×435μm。在片测试结果表明:RGC输入级有效地拓展了放大器的带宽，消直流电路很好地稳定了直流工作点。前置放大器的跨阻增益为54.2dBΩ，-3dB带宽为2.31GHz，平均等效输入噪声电流谱为18.0pA/√Hz。输入为2.5Gb/s、3.125Gb/s信号时眼图清晰对称。芯片功耗仅为58.08mW。
　　 同样采用Chartered0.35μmCMOS工艺，实现了一种具有自动增益控制功能的1.25Gb/s前置放大器。后仿真结果表明，在3.3V单电源供电时，电路功耗仅为59.3mW;跨阻增益达到了80.5dBΩ。借助于自动增益控制技术，有效提高了放大器的过载功率，前置放大器的输入光电流动态范围为5μA到2.5mA，放大器对应的灵敏度为-27.2dBm，过载功率达为+4.0dBm。芯片面积仅为582μm×510μm。
　　 最后，采用TSMC0.18μmCMOS工艺设计了用于射频光传输系统的10GHz窄带前置放大器。电路设计基于共源共栅放大器的结构，在限定功耗的前提下，设计实现了较高的增益，同时做到了噪声匹配和功率匹配。后仿真表明，在中心频率10GHz处，跨阻增益为50.85dBΩ，等效输入噪声电流功率谱密度为10.79pA/√Hz。仿真得到的隔离度系数S21小于-40dB，验证了共源共栅结构的良好隔离性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光纤通信及其发展历史

1．1．1 光纤通信

1．1．2 光纤通信的发展历史

1．1．3 光纤通信与移动通信的融合与适配

1．2 本文研究的意义及内容

1．2．1 本文的研究意义

1．2．2 前置放大器的性能指标

1．3 工艺选择

1．4 论文结构安排

第二章 接收机前端分析

2．1 前端对接收机的意义

2．2 光检测器

2．2．1 系统要求

2．2．2 光检测器分类

2．2．3 光检测器性能指标

2．2．4 光检测器的等效电路

2．3 前置放大器

2．4 跨阻放大器性能分析

2．3．1 一阶TIA模型

2．3．2 二阶TIA模型

2．5 本章小结

第三章 2．5Gb／s前置放大器设计

3．1 系统指标

3．2 电路总体结构

3．3 RGC跨阻放大器设计

3．4 噪声性能分析与优化

3．5 消直流电路设计

3．6 单元电路设计

3．6．1 单转双电路设计

3．6．2 输出缓冲电路设计

3．7 电流基准电路设计

3．7．1 PTAT电流源

3．7．2 启动电路

3．7．3 输出偏置

3．8 版图及后仿真

3．9 测试结果

3．10 本章小结

第四章 1．25Gb／s高性能前置放大器设计

4．1 系统指标

4．2 电路总体结构

4．3 高灵敏度跨阻放大器

4．4 自动增益控制

4．4．1 输入信号幅度检测

4．4．2 反馈网络的选择

4．5 版图及后仿真

4．6 本章小结

第五章 ROF系统10GHz前置放大器设计

5．1 系统指标

5．2 射频光接收机理论分析

5．2．1 光检测器等效模型

5．2．2 输入匹配网络

5．3 前置放大器电路设计

5．3．1 共栅放大器

5．3．2 共源放大器

5．3．3 共源共栅(Cascode)放大器

5．4 前置放大器版图设计

5．5 后仿真结果

5．6 本章小结

第六章 总结

6．1 本文的主要成果

6．2 进一步的工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文