《電子技術(shù)應(yīng)用》
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帶溫度補償和AGC功能的10 Gb/s跨阻放大器設(shè)計
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
陳 偉1,黃啟俊1,,何 進1,,王 豪1,常 勝1,,童志強2
1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,湖北 武漢430072;2.武漢烽火通信科技股份有限公司微電子部,,湖北 武漢430074
摘要: 基于0.18 μm BiCMOS工藝設(shè)計了一個工作速率為10 Gb/s的跨阻放大器,。為了解決溫度變化對放大器性能的影響,引入了與溫度變化有關(guān)聯(lián)的電流(溫度電流),,從而鎖存成與溫度有關(guān)聯(lián)的電壓給跨阻放大器供電,,使得放大器增益在頻帶內(nèi)平坦和帶寬變化減小。為了擴大輸入信號的動態(tài)范圍,,引入了可變MOS電阻來實現(xiàn)AGC功能,,使得放大器可以工作在較大的輸入功率。為了提高增益,,引入了兩級差分放大電路,,同時采用電容簡并的方法來進一步擴展帶寬。版圖后仿真結(jié)果表明,,跨阻放大器電路差分跨阻增益為9 kΩ,,-3 dB帶寬為8.7 GHz,等效輸入電流噪聲為17 pA/√Hz,,靈敏度為-20 dBm,,輸入飽和光電流為2 mA,功耗為66 mW,,電源噪聲抑制比為-16 dB,,放大器核心電路版圖面積為94 mm×63 mm,,整體版圖面積為937 mm×828 mm,滿足商業(yè)應(yīng)用的要求,。
中圖分類號: TN929.1
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.013
中文引用格式: 陳偉,,黃啟俊,何進,,等. 帶溫度補償和AGC功能的10 Gb/s跨阻放大器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(4):51-54.
英文引用格式: Chen Wei,,Huang Qijun,,He Jin,et al. Design of 10 Gb/s transimpedance amplifier with temperature compensation and AGC circuit[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(4):51-54.
Design of 10 Gb/s transimpedance amplifier with temperature compensation and AGC circuit
Chen Wei1,Huang Qijun1,,He Jin1,,Wang Hao1,Chang Sheng1,,Tong Zhiqiang2
1.School of Physics and Technology,,Wuhan University,Wuhan 430072,,China,; 2.Fiberhome Telecommunication Technologies Co.,LTD,,Department of Micro-electronics,,Wuhan 430074,China
Abstract: Based on the 0.18 μm BiCMOS process, a 10 Gb/s transimpendence amplifier is designed. In order to solve the influence of temperature variation on the performance of amplifier, the current associated with the change of temperature is introduced(temperature current), thereby the temperature current is locked into the temperature voltage to power the transimpedance amplifier, which makes the gain flat in the band and the bandwidth change reduced. In order to extend the dynamic range of the input signal, the variable MOS resistor is introduced to realize the Auto Gain Control(AGC) function, so that the amplifier can operate at a large input power. In order to improve the gain, two differential amplifier circuits are introduced, and adopts the method of capacitance degeneration to further extend the bandwidth. Post layout simulation results show that the amplifier differential transimpedance gain is 9 kΩ, -3 dB bandwidth is 8.7 GHz, the equivalent input noise current is 17 pA/√Hz, the sensitivity is -20 dBm, the input saturation photocurrent is 2 mApp, the power consumption is 66 mW and the power supply noise suppression ratio is -16 dB. The area of overall amplifier circuit layout occupies 937 mm×828 mm, yet the core amplifier area is 94 mm×63 mm. Therefore, the designed transimpendence amplifier fully meets the requirements of the business applications.
Key words : temperature compensation,;temperature current,;AGC;transimpendence amplifier,;wide dynamic range input current,;capacitance degeneration

