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。