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，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。