基于标准SiGe BiCMOS工艺的宽带全差分光接收机的研制

摘要

光通信技术正迅速将其应用领域扩展到互连系统中，而基于铜线的电互连逐渐被光纤所取代。硅基光电子技术从低价格和高集成度出发，引领着下一代光通信的发展趋势。光接收机作为光互连系统的核心模块之一，自然成为硅基光电子的研究热点方向。标准SiGe BiCMOS工艺除了具有低噪声和较好的频率特性之外，同时还具有较好的光电特性，因此成为硅基宽带光接收机设计的最理想工艺。很多国内外学者已经开始对基于标准SiGe BiCMOS工艺的光接收机进行了一些的研究，但其结果离商用化标准仍有一定差距。本文基于标准SiGe BiCMOS工艺对宽带光接收机系统进行了研究，主要进行了如下工作:
　　1、基于IBM7WL标准0.18μm SiGe BiCMOS工艺对DPD、PIN和HPT光电探测器进行了建模，分析了影响光电探测器响应度和带宽的因素，并流片实现。在850nm波长的输入光照条件下，三种探测器的响应度分别能达到0.007A/W，0.01A/W和0.4A/W。其中，HPT光电晶体管的性能已接近商用化标准。同时，提出了一种基于PIN结构的全差分光电探测器，可将单根光纤输出的光信号转换成一对全差分电流信号。
　　2、利用标准0.18μm CMOS器件设计了一款集成cascode反馈型RGC输入级、π型匹配网路及一种新型米勒电容补偿技术的宽带跨阻放大器，测试结果为跨阻增益57dBΩ，带宽8.2GHz及静态功耗22mW;利用SiGe HBT器件(截止频率60GHz)设计了一款集成新型电容简并RGC输入级、π型匹配网路的宽带跨阻放大器，测试结果为跨阻增益61dBΩ、带宽15GHz及静态功耗32mW。
　　3、利用标准0.18μm CMOS器件设计了一款反比例缩放限幅放大器，增益30dB、带宽5.9GHz，同时设计一款交错式三阶有源反馈限幅放大器，增益44.4dB、带宽9.3GHz;利用SiGe HBT器件设计了一款集成电容简并结构及Cherry Hooper结构的限幅放大器，增益46.4dB，带宽20.5GHz;利用CMOS器件设计了一款fT倍频缓冲级，增益3.7dB，带宽17GHz。
　　4，利用标准0.18μmCMOS工艺设计了一款全差分光接收机，跨阻增益92.5dBΩ，带宽8.9GHz，数据传输速率达到10Gb/s;利用标准0.18μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款的全差分光接收机，跨阻增益107dBΩ，17GHz，数据传输速率达到20Gb/s。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光通信系统简介

1．2 光接收机简介

1．3 光接收机的国内外研究进展

1．4 论文研究内容

第二章 基于SiGe BiCMOS工艺的光接收机基本理论

2．1 光接收机的数据传输格式

2．2 光电探测器基础

2．2．1 光电探测器工作机理及特性参数

2．2．2 PN型光电探测器

2．2．3 PIN光电探测器

2．2．4 金属-半导体-金属光电探测器

2．2．5 雪崩击穿光电探测器

2．2．6 光电晶体管

2．3 光接收机模拟前端放大电路概述

2．3．1 跨阻放大器

2．3．2 限幅放大器

2．3．3 输出缓冲级

2．4 带宽扩展技术

2．4．1 串联电感峰化技术

2．4．2 并联电感峰化技术

2．4．3 桥接式并联网络

2．4．4 有源电感峰化技术

2．4．5 电容峰化技术

2．4．6 电容简并

2．4．7 零极点对消

2．4．8 负电容补偿和自举电路技术

2．5 方波的频域与时域

2．5．1 理想方波的频谱

2．5．2 频域与时域的关系

2．5．2 方波与带宽的关系

第三章 BiCMOS光电探测器的模拟与设计

3．1 基于标准SiGe BiCMOS工艺光电探测器概述

3．1．1 双光电二极管

3．1．2 PIN光电探测器

3．1．3 HPT光电探测器

3．1．4 基于SiGe BiCMOS工艺的全差分光电探测器

第四章 BiCMOS宽带光接收机前端模拟电路设计

4．1 跨阻放大器设计

4．1．1 传统型RGC跨阻放大器

4．1．2 基于标准CMOS工艺的宽带跨阻放大器设计

4．1．3 基于SiGe HBT晶体管的宽带跨阻放大器设计

4．1．4 全差分跨阻放大器

4．2 限幅放大器设计

4．2．1 Cherry Hooper限幅放大器

4．2．2 反比例缩放限幅放大器

4．2．3 有源反馈限幅放大器

4．3 输出缓冲级设计

4．4 全差分光接收机前端模拟电路仿真

4．4．1 基于CMOS工艺的全差分光接收机整体仿真

4．4．2 基于SiGe HBT工艺的全差分光接收机整体仿真

第五章 光接收机版图设计与流片测试

5．1 版图设计要点

5．1．1 天线效应

5．1．2 闩锁效应

5．1．3 金属走线承载电流能力

5．1．4 寄生参数

5．1．5 其他高速电路的版图设计要点

5．2 光电探测器版图设计与流片测试

5．2．1 光电探测器版图设计

5．2．2 光电探测器的测试

5．3 光接收机前端模拟电路版图设计与流片测试

5．3．1 光接收机版图设计

5．3．2 光接收机的测试

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