具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速cmos單片集成光接收機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及光纖通信系統(tǒng)W及光互連領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于調(diào)節(jié)型共源共 柵（RGC)電路結(jié)構(gòu)及全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類社會對網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)流量的需求成倍增長。用于干線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某?速、超大容量光纖通信技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，但在光網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)的機(jī)柜間、電路板間、 忍片間和忍片內(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(jìn)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W光子為載波，W光導(dǎo)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(jī)、中繼器和光接收機(jī)=部分。光接收機(jī)的作用是接 收光信號并將其轉(zhuǎn)換成所需要的電信號?？缱璺糯笃鳎═IA)位于光接收機(jī)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(jī)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(jī)模擬前端的核屯、電路，其技術(shù)指標(biāo)直接影響 光接收機(jī)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。
[0003] 傳統(tǒng)CMOS光接收機(jī)前端電路按技術(shù)特點(diǎn)可分為兩類：高帶寬光接收機(jī)和低噪聲 光接收機(jī)。在高帶寬光接收機(jī)的前端電路中，一般是采用減小輸入阻抗和頻率補(bǔ)償技術(shù)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(jié)點(diǎn)器件尺寸或引入反饋結(jié)構(gòu)來 實(shí)現(xiàn)，運(yùn)通常W犧牲電路噪聲性能為代價(jià)。而低噪聲光接收機(jī)則主要通過增加前端電路的 輸入阻抗來實(shí)現(xiàn)。顯而易見，低噪聲的獲得是W犧牲帶寬為代價(jià)的。在跨阻放大器的設(shè)計(jì) 過程中，帶寬與噪聲是相互矛盾的，難W尋找到兩者皆優(yōu)的方案。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型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(jī)， 本實(shí)用新型在提升電路增益的同時(shí)，拓展了工作帶寬，克服了現(xiàn)有技術(shù)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(jī)，所述高速CMOS單片 集成光接收機(jī)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(jìn)行初步放大；
[0007] 帶有負(fù)電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器，用于實(shí)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] 其中，所述高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器由己特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡(luò)、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(shè)置在所述帶有負(fù)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] 所述帶有負(fù)電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器包括：單端轉(zhuǎn)差分電路和負(fù)電容電路。
[0014] 其中，所述負(fù)電容電路設(shè)置在所述單端轉(zhuǎn)差分電路、所述直流偏移消除單元之間。
[0015] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0016] 1、在跨阻放大器電路結(jié)構(gòu)中，采用帶電感的共源共柵極替代傳統(tǒng)RGC結(jié)構(gòu)的共源 極電路，即可增大跨阻放大器的等效跨導(dǎo)，又可屏蔽米勒效應(yīng)，從而有效緩解帶寬和增益之 間的矛盾。
[0017] 2、在跨阻放大器前端引入己特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡(luò)，可有效降低光電探測器電 容對跨阻放大器的影響，同時(shí)還可W降低等效輸入噪聲。
[001引 3、在跨阻放大器和單端轉(zhuǎn)差分電路中分別引入一個(gè)電感，使其與電路中的寄生電 容形成兩個(gè)n型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。通過所述匹配網(wǎng)絡(luò)，可將電路結(jié)構(gòu)中的寄生電容與電感發(fā) 生諧振，降低各點(diǎn)阻抗，將極點(diǎn)拉向高頻處，從而擴(kuò)展工作帶寬。
[0019] 4、與傳統(tǒng)的基于高通濾波器實(shí)現(xiàn)的單端轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)用新型提出的新型 單端轉(zhuǎn)差分電路，可實(shí)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，本實(shí)用新型提出的單端轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)可減少電感的使用數(shù)量。
[0020] 5、在單端轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)的輸出端引入負(fù)電容電路，降低高頻增益的滾降速率，從而 有效提升-3地帶寬。
[0021] 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=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。
[0022] 綜上所述，通過采用本實(shí)用新型提出的新型RGC結(jié)構(gòu)和單端轉(zhuǎn)差分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高 速的標(biāo)準(zhǔn)CMOS單片集成光接收機(jī)。
【附圖說明】
[0023] 圖1給出了本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖2給出了傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的電路圖；
[0025] 圖3給出了帶有單端轉(zhuǎn)差分電路和負(fù)電容電路的高帶寬RGC跨阻放大器的電路 圖；
[0026] 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；
[0027] 圖5給出了直流偏移消除單元值COffsetCancellationUnit)電路圖。
[0028] 附圖中，部件的列表如下：
[0029] 1 :高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器；2 :帶有負(fù)電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器；
[0030] 3 :直流偏移消除單元；4 :交錯式有源反饋限幅放大器；
[00引]5:輸出緩沖級。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本實(shí)用新型實(shí)施方式 作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] -種具有全帶寬單端轉(zhuǎn)差分的高速CMOS單片集成光接收機(jī)，參見圖1，該高速 CMOS單片集成光接收機(jī)包括：
[0035] 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(jìn)行初步放大；
[0036] 帶有負(fù)電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2,用于實(shí)現(xiàn)單端向差分轉(zhuǎn)換，提高帶寬和放大電 壓信號；
[0037] 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；
[0038] 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；
[0039] 輸出緩沖級5,用于提供驅(qū)動能力。
[0040] 其中，高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1由己特沃斯LC階梯匹配網(wǎng)絡(luò)、共柵極 放大電路和帶電感的共源共柵極支路組成。
[0041] 直流偏移消除單元3設(shè)置在帶有負(fù)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。
[0042] 高帶寬調(diào)節(jié)型共源共柵跨阻放大器1、帶有負(fù)電容電路的單端轉(zhuǎn)差分器2各引入 一個(gè)電感，構(gòu)成兩個(gè)n型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。通過匹配網(wǎng)絡(luò)，可將電路結(jié)構(gòu)中的寄生電容與電 感發(fā)生諧振，降低各點(diǎn)阻抗，將極點(diǎn)拉向高頻處，從而擴(kuò)展工作帶寬。
[0043] 優(yōu)選，交錯式有源反饋限幅放大器4為=級順序級聯(lián)。
[0044] 帶有負(fù)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(fù)電容電路。
[0045] 其中，單端轉(zhuǎn)差分電路通過一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分；單端轉(zhuǎn)差分 電路，通過引入電感構(gòu)成n型寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，提升跨阻放大器的帶寬。
[0046] 其中，負(fù)電容電路設(shè)置在單端轉(zhuǎn)差分電路、直流偏移消除單元3之間。
[0047] 綜上所述，本實(shí)用新型采用帶電感的調(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)，通過引