0.18μm,CMOS,2.5,Gbps带AGC功能的前置放大器 带冲击功能的手电钻

　　摘要：利用0.18μm Mixed Signal CMOS工艺，实现了一种应用于OC-48/GPON的2.5 Gbps光纤通信网络的接收机前置放大器。该前置放大器采用RGC（Regulated Cascode）结构作为输入级，电压并联负反馈结构作为跨阻转换放大，同时采用有源电感峰化、源极退化峰化等技术以拓展带宽，内置了AGC（Automatic Gain Control）功能以拓宽输入动态范围。仿真结果表明，该芯片跨阻为差分6 kΩ，带宽为2 GHz；芯片实际测试灵敏度为-26 dBm（误码率为10-10）,饱和输入光功率达到3 dBm。芯片采用 3.3 V单电源供电，静态功耗仅为66 mW。
　　关键词：前置放大器、RGC、AGC、有源电感、源极退化、AGC、CMOS工艺
　　
　　1引言
　　
　　近几年随着互联网、3G/4G无线网络的飞速发展，高清视频的大量普及应用，人们对高速通信系统的需求越来越高，光纤通信以其通信容量大、损耗小、保密性好等优点成为现代通信中及其重要的一种通信方式。传统的光纤通信收发芯片多采用价格昂贵的GaAs、InP等高电子迁移率材料制作的HBT/HEMT双极（Bipolar）工艺实现，它们具有成本高、功耗大、集成度低等缺点，适合于10 Gbps以上速率需求的主干网。而对于对成本、功耗更敏感的最后一公里接入网应用，CMOS工艺以其成熟、低成本、易于集成数字电路的优点，已逐步取代双极工艺成为百兆、千兆速率光通信收发芯片的主流工艺了。
　　光接收机前端放大电路是整个光纤传输系统的关键部分，由前置放大器和后置放大器构成。前置放大器将光电二极管检测到的微弱光电流信号转换放大为电压信号。前置放大器处于最前端，处理最微弱的信号，因此前置放大器的性能优劣将直接影响整个光接收机的性能指标。目前前置放大器的研究热点主要有两点，一是解决输入动态范围与高跨阻、低噪声的矛盾，二是解决高跨阻与宽带宽的矛盾。为了解决第一个问题，引入了自动增益控制技术，在小信号输入时，最大化跨阻以最小化输入噪声；在大信号输入时，自动调节跨阻，以避免脉宽失真，拓宽饱和输入功率。为了解决第二个问题，除了使用具有更高特征频率fT值的深亚微米工艺外，多种带宽拓展技术也被提出来了，包括电压并联负反馈、RGC输入级[1]、有源电感峰化、源极退化峰化等。本文基于0.18μm CMOS工艺，采用RGC输入级，内置 AGC功能，引入有源电感、源极退化等技术，设计并实现了用于2.5 Gbps速率传输的高灵敏度、宽动态范围、低功耗的前置放大器。
　　
　　2电路设计
　　
　　本文所描述的前置放大器芯片的系统框架如图1所示，它由跨阻放大器TIA（Trans-Impedance Amplifier）、单端转差分放大器、输出缓冲、自动增益控制电路、PD（photodiode）反向偏置稳压器、偏置和基准参考电路等部分构成。以下将对前四部分主要电路做详细介绍。
　　
　　 2.1 跨阻放大器
　　跨阻放大器是整个芯片的核心部分，衡量跨阻放大器的主要性能指标有跨阻、带宽、噪声、饱和输入等。理论上[2]，跨阻放大器的理想上限f-3dB带宽为速率的0.7倍左右，过宽的带宽会放大噪声带宽，引入更多的输入参考噪声；过窄的带宽将引起严重的码间干扰ISI（Inter Symbol Interference），最终都将降低接收机的灵敏度指标。为了解决跨阻、带宽、噪声三者的矛盾关系，跨阻放大器通常采用电压并联负反馈结构，如图2所示。
　　 其中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以及输入节点的寄从以上推导可以看出，要最小化噪声，需要最大化反馈电阻RF，即最大化跨阻，但这将限制带宽。为解决这一矛盾，可以通过将输入节点与反馈节点隔开，即插入一级共栅输入缓冲级，如图3所示。插入共栅级后，在输入节点上，输入阻抗由RF减小到1/gm级，同时输入电容CIN也减少了前向放大器的输入电容部分，因此增大跨阻RF将不再与带宽冲突。本文所描述的跨阻放大器基于该结构，并进一步做了修改，以进一步提升性能。
　　 图4为本文所提出的跨阻放大器的电路拓扑结构，它由RGC输入缓冲级、增益级构成。
　　 由于整个芯片的高速信号通道均采用0.18μm晶体管，为确保晶体管的可靠性及寿命，跨阻放大器及后续的信号通道电路均由输出电压为1.8 V的稳压器供电。如图所示，N2/N3/P4/P3以及N4/R2构成RGC输入缓冲级，光电流从N3源极输入，N4/N3/R2构成的反馈环路将输入阻抗Rin 减小1/（gm,N 3*gm,N 4*R 2）为左右，因此输入节点不再是主极点，PD的寄生结电容CPD不再成为限制TIA带宽的主要因素。为确保图3中的RD远大于RF，同时避免RD消耗过大的电压空间， RD采用共源共栅的恒流源负载代替，其交流输出阻抗约为gm,P 4*rds,P 4*rds,P 3，但仅消耗2 Vover（过驱动电压），可以有效解决输出阻抗与电压空间的矛盾。输入缓冲级的尾电流源N2和恒流源负载P3/P4通过1:1的电流镜镜像以保证电流平衡。
　　N5/N6/P5/N8/R3、P8/P7/P6以及偏置电阻网络R5/R6/R7构成跨阻增益级的前向放大器。前向放大器采用共源共栅结构以减小密勒效应对带宽的影响，采用共源共栅结构做负载以提高开环电压增益A。为提高前向放大器的开环带宽，引入了有源电感峰化技术[3]。如图5所示，从N8源极看进去的输出阻抗为：
　　 2.3 AGC
　　 图8描述了自动增益控制反馈回路的工作原理，TIA输出信号经过差分转换后，输入到全波整流电路[4]，提取出交流幅度值后与预设参考值进行比较，比较结果再反馈回来调节TIA的反馈电阻，实现对TIA跨阻增益的自动控制调节功能。图9为AGC模块的电路原理图，其中全波整流与伪整流电路中的所有器件参数完全一致，R1+R2=R5，C1=10C2。图6中的输出信号AGCP/N输入到二极管形式连接的N1/N2，经过整流后对保持电容C1进行充电，记录下输入信号的峰值；具有与AGCP/N完全一致的直流电位的DUMMY_AGC输入到伪整流电路N3/N4， 使得Ref节点电位保持与C1初始电位（无交流信号输入）一致。将节点Ref输入到误差运放的反相输入端，节点Peak输入到正相输入端，运放输出反馈到图4中的VAGC输入节点，以控制NMOS N7的导通电阻。当TIA输入信号较小时，保持电容C1电位也较低，因而VPeak 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文