 引言

    光通信系統(tǒng)的光接收機中前置放大器的性能決定了接收端信號的通信質(zhì)量,一般要求高跨阻增益,,低輸入?yún)⒖荚肼?,寬的動態(tài)范圍和高的電源噪聲抑制比等。隨著通信速率的升高,,跨阻放大器以低的輸入噪聲和更寬的帶寬成為了設(shè)計首選,。光接收機中前置跨阻放大器要求長時間連續(xù)工作,因此工作環(huán)境溫度的變化不可避免的對芯片性能造成影響,。為此,,必須對放大器進行一定的溫度補償。在光接收機中,,輸入光功率和PD二極管的響應(yīng)度決定了輸入電流,,在輸入電流過大的時候,自動使得跨阻增益減小,,從而達到輸入范圍擴大的目的,。

    雖然目前CMOS工藝的跨阻放大器能夠達到很高的工作速率[1],但是在通信速率為10 Gb/s的節(jié)點上,,CMOS前置放大器芯片往往會消耗更大的功耗,,有更高的噪聲[2],為提高帶寬而采用無源電感[3]或者變壓器[4]不僅占據(jù)更大的面積,,甚至導(dǎo)致功耗進一步增大,。相比CMOS工藝而言,BiCMOS SiGe工藝器件有著更高的截止頻率和相對低的器件噪聲[5],,這意味著穩(wěn)定良好的芯片性能和更小的芯片面積符合商用芯片的要求,。

1 前置放大器電路設(shè)計

    光接收機端一般由跨阻放大器、限幅放大器,、時鐘恢復(fù)電路和解復(fù)用器電路組成[6],,跨阻放大器位于接收機的最前端,其性能好壞對整個光接收機有決定性的影響,。

    本文設(shè)計的跨阻放大器如圖1所示,。其中輸入級電路將PD輸入的光電流轉(zhuǎn)換成輸出電流,實現(xiàn)跨阻放大的作用,;自動增益控制電路在輸入光電流較大時將跨阻減小,,從而擴展輸入動態(tài)范圍;溫度補償電路對輸入級電源電壓進行補償,,從而使得增益在帶內(nèi)保持平坦和足夠的帶寬,;兩級差分放大電路將輸入級輸出的電壓信號進一步放大的同時,也進行阻抗變換來驅(qū)動輸出緩沖電路,;輸出緩沖電路匹配外部負載50 Ω,;帶隙偏置電路為核心電路提供穩(wěn)定的供電電壓,同時提供與溫度關(guān)聯(lián)的,、用來進行溫度補償?shù)碾娏鳎?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/溫度電流" title="溫度電流" target="_blank">溫度電流),;PD偏置電壓為PD光電二極管提供穩(wěn)定的反偏電壓。

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1.1 輸入級電路設(shè)計

    本文采用的輸入級電路結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,,相比于圖2(a)中一般的共射組態(tài)結(jié)構(gòu),,放大器采用共射組態(tài)和射隨器級聯(lián)的方式,反饋電阻在射隨器N2管的發(fā)射級,。其電路方便直流工作點的選取,,Vout點的電壓為2Vbe,,可以直接驅(qū)動后級差分放大電路,而圖2(a)中,,Vout約為Vbe1的電壓,,很難驅(qū)動后級電路,需要進一步的共模電平轉(zhuǎn)換,。圖2(b)的另一個很大的優(yōu)點在于其對于后級噪聲有很強的減弱作用,,可以看出,后級輸入噪聲要經(jīng)過一個N1管等效到輸入,,即減小了gm1R1倍,,而圖2(a)中,后級輸入噪聲直接通過反饋電阻Rf等效到輸入,,其噪聲將會很大,,跨阻放大器的靈敏度將會很低。圖2(b)的小信號模型如圖2(c)所示,。其中Vreg是由溫度補償模塊產(chǎn)生,,來補償溫度對輸入級跨阻和帶寬的影響。

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    從圖2(c)中可以得出輸入級電路的傳輸函數(shù),,-3 dB帶寬,,低頻輸入阻抗分別為:

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    式中g(shù)m1,gm2為N1管和N2的跨導(dǎo),,Ro1和Ro2為N1管和N2管的發(fā)射極與集電極之間的電阻,,Cin為輸入總電容,Cout為輸出端總電容,。

