10Gb/s光接收机跨阻前置放大器芯片设计研究
发布时间：2020-12-14 05:33
采用0.18μm BiCMOS工艺设计并实现了一种高增益、低噪声、宽带宽以及大输入动态范围的光接收机跨阻前置放大器。在寄生电容为250fF的情况下,采用全集成的四级放大电路,合理实现了上述各项参数指标间的折中。测试结果表明:放大器单端跨阻增益为73dB,-3dB带宽为7.6GHz,灵敏度低至-20.44dBm,功耗为74mW,最大差分输出电压为200mV,最大输入饱和光电流峰-峰值为1mA,等效输入噪声为17.1（pA）/（Hz）1/2,芯片面积为800μm×950μm。
【文章来源】：半导体光电. 2017年04期 北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１光接收机构成框图电路设计
图１光接收机构成框图１电路设计为了解决跨阻、带宽和噪声三者的矛盾关系，跨阻放大器常采用电压并联负反馈结构，如图２［４］所示。图２典型电压并联负反馈结构ＴＩＡ图２中，Ｉｉｎ为输入光电流，Ｃｉｎ为输入电容（包括ＰＤ结电容ＣＰＤ、前向放大器输入电容ＣＡ以及输入节点的寄生电容），Ａ为开环电压增益，ＲＦ为反馈电阻，Ｖｏｕｔ为输出电压。可以推导得到跨阻增益ＺＴ、上限截止频率ｆ－３ｄＢ、输入参考噪声如下：ＺＴ＝ＶｏｕｔＩｉｎ＝－ＡＡ＋１×ＲＦ１＋ＲＦＣｉｎＡ＋１ｓ≈ＲＦ（１）ｆ－３ｄＢ≈１２πＡＲＦＣｉｎ（２）Ｉ２ｎ，ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ为前向放大器的等效输入参考噪声。为将噪声最小化，需要将输入节点与反馈节点隔开，即插入一级共栅或共漏放大器。插入共栅级后，在输入节点，输入阻抗由ＲＦ减小到１／ｇｍ，同时输入电容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的输入电容部分，因此跨阻增益ＲＦ将不再与带宽冲突。本文基于该结构做了一定的修改，提升了电路性能。１．１放大器整体框图本文设计的光接收机前端放大电路的主通道系统框图如图３所示。主放大模块负责将微弱的电流信号转化为放大的电压输出信号，并提供足够的带宽与良好的噪声性能。差分放大模块负责提高电路的整体增益，同时将单端信号转化成差分输出信号。输出缓冲模块负责将输出信号匹配到差分５０Ω负载［５］。为了使电路的性能更加完善，另外还加有一些附属的
ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ为前向放大器的等效输入参考噪声。为将噪声最小化，需要将输入节点与反馈节点隔开，即插入一级共栅或共漏放大器。插入共栅级后，在输入节点，输入阻抗由ＲＦ减小到１／ｇｍ，同时输入电容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的输入电容部分，因此跨阻增益ＲＦ将不再与带宽冲突。本文基于该结构做了一定的修改，提升了电路性能。１．１放大器整体框图本文设计的光接收机前端放大电路的主通道系统框图如图３所示。主放大模块负责将微弱的电流信号转化为放大的电压输出信号，并提供足够的带宽与良好的噪声性能。差分放大模块负责提高电路的整体增益，同时将单端信号转化成差分输出信号。输出缓冲模块负责将输出信号匹配到差分５０Ω负载［５］。为了使电路的性能更加完善，另外还加有一些附属的功能模块，比如带隙模块、Ｒｅｇ供电模块、电流监控模块、Ｐｉｎｋ供电模块、自动增益控制模块，以及直流偏移消除模块等。图３光接收机前端放大电路完整系统框图１．２主放大器设计主放大器包含共射极放大器和源极跟随器，以及加反馈电阻ＲＦ，具体电路结构如图４。输入电容包括光电二级管电容Ｃｄ以及Ｑ１的基极发射极电容Ｃπ１。分析跨阻增益时，忽略基极输入电阻ｒｂ，本文使用Ｘ点作为输出端，其增益相比Ｙ点略高，跨阻增益比理论上更接近ＲＦ。Ｃｉｎ主要来自于光电二级管电容，无法轻易改变。可以通过选择合适的反馈电阻ＲＦ和集电极电阻Ｒｃ，有效地增加带宽。图４主放大电路双极型晶体管的噪声主要有扩散的波
