具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速cmos單片集成光接收機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信系統(tǒng)以及光互連領域，尤其涉及一種基于調(diào)節(jié)型共源共柵 (RGC)電路結構及全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機。
【背景技術】
[0002] 隨著人類社會對網(wǎng)絡帶寬和數(shù)據(jù)流量的需求成倍增長。用于干線網(wǎng)絡傳輸?shù)某?速、超大容量光纖通信技術已取得突破性進展，但在光網(wǎng)絡交換節(jié)點的機柜間、電路板間、 芯片間和芯片內(nèi)部等短距離通信，目前仍然采用電子信息處理和交換方式，限制了信息處 理速度的進一步提升。因此，在短距離、甚短距離內(nèi)，采用光互連替代電互連已成為必然趨 勢。光纖通信系統(tǒng)是以光子為載波，以光導纖維作為傳輸媒介，通過光電轉(zhuǎn)換，用光子來傳 輸信息的通信系統(tǒng)，其主要包含光發(fā)射機、中繼器和光接收機三部分。光接收機的作用是接 收光信號并將其轉(zhuǎn)換成所需要的電信號。跨阻放大器（TIA)位于光接收機電路的最前端， 其作用是將光電探測器輸出的光電流放大、轉(zhuǎn)換為電壓信號。光接收機的性能決定光通信 系統(tǒng)的接收速率，而跨阻放大器作為光接收機模擬前端的核心電路，其技術指標直接影響 光接收機系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。
[0003] 傳統(tǒng)CMOS光接收機前端電路按技術特點可分為兩類：高帶寬光接收機和低噪聲 光接收機。在高帶寬光接收機的前端電路中，一般是采用減小輸入阻抗和頻率補償技術來 拓展帶寬。其中，減小輸入阻抗的方式往往采用調(diào)節(jié)輸入結點器件尺寸或引入反饋結構來 實現(xiàn)，這通常以犧牲電路噪聲性能為代價。而低噪聲光接收機則主要通過增加前端電路的 輸入阻抗來實現(xiàn)。顯而易見，低噪聲的獲得是以犧牲帶寬為代價的。在跨阻放大器的設計 過程中，帶寬與噪聲是相互矛盾的，難以尋找到兩者皆優(yōu)的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機，本發(fā) 明在提升電路增益的同時，拓展了工作帶寬，克服了現(xiàn)有技術的不足，詳見下文描述：
[0005] -種具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機，所述高速CMOS單片 集成光接收機包括：
[0006] 高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器，用于將光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電 壓信號，進行初步放大；
[0007] 帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器，用于實現(xiàn)單端向差分轉(zhuǎn)換，提高帶寬和放大電 壓信號；
[0008] 直流偏移消除單元，用于消除所述單端轉(zhuǎn)差分器輸出的非平衡信號引起的交錯式 有源反饋限幅放大器的直流偏移，使交錯式有源反饋限幅放大器共模電平一致；
[0009] 所述交錯式有源反饋限幅放大器，用于將所述高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器 輸出的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0010] 輸出緩沖級，用于提供驅(qū)動能力。
[0011] 所述高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器由巴特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡、共柵極放 大電路和帶電感的共源共柵極支路組成。
[0012] 所述直流偏移消除單元設置在所述帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器、所述交錯式 有源反饋限幅放大器之間。
[0013] 所述高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器、所述帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器各 引入一個電感，構成兩個型寬帶匹配網(wǎng)絡。通過匹配網(wǎng)絡，可將電路結構中的寄生電容 與電感發(fā)生諧振，降低各點阻抗，將極點拉向高頻處，從而擴展工作帶寬。
[0014] 進一步地，所述交錯式有源反饋限幅放大器為三級順序級聯(lián)。
[0015] 所述帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器包括：單端轉(zhuǎn)差分電路和負電容電路。
[0016] 所述單端轉(zhuǎn)差分電路通過一個單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)全差分；所述單端 轉(zhuǎn)差分電路，通過引入電感構成JT型寬帶匹配網(wǎng)絡，提升跨阻放大器的帶寬。
[0017] 所述負電容電路設置在所述單端轉(zhuǎn)差分電路、所述直流偏移消除單元之間。
[0018] 本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是：
[0019] 1、在跨阻放大器電路結構中，采用帶電感的共源共柵極替代傳統(tǒng)RGC結構的共源 極電路，即可增大跨阻放大器的等效跨導，又可屏蔽米勒效應，從而有效緩解帶寬和增益之 間的矛盾。
[0020] 2、在跨阻放大器前端引入巴特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡，可有效降低光電探測器電 容對跨阻放大器的影響，同時還可以降低等效輸入噪聲。