1.2 溫度補償電路設(shè)計

    為了抑制溫度變化對電路性能的影響,,需引入溫度補償電路,且要求電路結(jié)構(gòu)要盡量不影響輸入級的結(jié)構(gòu)和消耗太大的功耗,。仿真結(jié)果表明,,Vreg電壓可以很好地控制電路的增益和-3 dB帶寬,為此,,可以產(chǎn)生一個與溫度有關(guān)系的Vreg電壓來補償輸入級結(jié)構(gòu)和后級電路的溫度特性,。Vreg電壓的產(chǎn)生電路如圖3(a)所示,可以表示為ItempR+Vbe1+Vbe2

    從圖中可以看出,,輸入是一個與溫度變化有關(guān)系的電流Itemp(Itemp由帶隙基準結(jié)構(gòu)產(chǎn)生),,從而產(chǎn)生一個與溫度有關(guān)系的電壓Vreg,這個電壓經(jīng)過一個運算放大器鎖存后供給輸入結(jié)構(gòu),,實現(xiàn)帶負載能力,。引入了與溫度有關(guān)系的Vreg電壓后,整個放大器的的-3 dB帶寬如圖3(b)所示。從對比中可以發(fā)現(xiàn),,溫度補償可以很好地控制放大器的帶寬,,使得帶寬隨溫度變化較小。

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1.3 AGC電路設(shè)計

    AGC電路的設(shè)計思路是在輸入級電路中電阻 Rf并聯(lián)了一個MOS管,,當輸入電流較大時,,Nf管開啟,處于三極管區(qū),,使得與 Rf并聯(lián)的整個跨阻減小。而當輸入電流較小時,,Nf管關(guān)閉,,處于截止區(qū),使得整個跨阻最大,,如圖 4(a)所示,, Vagc產(chǎn)生電路如圖 4(b)所示。

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    V2p和V2n電壓取自差分放大第二級的輸出,,兩個電壓經(jīng)過低通濾波器之后輸入到放大器A0中,,放大器的輸出電壓經(jīng)過低通濾波器之后控制后級MOS管中電流分配,從而產(chǎn)生AGC控制電壓Vagc,。假設(shè)V2p電壓上升,,經(jīng)過放大器A0之后,Voffset電壓上升,,從而導(dǎo)致M1和M2中電流上升,。M1中的電流經(jīng)過PM1鏡像到PM2中,也使得電阻上的電流增加,,從而導(dǎo)致Vagc電壓上升,,開啟圖 4(a)中的Nf管,實現(xiàn)AGC的作用,。值得注意的是,,在AGC電路中,為了不使得Vagc電壓上升的過快,,加入了M3管,,當Vagc電壓上升到一定電壓的時候,會導(dǎo)致M3管開啟并處于三極管區(qū),,與Rc2并聯(lián)后,,會導(dǎo)致整個電阻減小,從而一定程度上減小了Vagc電壓,。其對比結(jié)果如圖5所示,。可以看出,,M3的引入使得Vagc控制電壓上升的更加緩慢,,對輸入電流的調(diào)控范圍更大,,但是引入M3管并沒有改變AGC電壓啟動點。

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1.4 中間差分放大級電路和輸出緩沖電路設(shè)計

    輸入級產(chǎn)生的跨阻增益是有限的,,中間差分放大器進一步將輸入信號進行放大,,其電路結(jié)構(gòu)采用共射放大器和射隨器相連的結(jié)構(gòu),如圖 6(a)所示,。在共射放大器中,,使用了電容簡并來補償由前級產(chǎn)生的增益滾降。利用半邊等效電路概念,,其等效結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示,。

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    其等效跨導(dǎo)為:

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    可以看出,Gm中包含一個零點和一個極點,,分別為1/(Rs1Cs1)和(1+gm1Rs1)/(Rs1Cs1),,而在N1管的集電極又包含一個極點為1/(R1CL),如果集電極極點和等效跨導(dǎo)中的零點相抵消,,則可以擴展放大器的帶寬,。但這是以降低低頻增益和引入電阻Rs1的熱噪聲為代價的,需要不斷優(yōu)化和折中選擇,。

