15-40Gb/s CMOS高速并行光接收前端放大电路设计

摘要

随着Intemet的迅猛发展，人们对信道带宽的要求呈爆炸性增长。越来越多的网络设备如Router、ATM、光交叉连接设备(OXC)以及DWDM等被置于运营商的同一个机房中。由于超高速数据连接的需要，这些设备之间一般采用光互联，并且连接距离较短(600m以内)。因为长距离光传输技术成本较高，所以在短距离内采用长距离光传输技术显然不合适。而具有较高性价比的甚短距离(VSR)光传输技术是这种应用情况下的最好选择。 作为光接收机的关键部分，前置放大器的性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。在高速光纤传输系统中，广泛采用互阻前置放大器。主放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器和限幅放大器。由于限幅放大器具有设计简单、功耗低、芯片面积小和外接元件少的优点，本文选择限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。 本文采用TSMC 0.25μm CMOS工艺实现了基于’VSR4-1并行光接收机前端放大电路设计。前置放大器采用了改进型共源跨阻结构，在满足电路工作带宽的同时，优化了电路的噪声性能。限幅放大器采用有源负载基本放大单元。根据理论分析优化设计，并通过实际模拟，取得了较优的增益、带宽、噪声和功耗性能。 本文采用TSMC 0.18μm CMOS工艺实现了基于VSR4-1及VSR5并行光接收机前端放大电路设计。前置放大器采用了RGC结构，克服了CMOS光检测器大寄生电容造成的带宽不够的问题。限幅放大器采用了改进型Cherry-Hooper放大单元。根据理论分析优化设计，并通过实际模拟，取得了较优的增益、带宽、噪声和功耗性能。 文章按照电路设计、版图设计、流片至芯片测试的顺序详细介绍了上述电路的设计过程及最终的测试结果。全部电路经模拟验证符合设计要求，并送交芯片制造厂商流片。所得样片，经初步测试，性能良好。 根据芯片在通路间隔离措施上的创新之处，于2005年5月提交了国家技术发明专利(申请号：200510040731.x)。 受江苏省科技厅委托，省教育厅于2005年8月20日在南京主持召开了“15-30Gb/s高速并行光接收前端放大器”成果鉴定会。鉴定委员会一致通过该成果的鉴定，认为本项研究成果达到了国际先进水平。

目录

文摘

英文文摘

东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明

第一章概述

1.1研究背景及意义

1.2单路光接收机系统简介

1.3甚短距离(VSR)光传输技术

1.4光接收机性能指标

1.5工艺选择

1.6论文组织

第二章前置放大器的分析与设计

2.1引言

2.2光检测器

2.2.1 PD的工作原理

2.2.2 PD的特性参数

2.3前置放大器的噪声特性

2.3.1热噪声

2.3.2散弹噪声

2.3.3闪烁噪声

2.4前置放大器电路结构类型

2.4.1共源跨阻前置放大器

2.4.2共栅前置放大器

2.4.3电流模形式的互阻前置放大器

第三章主放大器的分析与设计

3.1引言

3.2主放大器类型选择

3.2.1 AGC放大器

3.2.2限幅放大器

3.3小结

第四章应用于VSR4-1并行光接收前端放大电路的分析与设计

4.1系统结构

4.2单路前端放大器电路指标与系统结构

4.2.1电路指标

4.2.2系统结构

4.3前置放大器的分析与设计

4.3.1基本共源跨阻放大器结构

4.3.2改进型共源跨阻放大器结构

4.3.3小结

4.4接口电路设计

4.5有源电感负载限幅放大器的分析与设计

4.5.1系统结构

4.5.2基本放大单元

4.5.3失调电压补偿回路

4.6输出缓冲

4.7单路1.25Gb/s光接收前端放大电路模拟结果

4.7.1直流工作特性

4.7.2幅频特性曲线

4.7.3信号输出眼图

4.8小结

第五章应用于VSR4-1、VSR5并行光接收前端放大电路的分析与设计

5.1系统结构

5.2单路前端放大器电路指标与系统结构

5.2.1电路指标

5.2.2系统结构

5.3前置放大器的分析与设计

5.3.1 RGC结构

5.3.2 RGC形式的互阻前置放大器

5.4接口电路设计

5.5主放大器电路设计

5.5.1限幅放大器的电路设计

5.6输出缓冲电路设计

5.7单路光接收前端放大电路模拟结果

5.7.1直流工作特性

5.7.2幅频特性曲线

5.7.3信号输出眼图

5.8小结

第六章版图设计

6.1引言

6.2版图设计的考虑因素

6.2.1寄生电容

6.2.2闩锁效应

6.2.3衬底串扰噪声

6.2.4天线效应

6.2.5线电流密度

6.2.6其它因素

6.3并行光接收前端放大电路隔离设计

6.3.1 P+隔离环

6.3.2P+隔离环与N阱隔离环

6.3.3P+隔离环、N阱隔离环与深N阱

6.4应用于VSR4-1的并行光接收前端放大电路版图设计

6.4.1单路1.25Gb/s前端放大电路版图设计

6.4.2单片集成12路并行前端放大电路版图设计

6.5应用于VSR4-1、VSR5的并行前端放大电路版图设计

第七章芯片测试

7.1引言

7.2测试环境

7.3测试系统

7.3.1电信号测试

7.3.2光信号测试

7.4应用于VSR4-1并行光接收前端放大电路的测试

7.4.1单路1.25Gb/s前端放大电路测试结果

7.4.2应用于VSR4-1并行光接收前端放大电路测试结果

7.5应用于VSR4-1、VSR5并行前端放大电路的测试

7.5.1单路测试结果

7.5.2多路测试结果

7.6小结

第八章总结

参考文献

致谢