10Gb/s光接收機(jī)跨阻前置放大器芯片設(shè)計(jì)研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-14 05:33
采用0.18μm BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高增益、低噪聲、寬帶寬以及大輸入動(dòng)態(tài)范圍的光接收機(jī)跨阻前置放大器。在寄生電容為250fF的情況下,采用全集成的四級(jí)放大電路,合理實(shí)現(xiàn)了上述各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)間的折中。測(cè)試結(jié)果表明:放大器單端跨阻增益為73dB,-3dB帶寬為7.6GHz,靈敏度低至-20.44dBm,功耗為74mW,最大差分輸出電壓為200mV,最大輸入飽和光電流峰-峰值為1mA,等效輸入噪聲為17.1（pA）/（Hz）1/2,芯片面積為800μm×950μm。
【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2017年04期 北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
圖１光接收機(jī)構(gòu)成框圖電路設(shè)計(jì)
圖１光接收機(jī)構(gòu)成框圖１電路設(shè)計(jì)為了解決跨阻、帶寬和噪聲三者的矛盾關(guān)系，跨阻放大器常采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，如圖２［４］所示。圖２典型電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)ＴＩＡ圖２中，Ｉｉｎ為輸入光電流，Ｃｉｎ為輸入電容（包括ＰＤ結(jié)電容ＣＰＤ、前向放大器輸入電容ＣＡ以及輸入節(jié)點(diǎn)的寄生電容），Ａ為開環(huán)電壓增益，ＲＦ為反饋電阻，Ｖｏｕｔ為輸出電壓。可以推導(dǎo)得到跨阻增益ＺＴ、上限截止頻率ｆ－３ｄＢ、輸入?yún)⒖荚肼暼缦拢海冢裕剑郑铮酰簦桑椋睿剑粒粒?#215;ＲＦ１＋ＲＦＣｉｎＡ＋１ｓ≈ＲＦ（１）ｆ－３ｄＢ≈１２πＡＲＦＣｉｎ（２）Ｉ２ｎ，ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ為前向放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼�。為將噪聲最小化，需要將輸入�?jié)點(diǎn)與反饋節(jié)點(diǎn)隔開，即插入一級(jí)共柵或共漏放大器。插入共柵級(jí)后，在輸入節(jié)點(diǎn)，輸入阻抗由ＲＦ減小到１／ｇｍ，同時(shí)輸入電容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的輸入電容部分，因此跨阻增益ＲＦ將不再與帶寬沖突。本文基于該結(jié)構(gòu)做了一定的修改，提升了電路性能。１．１放大器整體框圖本文設(shè)計(jì)的光接收機(jī)前端放大電路的主通道系統(tǒng)框圖如圖３所示。主放大模塊負(fù)責(zé)將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓輸出信號(hào)，并提供足夠的帶寬與良好的噪聲性能。差分放大模塊負(fù)責(zé)提高電路的整體增益，同時(shí)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分輸出信號(hào)。輸出緩沖模塊負(fù)責(zé)將輸出信號(hào)匹配到差分５０Ω負(fù)載［５］。為了使電路的性能更加完善，另外還加有一些附屬的
ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ為前向放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼�。為將噪聲最小化，需要將輸入�?jié)點(diǎn)與反饋節(jié)點(diǎn)隔開，即插入一級(jí)共柵或共漏放大器。插入共柵級(jí)后，在輸入節(jié)點(diǎn)，輸入阻抗由ＲＦ減小到１／ｇｍ，同時(shí)輸入電容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的輸入電容部分，因此跨阻增益ＲＦ將不再與帶寬沖突。本文基于該結(jié)構(gòu)做了一定的修改，提升了電路性能。１．１放大器整體框圖本文設(shè)計(jì)的光接收機(jī)前端放大電路的主通道系統(tǒng)框圖如圖３所示。主放大模塊負(fù)責(zé)將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓輸出信號(hào)，并提供足夠的帶寬與良好的噪聲性能。差分放大模塊負(fù)責(zé)提高電路的整體增益，同時(shí)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分輸出信號(hào)。輸出緩沖模塊負(fù)責(zé)將輸出信號(hào)匹配到差分５０Ω負(fù)載［５］。為了使電路的性能更加完善，另外還加有一些附屬的功能模塊，比如帶隙模塊、Ｒｅｇ供電模塊、電流監(jiān)控模塊、Ｐｉｎｋ供電模塊、自動(dòng)增益控制模塊，以及直流偏移消除模塊等。圖３光接收機(jī)前端放大電路完整系統(tǒng)框圖１．２主放大器設(shè)計(jì)主放大器包含共射極放大器和源極跟隨器，以及加反饋電阻ＲＦ，具體電路結(jié)構(gòu)如圖４。輸入電容包括光電二級(jí)管電容Ｃｄ以及Ｑ１的基極發(fā)射極電容Ｃπ１。分析跨阻增益時(shí)，忽略基極輸入電阻ｒｂ，本文使用Ｘ點(diǎn)作為輸出端，其增益相比Ｙ點(diǎn)略高，跨阻增益比理論上更接近ＲＦ。Ｃｉｎ主要來自于光電二級(jí)管電容，無法輕易改變�？梢酝ㄟ^選擇合適的反饋電阻ＲＦ和集電極電阻Ｒｃ，有效地增加帶寬。圖４主放大電路雙極型晶體管的噪聲主要有擴(kuò)散的波
