0.18μm CMOS 10Gb/s激光驱动器及单片集成光发射芯片设计

摘要

随着社会的发展，信息交换量与日俱增。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通信异军突起，发展十分迅速，已成为信息高速公路的主体。光纤通信适用于多种综合数据业务，具有容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，发展势头迅猛，是未来宽带网络的发展方向。开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国信息化建设具有重大意义。
　　 用于光纤传输系统的光发射芯片包括复接器和激光驱动器两块关键电路。作为光发射芯片的关键电路，激光驱动器电路的作用是提供一定的增益，放大复接器输出的高速信号，驱动后面的激光二极管。由于它是光纤传输系统中实现从数字信号向模拟信号转变、电压信号向电流信号转变、电信号向光信号转变的关键电路，因此在国内外都得到了广泛而深入的研究。
　　 本论文介绍的激光驱动器电路和单片集成的光发射芯片基于TSMC0.18um CMOS工艺，适用于光纤通信系统STM-64速率级。激光驱动器电路设计的难点在于电路的大电流输出导致管子自身电容对电路工作速度的影响非常明显；另外本电路采用了TSMC0.18μm CMOS标准工艺，故经典的差分放大器接源极跟随器的级联结构无法采用。文章按照电路设计、版图设计、工艺流片到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。
　　 本次设计的激光驱动器电路采用直接耦合的两级差分放大器结构，电路中采用了并联峰化技术和放大级直接耦合技术以扩展带宽，降低功耗。在片测试显示该芯片在1.7V电源电压下，最高工作速率可达11 Gbit/s。输入速率为10Gb/s、单端峰峰值为0.3 V的信号时，50Ω负载上的输出电压单端峰峰值超过电源电压。激光驱动器电路功耗约为77.4 mW，芯片面积为0.94*1.25m㎡。电路一次性流片成功，测试结果显示已达到世界同类集成电路中的先进水平。
　　 单片集成的光发射芯片后仿真结果表明：在1.8V电源电压作用下，该电路可工作在10.5Gb/s速率以上。输入四路单端峰峰值为0.2 V的10Gb/s信号时，单端50Ω负载上的复接输出电压单端峰峰值可达到1.6V以上。单片集成电路功耗约为230mW，芯片面积1.77*0.94 m㎡。

目录

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列表

第一章 概述

1.1 光纤通信系统和SDH标准

1.2 光发射/接收模块描述

1.3 光发射芯片性能指标

1.4 工艺选择

1.5 集成电路设计流程

1.6 激光驱动器设计和论文结构安排

第二章 光发射机系统

2.1 光纤

2.2 调制方式

2.3 光源

2.3.1 发光二极管(LED)

2.3.2 激光二极管(LD)

2.3.3 垂直腔面发射激光器

2.3.4 光调制器

2.4 光纤通信系统设计

第三章 深亚微米CMOS集成电路设计

3.1 集成电路概述

3.1.1 集成电路分类

3.1.2 集成电路的设计要求

3.2 深亚微米CMOS二阶效应

3.2.1 体效应(Body Effect)

3.2.2 沟道长度调制效应

3.2.3 亚阈值导电性(subthreshold Conduction)

3.3 深亚微米CMOS短沟道效应

3.3.1 阈值电压的变化

3.3.2 垂直电场引起的迁移率退化

3.3.3 载流子速度饱和

3.3.4.热载流子效应

3.3.5 漏-源电压引起的输出阻抗的变化

3.4 眼图

第四章 激光驱动器电路设计

4.1 输入缓冲电路

4.1.1 输入匹配电路

4.1.2 源极跟随器

4.2 差分放大器

4.2.1 直流分析

4.2.2 频率分析

4.2.3 直接耦合的级联差分放大器分析

4.2.4 本电路的级联差分放大器分析

4.3 带宽拓展技术

4.3.1 负反馈

4.3.2 电感峰化

4.3.3 电容峰化

4.3.4 均衡技术

4.4 输出级

4.5 直流偏置电路

4.6 参考电压源

4.7 激光驱动器系统设计

4.7.1 系统构成和仿真

4.7.2 仿真小结

第五章 光发射芯片电路设计

5.1 复接器

5.2 光发射芯片系统设计

第六章 版图设计

6.1 概述

6.2 版图设计要点

6.2.1 叉指结构MOS管

6.2.2 寄生电容

6.2.3 寄生电阻

6.2.4 闩锁效应

6.2.5 衬底串扰噪声

6.2.6 天线效应

6.2.7 线电流密度

6.2.8 其它因素

6.3 激光驱动器电路版图设计

6.4 光发射芯片版图设计

第七章 芯片测试

7.1 引言

7.2 激光驱动器电路测试

7.2.1 芯片照片

7.2.2 测试系统

7.2.3 测试结果

7.3 测试小结

7.4 测试结果分析

第八章 总结

参考文献

致谢