光纤通信用80Gb/s以上速率数据复接集成电路研究与设计

摘要

从过去20多年的电信发展史看，光纤通信发展始终在按照电的时分复用方式进行，高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，目前商用系统的速率已达10Gb/s。光纤在传输40Gb/s及以上速率的数据时会产生较严重的色散，这是10Gb/s主干网系统升级到40Gb/s系统的一个困难。但随着光纤制造技术的发展，光纤对高速信号的色散得到了不断的改善，光纤的容量有着无穷的潜力。未来的骨干网容量很大程度上仍然取决于电路的速度，单路80Gb/s的电速率是一个可以设定的发展阶段。作为光纤通信系统的核心单元，时分复用的复接器成为研究领域一直关注的焦点。目前国际上已成功完成了100Gb/s到165Gb/s复接器芯片的研究，但这些尝试所采用的工艺成本非常之高。国内复接器实验芯片的最高速率为40Gb/s，落后于国外的研究进度。 本课题的目的是采用相对低成本的工艺设计80Gb/s及以上速率的复接器芯片，为将来160Gb/s系统提供功能模块。本课题的研究范围覆盖了选择器、宽带放大器、倍频器和压控振荡器的分析与设计，采用的工艺主要为SiGe BiCMOS。 由于用来设计复接器的晶体管截止频率仅为103GHz，对设计80Gb/s以上速率的复接器是一个很大的挑战。本文首先从系统设计上对传统复接器进行了优化。首先，除去了电路带宽的瓶颈，即输出缓冲器；然后，增加了选择器的尺寸足以直接驱动片外50Ω负载；其次，优化设计片上宽带放大器以充分保证输入数据、时钟的增益和带宽；最后，充分考虑现有测试仪器频率和速率的限制，在芯片上设计了40GHz时钟倍频器单元，为芯片的时钟输入提供了20GHz和40GHz两种选择。 在数据和时钟输入缓冲器的设计上，本文列举了几种应用于超高速系统的宽带放大器，分别是电容反馈式宽带差分放大器、峰化电感型宽带差分放大器、管联(cascode)型宽带差分放大器、Cherry-Hooper型宽带差分放大器。然后在增益、带宽和输出阻抗方面对这几种放大器进行了仿真对比。仿真结果表明，在给定工艺下，Cherry-Hooper型宽带放大器在增益、带宽、输出阻抗三个方面都符合复接器系统的要求。因此对这种放大器实现宽带的原理进行了理论分析。在电路设计中，本文结合了Cherry-Hooper结构和峰化电感技术进一步增加了工作带宽。为了在毫米波频段下尽量精确设计峰化电感，本文还给出了有关片上电感分析、仿真与实现方法。最后给出了工作于毫米波频率下的版图设计要点和放大器的仿真结果； 在二倍频器的设计上，本文采用了基于Gilbert结构的双平衡混频器电路；由于这种结构的二倍频往往会输出非差分平衡的二倍频信号，导致选择器非对称工作，本文对输出二倍频信号相位、幅度不平衡的现象进行了深入分析，提出了在毫米波频段下确保差分平衡输出的条件，并在实验芯片上对该条件进行了验证，测试结果与仿真接近一致。最后，利用本文给出的条件设计了复接器芯片所需的40GHz差分倍频器，并给出了仿真结果。 在选择器设计之初，本文对近年来国际文献提出的几种新型选择器电路进行了对比，分析了各自的优缺点：然后结合现有工艺的特点，提出了适用于本课题的电路。仍然采用了基于Gilbert单元的结构，但针对80Gb/s速率下的应用，对电路参数做了优化，使电路工作速度达到最高。接着，针对现有仪器，提出了一套行之有效的测试方案。最后给出了整个复接器芯片的测试结果。结果表明该芯片可以达到80Gb/s以上的速率；由于受限于测试仪器的数据速率，最高在86Gb/s上测到了眼图。 由于光通信发射机需要有独立的时钟源，本课题对时钟源频率综合器中的压控振荡器也进行了深入的研究。推导并简化了双推型振荡器的负阻、负阻频率上限以及相位噪声解析表达式；为了比较了双推型与传统Colpitts型差分振荡器在高频段的性能，本文分别设计了一个差分双推VCO和一个差分Colpitts型VCO，两个芯片都工作在20GHz附近，测试结果表明前者更适合于高频应用场合，在相位噪声、输出功率和调谐范围方面都比后者更有优势。接下来，本文研究了一种改进双推型振荡器，推导了其负阻、负阻频率上限和相位噪声解析表达式，通过与原双推型振荡器三项指标的对比，得出的结论是：改进双推型振荡器比原双推型振荡器的输出功率和相位噪声又可提升。为了验证该结论，本课题在38GHz附近分别设计了改进双推型振荡器和原型双推振荡器，测试结果表明前者能够获得更高的输出功率和更低的相位噪声；本文得出的几种振荡器的负阻和相位噪声表达式给电路设计提出了指导，具有非常重要的学术和实践意义；另外，对于频率超过频谱仪上限频率的频谱测试，本文也给出了一种可以准确测试频率和相位噪声近似估计输出功率的实用的测试方案； 本文所做的工作总结如下： 1、针对低成本工艺提出了优化的复接器系统方案； 2、首次实现国内超过80Gb/s速率的复接器芯片，芯片上集成了毫米波40GH差分二倍频器、三个宽带放大器(工作频段为DC～40GHz)、超高速选择器；并给出了测试方案； 3、在理论分析上对比了双推型与Colpitts型振荡器在高频段的性能差异，并设计实现了两个工作在20GHz附近的VCO实验芯片； 4、在理论分析上对比了双推型与改进双推型振荡器在高频段的性能差异，并设计实现了两个工作在38GHz附近的振荡器实验芯片；并给出了超出测试仪器频率上限的测试方法。 本文的创新点如下： 1、深入分析了基于Gilbert结构的二倍频器输出不平衡的问题，并提出了解决办法； 2、推导了双推型振荡器的相位噪声解析表达式； 3、推导了改进双推型振荡器的负阻、负阻频率上限以及相位噪声解析表达式。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1复用技术的发展历史

