一種高靈敏度的寬帶光接收機前端電路的制作方法

本發明涉及光通信、光互連及可見光通信系統領域，尤其涉及一種與鍺硅雙極-互補金屬氧化物半導體(sigebicmos)工藝兼容的、采用自舉電路以及噪聲消除技術設計的高靈敏度寬帶光接收機前端電路。

背景技術：

隨著社會信息化程度的不斷提升，以超高清視頻、云計算及移動互聯網為代表的寬帶業務蓬勃發展，這使得人類社會對網絡帶寬和數據流量的需求成倍增長。為滿足海量信息的傳輸，用于干線網絡傳輸的超高速、超大容量光纖通信技術已取得突破性進展。然而，受工藝和成本的限制，光纖通信的“最后一公里”仍然沒有得到很好地解決。因此，研制低成本、高性能的光接收機成為集成光電子領域的研究熱點。

目前，現行實用的光接收機普遍采用硅基標準cmos電路的混合集成，因而存在寄生效應大、成本高、可靠性差等問題。為了克服混合集成的上述限制，科研人員提出采用技術成熟的標準cmos工藝實現光接收機的單片集成化，并實施了多種集成方案。

例如，毛陸虹等人對標準cmos工藝的單片集成光接收機進行了系統研究[1]，提出了帶前均衡電路的cmos光電集成接收機、以及帶寬和靈敏度均倍增的標準cmos差分光電集成接收機等結構。

但是受硅材料自身的間接帶隙特性和工藝結構的限制、以及探測器輸入電容對整個電路的帶寬和噪聲特性的影響，很難實現高靈敏度的寬帶光接收機。

技術實現要素：

本發明提供了一種高靈敏度的寬帶光接收機前端電路，本發明采用自舉電路來抵消輸入端電容對rgc輸入級工作頻帶的限制，通過噪聲消除技術來降低電源電流的噪聲，提高電路靈敏度，詳見下文描述：

一種高靈敏度的寬帶光接收機前端電路，所述光接收機前端電路包括：依次電連接的跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除電路、以及輸出緩沖級，

所述跨阻放大器的輸入端加入自舉電路降低探測器電容的影響；所述跨阻放大器加入噪聲消除電路降低電源電流變化引起的噪聲，提高靈敏度；

所述限幅放大器為一組三級級聯、帶有負密勒電容補償，用于將電壓信號放大到所需電壓水平；

所述直流偏移消除電路使用差分有源密勒電容電路，用于消除直流偏移的影響；

所述輸出緩沖級采用ft倍頻器結構。

所述自舉電路包括：鍺硅異質結雙極晶體管t1、電容cc、電阻rb，

所述鍺硅異質結雙極晶體管t1構成的射隨器實現單位增益，所述電容cc用于隔離鍺硅異質結雙極晶體管t1的基極電容，所述電阻rb對鍺硅異質結雙極晶體管t1的基極進行偏置。

所述噪聲消除電路包括：電流源i2和鍺硅異質結雙極晶體管t4。

所述限幅放大器由鍺硅異質結雙極晶體管tl1、tl2、tl3、tl4和tl5、電阻rl1和rl2、電容c1和c2組成；

鍺硅異質結雙極晶體管tl4和tl5為偏置管提供偏置電流，電容c1和c2提供負密勒補償；

射隨器tl3被插入到反饋通道中，以驅動負載電容，有效降低射隨器的輸出阻抗；電容c1和c2交錯地跨接在兩級差分放大器的輸出端，形成負密勒補償。

所述差分有源密勒電容電路包括：nmos晶體管m1和m2、電阻rd和rma、電容cma和鍺硅異質結雙極晶體管t41，

鍺硅異質結雙極晶體管t41是偏置管，提供偏置電流，電容cma、電阻rd和nmos晶體管m2構成差分有源密勒電容；

電容cma通過nmos晶體管m2的密勒效應進行放大，放大倍數為差分放大器的增益因子(1+gm2rd)；gm2是晶體管m2的跨導。

所述ft倍頻器結構由鍺硅異質結雙極晶體管t51和t52、電阻r51和電流源iss組成。

所述光接收機前端電路的-3db帶寬達到16ghz，跨阻增益大于98dbω，等效輸入噪聲電流小于15pa/sqrt(hz)。

所述光接收機前端電路與標準sigebicmos工藝兼容，可實現同一芯片上高性能的光接收機前端、與信號處理后端的單片集成。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