本文编号：2915910
【文章来源】：半导体光电. 2017年04期 北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１光接收机构成框图电路设计
图１光接收机构成框图１电路设计为了解决跨阻、带宽和噪声三者的矛盾关系，跨阻放大器常采用电压并联负反馈结构，如图２［４］所示。图２典型电压并联负反馈结构ＴＩＡ图２中，Ｉｉｎ为输入光电流，Ｃｉｎ为输入电容（包括ＰＤ结电容ＣＰＤ、前向放大器输入电容ＣＡ以及输入节点的寄生电容），Ａ为开环电压增益，ＲＦ为反馈电阻，Ｖｏｕｔ为输出电压。可以推导得到跨阻增益ＺＴ、上限截止频率ｆ－３ｄＢ、输入参考噪声如下：ＺＴ＝ＶｏｕｔＩｉｎ＝－ＡＡ＋１×ＲＦ１＋ＲＦＣｉｎＡ＋１ｓ≈ＲＦ（１）ｆ－３ｄＢ≈１２πＡＲＦＣｉｎ（２）Ｉ２ｎ，ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ为前向放大器的等效输入参考噪声。为将噪声最小化，需要将输入节点与反馈节点隔开，即插入一级共栅或共漏放大器。插入共栅级后，在输入节点，输入阻抗由ＲＦ减小到１／ｇｍ，同时输入电容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的输入电容部分，因此跨阻增益ＲＦ将不再与带宽冲突。本文基于该结构做了一定的修改，提升了电路性能。１．１放大器整体框图本文设计的光接收机前端放大电路的主通道系统框图如图３所示。主放大模块负责将微弱的电流信号转化为放大的电压输出信号，并提供足够的带宽与良好的噪声性能。差分放大模块负责提高电路的整体增益，同时将单端信号转化成差分输出信号。输出缓冲模块负责将输出信号匹配到差分５０Ω负载［５］。为了使电路的性能更加完善，另外还加有一些附属的
ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ为前向放大器的等效输入参考噪声。为将噪声最小化，需要将输入节点与反馈节点隔开，即插入一级共栅或共漏放大器。插入共栅级后，在输入节点，输入阻抗由ＲＦ减小到１／ｇｍ，同时输入电容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的输入电容部分，因此跨阻增益ＲＦ将不再与带宽冲突。本文基于该结构做了一定的修改，提升了电路性能。１．１放大器整体框图本文设计的光接收机前端放大电路的主通道系统框图如图３所示。主放大模块负责将微弱的电流信号转化为放大的电压输出信号，并提供足够的带宽与良好的噪声性能。差分放大模块负责提高电路的整体增益，同时将单端信号转化成差分输出信号。输出缓冲模块负责将输出信号匹配到差分５０Ω负载［５］。为了使电路的性能更加完善，另外还加有一些附属的功能模块，比如带隙模块、Ｒｅｇ供电模块、电流监控模块、Ｐｉｎｋ供电模块、自动增益控制模块，以及直流偏移消除模块等。图３光接收机前端放大电路完整系统框图１．２主放大器设计主放大器包含共射极放大器和源极跟随器，以及加反馈电阻ＲＦ，具体电路结构如图４。输入电容包括光电二级管电容Ｃｄ以及Ｑ１的基极发射极电容Ｃπ１。分析跨阻增益时，忽略基极输入电阻ｒｂ，本文使用Ｘ点作为输出端，其增益相比Ｙ点略高，跨阻增益比理论上更接近ＲＦ。Ｃｉｎ主要来自于光电二级管电容，无法轻易改变。可以通过选择合适的反馈电阻ＲＦ和集电极电阻Ｒｃ，有效地增加带宽。图４主放大电路双极型晶体管的噪声主要有扩散的波
本文编号：2915910
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