1.2 SDH介绍

1.3光收发机系统介绍

1.4本文研究内容

参考文献

第2章工艺简介

2.1 IBM 0.13μm SiGe BiCMOS(8WL)

2.2 Jazz 0.35 μm SiGe BiCMOS(SBC35QTC)

2.3 Win 0.15 μm InGaAs pHEMT(PP15-20)

第3章复接器系统方案

3.1复接器系统的分析

3.2子单元的设计指标

3.2.1延时电路

3.2.2数据输入缓冲器

3.2.3数据输出缓冲器

3.2.4选择器

3.2.5时钟二倍频器

3.3复接器系统方案

参考文献

第4章宽带放大器设计

4.1几种宽带放大器

4.2 Cherry-Hooper宽带放大器分析与设计

4.2.1理论分析

4.2.2电路设计

4.2.3理解电感量和品质因素

4.2.4电感设计

4.2.5版图设计

4.3后仿真

4.4小结

参考文献

第5章毫米波二倍频器设计

5.1倍频原理

5.2二倍频器输出差分不平衡的分析

5.2.1直流电位偏移分析

5.2.2幅度相位不平衡分析和验证

5.3复接器中的二倍频设计

5.3.1电路设计

5.3.2版图设计

5.4小结

参考文献

第6章超高速选择器设计

6.1选择器电路的几种形式

6.2选择器电路设计

6.2.1晶体管的尺寸

6.2.2时钟差分对管的优化

6.2.3负载电阻的优化

6.2.4并联峰化电感的设计

6.2.5前仿真

6.3选择器版图设计

6.4复接器的测试

6.4.1直接时钟方案

6.4.2倍频时钟方案

6.5小结

参考文献

第7章毫米波振荡器分析与设计

7.1双推结构的负阻分析

7.2双推结构的相位噪声分析

7.2.1双推振荡器与Colpitts振荡器的交流等效电路

7.2.2双推振荡器的相位噪声

7.2.3两种振荡器的比较

7.3双推型20GHz压控振荡器设计

7.4应用于毫米波频段的改进型双推压控振荡器

7.4.1改进双推结构的负阻分析

7.4.2改进型双推结构的相位噪声分析

7.5两类振荡器的相位噪声对比

7.6两类振荡器的实验芯片对比

7.6.1振荡器电路设计

7.6.2毫米波振荡器测试

7.7小结

参考文献

第8章总结与展望

致谢

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