本文編號(hào)：2915910
【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2017年04期 北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
圖１光接收機(jī)構(gòu)成框圖電路設(shè)計(jì)
圖１光接收機(jī)構(gòu)成框圖１電路設(shè)計(jì)為了解決跨阻、帶寬和噪聲三者的矛盾關(guān)系，跨阻放大器常采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，如圖２［４］所示。圖２典型電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)ＴＩＡ圖２中，Ｉｉｎ為輸入光電流，Ｃｉｎ為輸入電容（包括ＰＤ結(jié)電容ＣＰＤ、前向放大器輸入電容ＣＡ以及輸入節(jié)點(diǎn)的寄生電容），Ａ為開環(huán)電壓增益，ＲＦ為反饋電阻，Ｖｏｕｔ為輸出電壓。可以推導(dǎo)得到跨阻增益ＺＴ、上限截止頻率ｆ－３ｄＢ、輸入?yún)⒖荚肼暼缦拢海冢裕剑郑铮酰簦桑椋睿剑粒粒?#215;ＲＦ１＋ＲＦＣｉｎＡ＋１ｓ≈ＲＦ（１）ｆ－３ｄＢ≈１２πＡＲＦＣｉｎ（２）Ｉ２ｎ，ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ為前向放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼�。為將噪聲最小化，需要將輸入�?jié)點(diǎn)與反饋節(jié)點(diǎn)隔開，即插入一級(jí)共柵或共漏放大器。插入共柵級(jí)后，在輸入節(jié)點(diǎn)，輸入阻抗由ＲＦ減小到１／ｇｍ，同時(shí)輸入電容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的輸入電容部分，因此跨阻增益ＲＦ將不再與帶寬沖突。本文基于該結(jié)構(gòu)做了一定的修改，提升了電路性能。１．１放大器整體框圖本文設(shè)計(jì)的光接收機(jī)前端放大電路的主通道系統(tǒng)框圖如圖３所示。主放大模塊負(fù)責(zé)將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓輸出信號(hào)，并提供足夠的帶寬與良好的噪聲性能。差分放大模塊負(fù)責(zé)提高電路的整體增益，同時(shí)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分輸出信號(hào)。輸出緩沖模塊負(fù)責(zé)將輸出信號(hào)匹配到差分５０Ω負(fù)載［５］。為了使電路的性能更加完善，另外還加有一些附屬的
ｉｎ＝４ｋＴＲＦ＋Ｖ２ｎ，ＡＲＦ（３）其中，Ｖ２ｎ，Ａ為前向放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼�。為將噪聲最小化，需要將輸入�?jié)點(diǎn)與反饋節(jié)點(diǎn)隔開，即插入一級(jí)共柵或共漏放大器。插入共柵級(jí)后，在輸入節(jié)點(diǎn)，輸入阻抗由ＲＦ減小到１／ｇｍ，同時(shí)輸入電容Ｃｉｎ也不再包含前向放大器的輸入電容部分，因此跨阻增益ＲＦ將不再與帶寬沖突。本文基于該結(jié)構(gòu)做了一定的修改，提升了電路性能。１．１放大器整體框圖本文設(shè)計(jì)的光接收機(jī)前端放大電路的主通道系統(tǒng)框圖如圖３所示。主放大模塊負(fù)責(zé)將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為放大的電壓輸出信號(hào)，并提供足夠的帶寬與良好的噪聲性能。差分放大模塊負(fù)責(zé)提高電路的整體增益，同時(shí)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分輸出信號(hào)。輸出緩沖模塊負(fù)責(zé)將輸出信號(hào)匹配到差分５０Ω負(fù)載［５］。為了使電路的性能更加完善，另外還加有一些附屬的功能模塊，比如帶隙模塊、Ｒｅｇ供電模塊、電流監(jiān)控模塊、Ｐｉｎｋ供電模塊、自動(dòng)增益控制模塊，以及直流偏移消除模塊等。圖３光接收機(jī)前端放大電路完整系統(tǒng)框圖１．２主放大器設(shè)計(jì)主放大器包含共射極放大器和源極跟隨器，以及加反饋電阻ＲＦ，具體電路結(jié)構(gòu)如圖４。輸入電容包括光電二級(jí)管電容Ｃｄ以及Ｑ１的基極發(fā)射極電容Ｃπ１。分析跨阻增益時(shí)，忽略基極輸入電阻ｒｂ，本文使用Ｘ點(diǎn)作為輸出端，其增益相比Ｙ點(diǎn)略高，跨阻增益比理論上更接近ＲＦ。Ｃｉｎ主要來自于光電二級(jí)管電容，無法輕易改變�？梢酝ㄟ^選擇合適的反饋電阻ＲＦ和集電極電阻Ｒｃ，有效地增加帶寬。圖４主放大電路雙極型晶體管的噪聲主要有擴(kuò)散的波
本文編號(hào)：2915910
本文鏈接：http://www.wukwdryxk.cn/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2915910.html
最近更新
教材專著