1、由于鍺硅異質結雙極晶體管(sigehbt)具有比金屬-氧化物場效應晶體管(mosfet)更大的有效跨導，因而基于sigebicmos工藝可以設計出增益帶寬積更高、噪聲系數更低的放大電路。

2、在跨阻放大器的輸入端加入自舉電路結構，可以有效隔離探測器寄生電容的影響，改善整體電路的帶寬以及噪聲性能；同時加入噪聲消除電路，有效降低電源電流變化引起的噪聲，提高電路靈敏度。

3、限幅放大器采用帶負密勒補償的cherry-hooper結構進行三級級聯，通過每級分配適當反饋，從而實現更高的帶寬和更好的穩定性。

4、直流偏移消除電路中使用差分有源密勒電容來替代傳統的片外大電容，不僅提高了系統集成度，而且消除了片外寄生效應，在一定程度上提高了電路性能。

5、本發明設計的光接收機前端電路與標準sigebicmos工藝兼容，可實現同一芯片上高性能的光接收機前端與信號處理后端的單片集成，從而降低成本，增強功能。

綜上所述，本發明提出的光接收機具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明所設計光接收機的電路結構原理圖；

圖2是本發明所設計的跨阻放大器的電路原理圖；

圖3是本發明所設計的限幅放大器的電路原理圖；

圖4是本發明所設計的直流偏移消除電路的電路原理圖；

圖5(a)是簡單的差分級的電路原理圖；

圖5(b)是ft倍頻器的電路原理圖；

圖6是本發明所設計的整體電路的頻率響應和輸入噪聲仿真圖。

附圖中，各部件所代表的部件列表如下：

1：跨阻放大器；

2：一組三級級聯的帶有負密勒電容補償的限幅放大器；

3：差分有源密勒電容的直流偏移消除電路；

4：輸出緩沖級；

11：自舉電路；

12：噪聲消除電路。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種高靈敏度的寬帶光接收機前端電路，參見圖1，該寬帶光接收機前端電路包括：

1、在跨阻放大器1的輸入端加入自舉電路11降低探測器電容對后續電路的影響；

2、在跨阻放大器1中加入噪聲消除電路12，降低電源電流變化引起的噪聲，提高電路的靈敏度；

3、限幅放大器2采用帶有負密勒補償的cherry-hooper結構，用于將跨阻放大器1輸出的電壓信號放大到數字處理單元所需電壓水平；

4、使用差分有源密勒電容的直流偏移消除電路3，用于消除直流偏移對電路的影響；

5、為實現輸出阻抗匹配和提供足夠的驅動能力，輸出緩沖級4采用ft倍頻器結構。

綜上所述，本發明實施例采用自舉電路11來抵消輸入端電容對rgc輸入級工作頻帶的限制，通過噪聲消除電路12來降低電源電流的噪聲，提高電路靈敏度。

實施例2

下面結合圖2-圖6、以及具體的計算公式對實施例1中的方案進行進一步地介紹，詳見下文描述：

本發明實施例提供了一種高靈敏度的寬帶光接收機前端電路。該接收機前端電路充分利用鍺硅異質結的雙極電路高速、驅動能力強和cmos電路低功耗、高集成度的優點。本發明實施例所設計的光接收機的電路結構原理圖如圖1所示。光接收機前端電路包括：帶自舉電路和噪聲消除電路的跨阻放大器1、一組三級級聯的帶有負密勒電容補償的限幅放大器2、使用差分有源密勒電容的直流偏移消除電路3、以及輸出緩沖級4。

