40 Gb/s光纤通信光接收机跨阻放大器研究与实现
随着互联网的发展,网络的创新性应用扩展到生活的各个方面,数据流量不断增大,对网速要求越来越高。为了突破半导体器件自身带宽、功耗的,高阶调制技术良好的频谱利用效率成为400 Gb/s光纤通信标准的潜在应用方案。
高阶调制格式决定了通信信号多电平的特性,从而要求光纤通信模拟前端电路同时具备低噪声、高线性度和宽带的特性。本文针对高阶调制格式的光纤通信系统的应用要求,对光接收机中低噪声、高线性度和宽带的跨阻放大器展开研究。
首先对晶体管的噪声模型进行分析,研究单端输入和差分输入跨阻放大器的噪声模型;接着根据二阶系统的频率响应特性,研究了跨阻放大器的等效输入噪声的计算方法;继而根据BJT的Kirk效应,结合电流密度与温差的关系,提出了计算BJT器件低噪声优化偏置电流密度的方法;之后对BJT跨阻放大器的高频噪声转角频率进行了详细研究,并得出BJT跨阻放大器的高频噪声转角频率计算公式;综合上述研究成果,提出了宽带,高线性度和低噪声跨阻放大器优化设计流程。理想的全对称跨阻放大器具有处理差分输入信号的能力,并能够抑制偶次谐波和共模噪声,从而具有良好的线性度,是高线性度模拟接收前端放大器的理想选择。
本文首先设计了 40 Gb/s低噪声全对称TIA。全对称跨阻放大器需要自零反馈环路保证其良好的均衡性,才能抑制偶次谐波和共模噪声。
传统自零反馈环路在前置跨阻放大器的输入端会引入额外的噪声,本文在此基础上利用Cascode放大器设计出低噪声全对称TIA的全对称输入级,提出一种自零反馈环路,在保证全对称跨阻放大器拥有良好均衡性的同时,避免在全对称跨阻放大器的输入端引入额外
噪声。为构成完整的低噪声全对称TIA,设计了电压放大级与输出缓冲级,并推导出射极退化电阻放大器线性输入范围计算公式。
本文设计的40 Gb/s低噪声全对称TIA采用Gloubal Foundries(GF)8HP 0.13 μm SiGe BiCMOS工艺实现,芯片测试结果显示其等效输入噪声电流功率谱密度为9.6 pA/(?)、-3dB带宽为32 GHz、差分跨阻增益为2704 Ω和117 mW的整体功耗。在分析Cascode全对称跨阻放大器缺点的基础上,本文采用Regulated Casocde结构设计了 40 Gb/s高线性度全对称TIA。
为保证高线性度全对称TIA的高动态线性输入范围,通过借鉴、优化低噪声全对称TIA的自零反馈环路,使得高线性度全对称TIA的自零反馈环路同时获得了过载补偿的功能。最后利用低噪声全对称TIA的电压放大器与输出缓冲级,构成了完整的高线性全对称TIA。
本文的40 Gb/s高线性度全对称TIA同样采用GF 8HP工艺实现,芯片测试结果显示其等效输入噪声电流功率谱密度为10 pA/(?)、-3dB带宽为28 GHz、差分跨阻增益为2239 Ω和95 mW的整体功耗。40 Gb/s高线性度全对称TIA在0.1mA静态输入电流、总谐波失真小于5%的情况下,动态差分输入电流范围最高达2.6 mApp。
单端输入跨阻放大器相比差分输入结构,功耗更低,结构更简单,寄生电容更小,相对容易实现更大的带宽。为了与全对称结构跨阻放大器进行对比,在研究全对称跨阻放大器的基础上,本文设计了一种40 Gb/s全新结构单端输入TIA。
同样采用GF 8HP工艺,芯片测试结果显示其等效输入噪声电流功率谱密度为16.7 pA/(?)、-3dB带宽为35 GHz、跨阻增益为1580 Ω和88 mW的整体功耗。综合上述三款芯片的后仿真与测试结果,三种跨阻放大器都具有较好的性能,分别实现了显著的低噪声,
高线性度和宽带的性能。
能同时满足非归零码和高阶调制光纤通信系统的应用要求。目前国内在低噪声、高线性度和宽频跨阻放大器设计方面与国际上仍有一定差距,本文工作不仅能够推动相关领域进一步向前发展,具有重要的学术价值,而且对高性能模拟集成电路的设计具有重要应用价值。
