CMOS光接收机模拟前端电路的带宽拓展研究

摘要

随着数据量爆发式增长，以电互连为主的短距离通信将不能满足要求，因此提出单片光电集成(OEIC)来解决这一难题。另外，随着工艺线宽的不断缩减，硅基CMOS电路的性能显著提升。因此，研制基于标准CMOS工艺的吉比特以上的低成本、高集成度的光电集成芯片成为当前的研究热点。而作为光通信接收链路的关键模块，跨阻放大器（TIA）对整个光接收机的性能有着至关重要的影响。因此，高速、低噪声跨阻放大器的设计成为提升网络整体性能的关键因素之一。
　　本研究主要内容包括：⑴通过引入最佳偏置网络和T型匹配网络，设计了一款带宽和噪声性能优异的TIA。仿真结果表明，在输入电容为0.3 pF时，放大器的跨阻增益为51dBΩ，-3dB带宽为14GHz，平均等效输入噪声电流密度为13pA/√Hz。⑵设计实现了一款低噪声交叉耦合结构的跨阻放大器。通过采用两级共源放大器作为RGC结构的辅助放大器，优化电路参数以及在输入端引入阶梯型无源匹配网络来提升电路带宽和噪声性能。测试结果表明，在探测器等效电容为300pF时，所设计跨阻放大器芯片的-3dB带宽为2.2GHz，跨阻增益为61.8dBΩ，平均等效输入噪声电流谱密度仅为9pA/√Hz，成功实现了2.5Gb/s的传输速率。⑶设计实现了一款由改进型RGC输入级和单转差放大器(S-D AMP)组成的宽带TIA。通过在RGC结构中引入L型匹配网络和共源共栅结构，其性能得到显著提升。此外，为了简化后端限幅放大器(LA)的设计和抑制共模噪声，提出了一种S-D AMP来实现全差分输出和提升增益的方法。在芯片中设计300fF MIM在片电容来模拟探测器。测试结果表明，跨阻放大器的增益为61dBΩ，-3dB带宽为8.1GHz，平均等效输入噪声电流密度为18.5pA/√Hz。在1.8V供电电压下，直流功耗为68mW，芯片面积为0.9mm2。⑷基于上述设计的宽带跨阻放大器，采用三级交错式有源反馈限幅放大器和Ft倍频器设计了一款全差分宽带光接收机模拟前端电路。仿真结果表明，其跨阻增益为94.5dBΩ，-3dB带宽为9.5GHz，等效输入噪声电流为26.3pA/√Hz。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1课题的研究意义及背景

1.2光通信系统构架

1.3光接收机简介

1.4 硅基光接收机的研究进展

1.5研究内容与组织结构

第二章 光接收机理论基础

2.1 光接收机的数据传输格式

2.2 光接收机特性参数

2.3 眼图

2.4 光接收机模拟前端电路

2.5 小结

第三章 带宽扩展技术

3.1串联电感峰化技术

3.2 并联电感峰化技术

3.3 桥接式并联网络

3.4 有源电感峰化技术

3.5 电容峰化技术

3.6 电容简并

3.7 零极点抵消

3.8 负电容补偿和自举电路技术

3.9 小节

第四章 宽带CMOS光接收机前端电路的分析与设计

4.1 RGC结构分析

4.2 高速单转差跨阻放大器的设计

4.3 低噪声差分交叉耦合跨阻放大器

4.4 单转差宽带跨阻放大器

4.5 限幅放大器的设计

4.6 全差分光接收机前端模拟电路的仿真

4.7 小结

第五章 版图设计与测试分析

5.1 版图设计

5.2 测试PCB设计

5.3 测试结果及分析

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