[0021] 3、在跨阻放大器和單端轉(zhuǎn)差分電路中分別引入一個電感，使其與電路中的寄生電 容形成兩個JT型寬帶匹配網(wǎng)絡。通過所述匹配網(wǎng)絡，可將電路結構中的寄生電容與電感發(fā) 生諧振，降低各點阻抗，將極點拉向高頻處，從而擴展工作帶寬。
[0022] 4、與傳統(tǒng)的基于高通濾波器實現(xiàn)的單端轉(zhuǎn)差分結構相比，本發(fā)明提出的新型單端 轉(zhuǎn)差分電路，可實現(xiàn)全帶寬的差分轉(zhuǎn)換，提升帶寬和電路增益。與左右對稱的差分轉(zhuǎn)換電路 相比，本發(fā)明提出的單端轉(zhuǎn)差分結構可減少電感的使用數(shù)量。
[0023] 5、在單端轉(zhuǎn)差分結構的輸出端引入負電容電路，降低高頻增益的滾降速率，從而 有效提升_3dB帶寬。
[0024] 6、使用直流偏移消除單元，保證限幅放大器的共模電平一致。限幅放大器級數(shù)選 為三級，并且引入交錯式有源反饋電路，有效抑制電路帶寬的下降。
[0025] 綜上所述，通過采用本發(fā)明提出的新型RGC結構和單端轉(zhuǎn)差分技術可實現(xiàn)高速的 標準CMOS單片集成光接收機。
【附圖說明】
[0026] 圖1給出了本發(fā)明所設計的光接收機的結構框圖；
[0027] 圖2給出了傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的電路圖；
[0028] 圖3給出了帶有單端轉(zhuǎn)差分電路和負電容電路的高帶寬RGC跨阻放大器的電路 圖；
[0029] 圖4給出了新型高帶寬RGC跨阻放大器的等效小信號電路圖；
[0030] 圖5給出了直流偏移消除單元（DC Offset Cancellation Unit)電路圖；
[0031] 圖6給出了限幅放大器（LA)電路圖；
[0032] 圖7給出了輸出緩沖級（Buffer)電路圖；
[0033] 圖8給出了幅頻特性仿真曲線示意圖；
[0034] 圖9給出了噪聲特性仿真曲線示意圖。
[0035] 附圖中，部件的列表如下：
[0036] 1 :高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器；2 :帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器；
[0037] 3:直流偏移消除單元； 4:交錯式有源反饋限幅放大器；
[0038] 5:輸出緩沖級。
【具體實施方式】
[0039] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0040] 實施例1
[0041] -種具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機，參見圖1，該高速 CMOS單片集成光接收機包括：
[0042] 高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1，用于將光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為 電壓信號，進行初步放大；
[0043] 帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2,用于實現(xiàn)單端向差分轉(zhuǎn)換，提高帶寬和放大電 壓信號；
[0044] 直流偏移消除單元3,用于消除單端轉(zhuǎn)差分器2輸出的非平衡信號引起的交錯式 有源反饋限幅放大器4的直流偏移，使交錯式有源反饋限幅放大器4的共模電平一致；
[0045] 交錯式有源反饋限幅放大器4,用于將高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1輸出 的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0046] 輸出緩沖級5,用于提供驅(qū)動能力。
[0047] 其中，高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1由巴特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡、共柵極 放大電路和帶電感的共源共柵極支路組成。
[0048] 直流偏移消除單元3設置在帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2、交錯式有源反饋 限幅放大器4之間。
[0049] 高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1、帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2各引入 一個電感，構成兩個31型寬帶匹配網(wǎng)絡。通過匹配網(wǎng)絡，可將電路結構中的寄生電容與電 感發(fā)生諧振，降低各點阻抗，將極點拉向高頻處，從而擴展工作帶寬。
[0050] 優(yōu)選，交錯式有源反饋限幅放大器4為三級順序級聯(lián)。
[0051] 帶有負電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2包括：單端轉(zhuǎn)差分電路和負電容電路。
[0052] 其中，單端轉(zhuǎn)差分電路通過一個單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分；單端轉(zhuǎn)差分 電路，通過引入電感構成型寬帶匹配網(wǎng)絡，提升跨阻放大器的帶寬。
[0053] 其中，負電容電路設置在單端轉(zhuǎn)差分電路、直流偏移消除單元3之間。
[0054] 綜上所述，本發(fā)明采用帶電感的調(diào)節(jié)型共源共柵（RGC)電路作為跨阻放大器的基 本結構，通過引入巴特沃斯LC階梯網(wǎng)絡和JT型寬帶匹配網(wǎng)絡來拓展工作帶寬，同時也降低 了等效輸入噪聲。采用新型的單端轉(zhuǎn)差分電路，實現(xiàn)了全帶寬的差分轉(zhuǎn)換，在提升電路增益 的同時，減少了電感數(shù)量和芯片面積。此外，引入負電容電路，減小高頻增益滾降速率，進一 步提升工作帶寬。
[0055] 實施例2
[0056] 為了更加清楚地描述本發(fā)明提出的高帶寬RGC跨阻放大器1的結構和工作原理， 突出本發(fā)明所設計的高帶寬RGC跨阻放