基于SiGe BiCMOS工艺的光接收机模拟前端电路的研究

摘要

随着物联网、云计算及第四代移动互联网等大数据载体的崛起，信息传输量和传输速率雪崩式地增加，传统的铜互连因严重的串扰和损耗等问题已经难以适应超高速的数据传输与交换。与此相比，光互连以光作为信息载体，具有损耗低、带宽高和串扰小等优点，因而是电互连的理想替代者，也是未来互连的必然趋势。 硅基材料的光集成技术类似于电子学中的集成电路，它是利用现有标准工艺的设备、经验和技术来设计、制造和封装光电集成电路，使其在集成度、可制造性和扩展性等方面得到提高，是未来光电集成的重要突破方向。光接收机作为光通信/光互连系统的核心模块，是硅基光电子的研究热点之一。因标准CMOS工艺拥有功耗小、集成度高以及成本低的优势，是当前光接收机模拟前端电路最常用的工艺。而标准 SiGe BiCMOS工艺具有较好的光电特性，且工艺中特有的异质结晶体管(HBT)拥有高跨导和高带宽的特性，是宽带光接收机系统设计较为理想的工艺。因此，本文基于标准硅基工艺对光互连系统中的宽带光接收机模拟前端电路进行了研究，主要内容包括： 1、使用UMC 0.18μm CMOS技术设计了一款新型并联反馈型TIA。对TIA进行了版图后仿。由于后仿的仿真包含一些无法避免的寄生效应。TIA 的 ac 增益降至 58.4dBΩ，带宽降至 6.9GHz，In,in低于 23.8pA/测试结果显示，电路的-3dB带宽为5.2GHz，In,in为21.05pA/ 2、使用IBM 0.18μm SiGe BiCMOS 7WL技术设计了一款整体电路，主要包括差分共射共基跨阻放大器、改进型Cherry-Hooper限幅放大器、使用差分有源密勒电容的直流偏移消除电路以及输出缓冲级。版图后仿结果显示，整体电路的增益降至99.3dBΩ，带宽降至15.2GHz，In,in低于24.8pA/，眼图传输质量良好。 3、使用IHP SiGe BiCMOS 0.25μm技术设计了一款整体电路，主要包括了采用自举电路来消除探测器等效输入电容的跨阻放大器、Cherry-Hooper 限幅放大器、使用差分有源密勒电容的直流偏移消除电路、带隙电路以及输出缓冲级。版图后仿结果显示，整体电路的增益是77.8dBΩ，带宽高达35.6GHz，电路群延时波动小于12ps，眼图张开清晰，传输的质量可以保证，可以满足25Gb/s的超高速传输的需求。

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第1章 绪论

1.1光通信系统

1.2光接收机简介

1.3硅基光接收机的国内外研究进展

1.4 研究内容与组织结构

第2章 光接收机基本理论

2.1光接收机的数据传输格式

2.2光接收机的特征参数

2.2.1传输速率

2.2.2误码率

2.2.3灵敏度

2.2.4抖动

2.2.5眼图

2.2.6动态范围

2.3 小结

第3章 光接收机模拟前端电路分析

3.1 光接收机模拟前端电路概述

3.1.1 跨阻放大器

3.1.2 限幅放大器

3.1.3 输出缓冲级

3.1.4 直流偏移消除电路

3.2 带宽拓展技术

3.2.1 串联电感峰化技术

3.2.2 并联电感峰化技术

3.2.3 有源电感峰化技术

3.2.4 电容简并技术

3.2.5 自举电路技术

3.2.6 零极点对消技术

3.2.7有源负反馈

3.2.8三阶交错式有源负反馈

3.2.9 Cherry-Hooper结构

3.2.10负电容补偿电路

3.3 小结

第4章 基于CMOS工艺的跨阻放大器设计与分析

4.1传统RGC跨阻放大器

4.2传统并联反馈型跨阻放大器

4.3新型并联反馈型跨阻放大器设计

4.4新型并联反馈型跨阻放大器的仿真

4.5小结

第5章 基于SiGe BiCMOS工艺的光接收机模拟电路的设计和仿真

5.1 标准SiGe BiCMOS工艺简介

5.2基于IBM SiGe BiCMOS的光接收机整体电路设计

5.2.1跨阻放大器

5.2.2限幅放大器

5.2.3直流偏移消除电路

5.2.4输出缓冲级

5.2.5仿真结果

5.3基于IHP SiGe BiCMOS工艺的光接收机整体电路设计

5.3.1跨阻放大器

5.3.2限幅放大器

5.3.3直流偏移消除电路

5.3.4射极跟随器

5.3.5带隙电路

5.3.6输出缓冲级

5.3.7仿真结果

5.4小结

本章首先简要介绍了SiGe BiCMOS的技术特点以及优势，其次使用IBM SiGe BiCMOS 7WL 0.18μm和IHP SiGe BiCMOS 0.25μm两种技术分别设计了两款整体电路。基于IBM SiGe BiCMOS 7WL 0.18μm整体电路的仿真结果可知，所设计整体电路的ac增益达到99.5dBΩ，带宽可达17GHz，-3dB带宽范围内的In,in小于27pA/,????????.，眼图张开良好，眼皮很薄，占空比很高。基于IHP SiGe BiCMOS 0.25μm整体电路的仿真结果

第6章 光接收机电路的版图设计与测试分析

6.1版图设计要点

6.1.1天线效应

6.1.2闩锁效应

6.1.3金属走线的电流承载能力

6.1.4寄生参数

6.1.5其他高速电路的版图设计要点

6.2 光接收机模拟前端电路版图设计与仿真

6.2.1基于UMC工艺的新型并联反馈型跨阻放大器版图后仿

6.2.2基于IBM工艺的光接收机整体电路版图后仿

6.2.3基于IHP工艺的光接收机整体电路版图后仿

6.3 测试PCB的设计

6.4基于UMC工艺新型并联反馈型跨阻放大器的测试与分析

6.5小结

第7章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