    射隨器電路除了完成了直流電平轉(zhuǎn)換之外,,也將輸出電阻減小到了1/gm,提高了放大器的帶負載能力,;輸出緩沖電路一般要求CML電平輸出,,同時要匹配和驅(qū)動外部50 Ω電阻,其結(jié)構(gòu)如圖7所示,,在設(shè)計中R1和R2為50 Ω,。為了滿足一定的輸出幅度以驅(qū)動下一級限幅放大器,輸出緩沖電路的電流一般比較大,,在本次設(shè)計中輸出緩沖電路尾電流源設(shè)計為8 mA,,這樣可以產(chǎn)生400 mV的差分輸出電壓。

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2 版圖和后仿真結(jié)果

    整體電路版圖采用0.18 μm BiCMOS SiGe工藝設(shè)計,,其供電電壓為3.3 V,,芯片面積為937 mm×828 mm。交流仿真建立在合適的直流工作點之上,,本文設(shè)計的跨阻放大器的跨阻增益和等效輸入噪聲仿真結(jié)果如圖8所示,。從仿真結(jié)果中可以看出,放大器的單端跨阻增益為73 dBΩ,,-3 dB帶寬在8.7 GHz,,在10 G處等效輸入噪聲為17 pA/√Hz,從而得到跨阻放大器的靈敏度為-20 dBm。

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    當輸入電流較大的時候,,AGC控制電壓就會上升,,使得跨阻增益減小,其變化曲線如圖9所示,??梢姡斴斎腚娏鳛?0 μA的時候,,AGC電壓開始開啟輸入級跨阻上的可變MOS管電阻,,減小跨阻增益。

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    在高速通信系統(tǒng)中,,眼圖是觀察通信質(zhì)量最直觀的方法,。本設(shè)計版圖后仿真的瞬態(tài)眼圖如圖 10所示。

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    從仿真眼圖中可以看出,,“眼睛”張開較大,上升和下降沿有一定的過沖,,說明帶寬足夠,,且輸出關(guān)于零電平對稱?!把燮ぁ焙穸容^小,,說明放大器有比好的抗噪聲性能??缱璺糯笃鞯闹饕阅軈R總?cè)绫?所示,。

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3 結(jié)論

    本文采用0.18 μm BiCMOS工藝實現(xiàn)了10 Gb/s跨阻放大器設(shè)計。為了獲得帶內(nèi)平坦的增益和較大的輸入動態(tài)范圍,,引入了溫度電流和AGC模塊,。整個放大器的差分跨阻增益為9 kΩ,帶寬為8.7 GHz,,靈敏度為-20 dBm,,芯片正在流片中,從版圖后仿真結(jié)果來看,,其芯片性能指標完全可以使用在10 Gb/s的光通信領(lǐng)域,。

參考文獻

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[2] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].McGraw-Hill,,Inc.2001.

[3] 孫洋,,黃啟俊,王豪,等.用于平衡探測器的5 Gb/s前置放大器設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電,,2014(6):1062-1066.

[4] HAN J,,CHOI B,SEO M,,et al.A 20-Gb/s transformer-based current-mode optical receiver in 0.13-μm CMOS[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs,,2010,57(5):348-352.

[5] MAXIM A.A 10 Gb/s SiGe transimpedance amplifier using a pseudo-differential input stage and a modified Cherry-Hooper amplifier[C].Symposium on VLSI Circuits.2003:404-407.

[6] RAZAVI B.Design of integrated circuits for optical communications[M].Asia:McGraw-Hill Education,,2005.



作者信息:

陳  偉1,,黃啟俊1,何  進1,,王  豪1,,常  勝1,童志強2

(1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,湖北 武漢430072,;2.武漢烽火通信科技股份有限公司微電子部,湖北 武漢430074)

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