一種用于cmos光接收機(jī)的高速全差分噪聲降低裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信系統(tǒng)以及光互連領(lǐng)域，尤其涉及一種用于CMOS光接收機(jī)的高 速全差分噪聲降低裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，以電互連為主要連接方式的短距離網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)逐漸顯現(xiàn)出難以避免的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在速度低、串?dāng)_大、功耗大等方面。而光纖 通信技術(shù)以其高速、無(wú)串?dāng)_及保密性好的特點(diǎn)可以彌補(bǔ)電互連的這一缺陷。因此，近年來(lái)光 纖通信技術(shù)在短距離和甚短距離網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。例如，機(jī)柜間、電路板間及 芯片間，甚至芯片內(nèi)部的遠(yuǎn)距離電路模塊之間。
[0003] 盡管基于硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光接收機(jī)取得很大的進(jìn)展，然而由于硅材料本身性 質(zhì)及工藝條件限制，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝光接收機(jī)的靈敏度偏低，難以達(dá)到真正實(shí)用化要求。
[0004] 發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：
[0005] 作為光接收機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)之一，靈敏度與模擬前端電路的噪聲密切相關(guān)，所以研 究高速光接收機(jī)的噪聲降低技術(shù)同等重要，但現(xiàn)有技術(shù)中尚未有較好的應(yīng)用在CMOS光接收 機(jī)上的降低噪聲裝置，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)靈敏度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于CMOS光接收機(jī)的高速全差分噪聲降低裝置，該噪聲降低裝 置采用三種帶寬提升技術(shù)來(lái)?yè)Q取增益的提升，可以有效地減小電路的等效輸入噪聲電流， 詳見(jiàn)下文描述：
[0007] -種用于CMOS光接收機(jī)的高速全差分噪聲降低裝置，所述噪聲降低裝置包括：
[0008] 低噪聲跨阻放大器，用于將光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并進(jìn)行 初步放大，且跨阻放大器具有較低的等效輸入噪聲電流；
[0009] 單端轉(zhuǎn)差分電路，用于實(shí)現(xiàn)單端向差分輸出的轉(zhuǎn)換，同時(shí)提升電路帶寬，進(jìn)一步放 大電壓信號(hào)，并有效降低后端電路引入的等效輸入噪聲電流、消除由電源等引入的共模噪 聲；
[0010] 兩級(jí)采用交錯(cuò)式有源反饋和電容簡(jiǎn)并電路的三階差分限幅放大器，用于將電壓信 號(hào)放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0011]輸出緩沖級(jí)，用于將輸出的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號(hào)，提升光接 收機(jī)前端電路的驅(qū)動(dòng)能力。
[0012] 其中，所述低噪聲跨阻放大器由共柵級(jí)放大電路、帶電感的共源共柵級(jí)支路和高 通濾波器組成。
[0013] 其中，所述共源共柵級(jí)支路通過(guò)引入一個(gè)電感，以及輸入端引入一個(gè)電感，與電路 中的電容或寄生電容構(gòu)成兩個(gè)JT型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述單端轉(zhuǎn)差分電路通過(guò)引入電感，與電路中的寄生電容構(gòu)成一個(gè)π型 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0015] 為了取得更好的降噪效果，所述輸出緩沖級(jí)優(yōu)選使用雙端轉(zhuǎn)單端電路結(jié)構(gòu)。
[0016] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0017] 1、在跨阻放大器電路中，將RGC共源級(jí)結(jié)構(gòu)改為共源共柵結(jié)構(gòu)，一方面增大TIA的 等效跨導(dǎo);另一方面可以屏蔽米勒效應(yīng)，提升跨阻放大器的帶寬。
[0018] 2、采用π型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在RGC電路中引入兩個(gè)電感，與電路中的寄生電容 構(gòu)成兩個(gè)η型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這兩個(gè)η型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，可以即將RGC結(jié)構(gòu)中的大部分寄 生電容與兩個(gè)電感發(fā)生諧振，降低各點(diǎn)阻抗，將極點(diǎn)推向高頻，從而有效擴(kuò)展帶寬。
