2．5 Gb/s 0．35μmCMOS光接收機(jī)前置放大器設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，隨著社會(huì)信息化程度不斷提高，信息交換量呈爆炸性增長(zhǎng)，光纖通信干線系統(tǒng)以其高速、大容量的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。2．5 Gb/s超高速光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。作為光纖通信系統(tǒng)中光接收機(jī)的關(guān)鍵部分，前置放大器的性能在很大程度上決定了整個(gè)光接收機(jī)的性能。

　　過(guò)去，對(duì)于高速的集成電路，多采用GaAs工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是隨著深亞微米CMOS工藝的不斷發(fā)展，柵長(zhǎng)不斷減小，現(xiàn)在0．35μm CMOS管的截止頻率已經(jīng)達(dá)到13．5 GHz，可以實(shí)現(xiàn)高速的集成電路。本文采用臺(tái)灣TSMC0．35μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了用于光纖傳輸系統(tǒng)STM- 16 (2.5Gb/s)速率級(jí)的前置放大器。

1 前置放大器簡(jiǎn)介
　　前置放大器在光接收機(jī)系統(tǒng)中所處位置如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，光接收機(jī)主要由：光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、數(shù)據(jù)判決電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路和分接器等電路組成。其中前置放大器處在光接收機(jī)系統(tǒng)的前端，處理的是微弱的信號(hào)，因此他的性能將直接影響整個(gè)光接收機(jī)的性能。

　　在接收機(jī)中，檢測(cè)器感應(yīng)光信號(hào)，輸出μA級(jí)電流脈沖信號(hào)。而前置放大器的作用就是將此電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，主放大器將前置放大器輸出的電壓小信號(hào)放大至一個(gè)足夠大且恒定的幅度，以便驅(qū)動(dòng)后續(xù)時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路。時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的再生。最后分接器把高速數(shù)據(jù)流分接為低速數(shù)據(jù)流。所以對(duì)前置放大器有以下幾點(diǎn)要求：
(1)盡量減小電路本身引入的噪聲。
(2)有足夠高的增益，提高靈敏度。
(3)與信號(hào)速率相適應(yīng)的帶寬。

2 電路分析
　　要把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，一種有效的方案是采用跨阻型前置放大器，如圖2所示。

　　這種類型的放大器通過(guò)反饋電阻Rf提供負(fù)反饋，能提供一定的增益和大的帶寬。
跨阻放大器的帶寬表示為

其中：RiRf/A為放大器的輸入阻抗。
　　圖2中A為放大器的開(kāi)環(huán)增益；CT為輸入寄生電容，包括光檢測(cè)器的結(jié)電容和封裝電容。所以，可以看出輸入電阻和輸入電容決定了放大器的帶寬。例如，減小Rf，會(huì)使增益減小、帶寬變寬。但Rf減小會(huì)使電路的噪聲變大，降低放大器的靈敏度。因此，為達(dá)到電路的設(shè)計(jì)要求就需在噪聲、增益和帶寬等性能之間進(jìn)行折衷。

3 電路設(shè)計(jì)
　　前置放大器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3中光檢測(cè)器等效為電流源iin和電容Cin并聯(lián)，Cin為結(jié)電容；另外，在前置放大器后增加了基本差分放大單元如圖4所示，目的是實(shí)現(xiàn)電路的雙端輸出(其后主放大器為雙端輸入)并放大信號(hào)。采用兩級(jí)差分放大器，之間用源極跟隨器實(shí)現(xiàn)前一級(jí)輸出和后一級(jí)輸入的直流電平相匹配。

　　差分放大器的兩輸入端分別與跨阻放大器的輸出端直接連接和通過(guò)一個(gè)RC濾波網(wǎng)絡(luò)連接，從而保證基本差分放大器兩輸入端具有相同的直流電平。RC低通網(wǎng)絡(luò)的RC常數(shù)決定了前置放大器的低頻截止頻率fL。在fL一定的情況下，R越大，所需要的C就越小。

　　跨阻放大器如圖5所示，采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋的形式。由共源放大和源極跟隨組成基本放大部分，與Rf共同構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

4 模擬結(jié)果
　　采用臺(tái)灣TSMC0．35μmCMOS工藝提供的BSIM3元件模型和商用的SmartSpice電路仿真軟件對(duì)前置放大器進(jìn)行了仿真。
模擬交流分析得到的幅頻特性曲線如圖6所示。放大器總的增益為73 dBΩ，3 dB帶寬為2．2 GHz。低頻截止頻率為50 kHz。

圖7為輸入5μA，2．5 Gb/s的偽隨機(jī)序列，采用SmartSpice分析所得輸出眼圖。

5 版圖設(shè)計(jì)
　　前置放大器核版圖如圖8所示，圖中左上部分為跨阻放大器，是一個(gè)不對(duì)稱的圖形。右半部分是兩級(jí)差分放大器，由于是對(duì)稱的圖形，所以在繪制版圖時(shí)可以只畫上邊部分，然后復(fù)制翻轉(zhuǎn)下來(lái)?？缱璺糯笃骱筒罘址糯笃髦g是RC低通網(wǎng)絡(luò)的電阻，電容值比較大，采用外接形式。上下邊界處圖形為電源線，線的寬度要足夠?qū)?，以免電流過(guò)大燒毀。中間橫線為地線，同時(shí)使用兩層金屬，這樣既減小了線寬、節(jié)省了面積又能保證通過(guò)大的電流。

　　該版圖采用Cadence設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)。面積為40．15 mm×0．20 mm。該芯片已通過(guò)臺(tái)灣TSMC0．35μm的N阱、兩層多晶硅、四層金屬的CMOS工藝流片，由于前置放大器和主放大器一同流片，芯片總面積為1 mm×0．70 mm。

芯片顯微放大照片如圖9所示，圖中左半部分為前置放大電路，右半部分為限幅放大電路。

6 結(jié)果測(cè)試
由于測(cè)試條件所限，測(cè)試中只能用偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)來(lái)代替高速的脈沖電流信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖10所示。

　　圖11為整個(gè)芯片在片測(cè)試結(jié)果。前置放大器輸入為2．5 Gb/s峰峰值10 mV的電壓信號(hào)，主放大器輸出擺幅為200 mVp－p。
　　輸出數(shù)據(jù)的眼圖中心上偏約60 mV，這是因?yàn)闇y(cè)試采用單端輸出。雙端輸出時(shí)無(wú)此現(xiàn)象。