基于CMOS工艺的光接收机前置放大器的设计

摘要

光纤通信是一种采用光波作为信息载体，光导纤维作为传输介质的通信技术。这种通信方式有着巨大的可用带宽、极远的传输距离、极低的传输损耗等优点，不仅在高速数字通信领域得到广泛的应用，存低速光信号的传输上同样有广阔的应用空间。前置放大器位于光纤通信系统接收机的最前端，作用是将光检测器产生的微弱电流信号转换为电压信号，其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。由于高阻放大器具有增益高、噪声较小、灵敏度高等多项优点，因而适合应用于低速的工业制光纤传输系统。
　　 CMOS工艺的低成本、低功耗和高集成度等特点，使之成为如今设计集成电路的首选。本次课题利用0.51μm CMOS工艺设计了用于工作速率为10Mbps突发模式工业控制光纤通信系统的带自动增益控制的高阻前置放大器，采用HSpice和Cadence Virtuoso分别进行电路仿真和版图设计。文中详细介绍了CMOS工艺的特点，分析了基于CMOS工艺的高阻放大器、高低电位检测电路和偏置电流源的电路结构，并介绍了后级放大和比较判决电路，给出了各个模块的电路设计和各项性能指标的仿真结果，并且对版图设计进行了详细介绍。提取了版图的寄生参数，并做了后仿，性能满足设讣要求。
　　 本课题研究内容可以应用于超低速突发模式光接收机中，具有比较好的市场应用前景和工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 集成电路材料

1.2.1 硅材料

1.2.2 砷化镓材料和磷化铟材料

1.3 光接收机前置放大器设计要点

1.4 论义的内容安排

第二章 光接收机前置放大器

2.1 光纤通信系统

2.1.1 光纤信道

2.1.2 光发射机

2.1.3 光接收机

2.2 光接收机前置放火器

2.2.1 低阻放大器

2.2.2 高阻放大器

2.2.3 跨阻放大器

2.2.4 前置放大器的性能分析

2.3 自动增益控制

2.4 光接收机性能指标

2.4.1 灵敏度和误码率

2.4.2 眼图

2.5 本章小结

第三章 噪声理论分析

3.1 噪声的概念

3.2 噪声的分析

3.2.1 时域分析

3.2.2 频域分析

3.3 电路元件中噪声的类型

3.3.1 热噪声

3.3.2 闪烁噪声

3.3.3 散粒噪声

3.4 本章小结

第四章 电路设计

4.1 PIN光电二极管的仿真模型

4.2 基本的高阻放大器

4.3 本设计采用的高阻放大器

4.4 高阻放大器噪声分析

4.5 高低电位保持电路

4.6 后级放大器和比较器的设计

4.7 电流源

4.8 本章小结

第五章 工艺和版图设计

5.1 CMOS工艺介绍

5.2 版图设计及其设计规则

5.3 衬底噪声

5.4 ESD静电保护

5.5 版图设计步骤

5.8 本章小结

第六章 验证及结果分析

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致 谢

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