[0019] 3、在跨阻放大器的輸出端引入一個(gè)電感，與電路中的寄生電容形成一個(gè)π型寬帶 匹配網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步提升帶寬。
[0020] 4、為了實(shí)現(xiàn)單端向全差分輸出的轉(zhuǎn)換，引入一種新型的單端轉(zhuǎn)差分電路，在實(shí)現(xiàn) 全帶寬差分轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還可減小芯片面積，提升帶寬和增益。
[0021 ]由于本發(fā)明的主要目的是降低噪聲，因此通過(guò)前三種技術(shù)將提升的帶寬轉(zhuǎn)化成增 益的提升，進(jìn)而降低噪聲。第四種技術(shù)，主要為了消除由電源等引入的共模噪聲。另外還引 入了其他三種降低噪聲的技術(shù)：
[0022] 5、輸入端引入電感可以抑制探測(cè)器寄生電容引起的尚頻噪聲，因此減小等效輸入 噪聲電流。
[0023] 6、采用高通濾波器給晶體管M31提供最佳直流偏置，讓共柵級(jí)電路擁有最佳幅頻響 應(yīng)，保持帶寬不變的條件下，通過(guò)提高電阻值來(lái)降低電路噪聲。
[0024] 7、在低噪聲跨阻放大器的輸出端引入一個(gè)電感，可以有效降低后端電路引入的等 效輸入噪聲電流。
[0025] 8、限幅放大器(LA)取為兩級(jí)三階，并且引入交錯(cuò)式有源反饋電路和電容簡(jiǎn)并結(jié) 構(gòu)，有效抑制電路帶寬的下降。
[0026] 綜上所述，通過(guò)采用本發(fā)明提出的高速全差分噪聲降低裝置提高了 CMOS光接收機(jī) 的靈敏度。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1給出了本發(fā)明所設(shè)計(jì)的用于CMOS光接收機(jī)的高速全差分噪聲降低裝置的結(jié)構(gòu) 框圖；
[0028] 圖2給出了傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的電路圖；
[0029] 圖3給出了帶有單端轉(zhuǎn)差分電路的低噪聲改進(jìn)型RGC TIA的電路圖；
[0030] 圖4給出了兩級(jí)三階限幅放大器(LA)的電路圖；
[0031 ]圖5給出了輸出緩沖級(jí)(Buf fer)的電路圖。
[0032] 附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：
[0033] 1:低噪聲跨阻放大器； 2:單端轉(zhuǎn)差分電路；
[0034] 3:兩級(jí)三階差分限幅放大器；4:輸出緩沖級(jí)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0036] 實(shí)施例1
[0037] 用于CMOS光接收機(jī)的高速全差分噪聲降低裝置，參見(jiàn)圖1，該噪聲降低裝置包括：
[0038] -個(gè)低噪聲跨阻放大器I(TIA)，用于將光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信 號(hào)，并進(jìn)行初步放大，且該跨阻放大器具有較低的等效輸入噪聲電流；
[0039] -個(gè)單端轉(zhuǎn)差分電路2,用于實(shí)現(xiàn)單端向差分輸出轉(zhuǎn)換，在提升電路帶寬和放大電 壓信號(hào)的同時(shí)，該結(jié)構(gòu)可有效降低后端電路引入的等效輸入噪聲電流；
[0040] -個(gè)兩級(jí)三階差分限幅放大器3,該限幅放大器采用交錯(cuò)式有源反饋和電容簡(jiǎn)并 電路，用于將電壓信號(hào)放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0041] -個(gè)輸出緩沖級(jí)4,用于將兩級(jí)三階差分限幅放大器3輸出的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成 單端輸出的電壓信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)能力。
[0042]其中，本發(fā)明實(shí)施例采用帶電感的調(diào)節(jié)型共源共柵(RGC)電路作為跨阻放大器的 基本結(jié)構(gòu)，有效降低輸入阻抗和屏蔽米勒電容，提升跨阻放大器的帶寬。
[0043]為了進(jìn)一步展寬跨阻放大器的帶寬，在RGC電路中引入兩個(gè)電感，與電路中的電容 構(gòu)成兩個(gè)η型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這兩個(gè)η型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，使RGC結(jié)構(gòu)中的大部分寄生電容 與兩個(gè)電感發(fā)生諧振，降低各點(diǎn)阻抗，將極點(diǎn)推向高頻，有效擴(kuò)展帶寬。
[0044] 為了降低跨阻放大器的等效輸入噪聲，需要犧牲上述技術(shù)提升的帶寬來(lái)?yè)Q取增益 的提升，進(jìn)而能有效降低等效輸入噪聲，另外還采用高通濾波器給M 31提供最佳直流偏置，讓 共柵級(jí)電路擁有最佳幅頻響應(yīng)。
[0045] 在保持帶寬不變的條件下，通過(guò)提高電阻阻值來(lái)降低電路噪聲。同時(shí)，輸入端引入 的電感可以減小等效輸入噪聲電流，而輸出端引入的電感可以減小后端電路產(chǎn)生的等效輸 入噪聲電流，以及采用差分模式，消除電源等引入的共模噪聲。
[0046] 考慮系統(tǒng)功耗、多級(jí)級(jí)聯(lián)引起的寬帶變窄和噪聲累加效應(yīng)，本發(fā)明實(shí)施例只用兩 級(jí)三階交錯(cuò)式有源反饋限幅放大器