圖2所示為本發明實施例所述的帶自舉電路和噪聲消除電路的跨阻放大器1的電路原理圖。該跨阻放大器1的核心部分由調節型共射共基(rgc)差分拓撲構成，包括：鍺硅異質結雙極晶體管t2和t3，以及電阻r1、r2和r3。

其中，pd表示光電探測器二極管，cpd表示探測器寄生電容。為消除探測器寄生電容cpd的影響，本發明實施例引入了由鍺硅異質結雙極晶體管t1、電流源i1、電阻rb和電容cc構成自舉電路11，而鍺硅異質結雙極晶體管t4和電流源i2構成噪聲消除電路12。跨阻放大器1的帶寬主要是受輸入端的總輸入電容限制，而探測器寄生電容cpd是輸入電容的主要部分。

傳統設計多采用無源電感峰化來降低輸入電容的影響，但這會占用很大的芯片面積，增加功耗和成本。另外，傳統設計方法也需要根據具體的探測器寄生電容進行優化匹配。

本發明實施例采用自舉電路11來消除輸入電容的影響。該電路使用鍺硅異質結雙極晶體管t1構成的射隨器實現單位增益(a＝1)，電容cc用來隔離鍺硅異質結雙極晶體管t1的基極電容，電阻rb對鍺硅異質結雙極晶體管t1的基極進行偏置。在這樣的結構下，探測器兩端具有相同的交流電位，因此流過探測器寄生電容的交流電流為零，其寄生電容等效為零，故大大降低了光電探測器寄生電容對電路性能的影響。

因自舉電路11需要較高的電源電壓來維持正常工作，故自舉電路11和調節型共射共基(rgc)差分拓撲結構采用不同的電源供電。電源電流變化產生的噪聲會影響電路的靈敏度，所以在rgc差分拓撲結構中加入了噪聲消除電路12。該噪聲消除電路12可以檢測出自舉電路11和rgc差分拓撲結構的電流變化，同時產生一個等量的反向電流來補償。通過這樣的噪聲消除方法，可以大大降低電源噪聲，提高電路靈敏度。

圖3所示為本發明實施例所述的帶有負密勒電容補償的cherry-hooper限幅放大器2，其采用三級全差分級聯。該限幅放大器2由鍺硅異質結雙極晶體管tl1、tl2、tl3、tl4和tl5、電阻rl1和rl2、電容c1和c2組成。

其中，tl4和tl5為偏置管，提供偏置電流，c1和c2提供負密勒補償。射隨器tl3被插入到反饋通道中，以驅動負載電容，該反饋結構可有效降低射隨器的輸出阻抗。電容c1和c2交錯地跨接在兩級差分放大器的輸出端，形成負密勒補償。在進行三級級聯時，為每一級放大器設置合適的c1和c2值，給予各級不同幅度的補償，使得每級電路產生的固有頻率和阻尼系數不完全相同，避免共軛極點對重疊。這樣設計不僅能避免因完全相同的cherry-hooper結構級聯而導致電路帶寬的劇烈衰減，而且降低了限幅放大器2的頻率響應尖峰，因而拓展了工作帶寬。

因為光接收機前端一般由多級放大電路組成(例如，本發明實施例設計中的限幅放大器2采用三級級聯)，一旦其中某級電路的直流偏置發生變化，則后級電路會將此直流偏移不斷放大，整體電路極有可能進入飽和區，導致信號傳輸失效。針對多級電路的直流偏移，通常會在電路中增加直流偏移消除電路(doc)。doc電路通常需要一個大電容來實現低截止頻率的濾波器。傳統設計多采用片外電容，這不僅會引入大的寄生效應，而且不利于電路的單片集成。

為克服上述問題，本發明實施例利用密勒效應，使用差分有源密勒電容(damc)電路來實現等效大電容，如圖4所示。該doc電路由nmos晶體管m1和m2、電阻rd和rma、電容cma和鍺硅異質結雙極晶體管t41組成。其中t41是偏置管，提供偏置電流。cma、rd和m2構成差分有源密勒電容，cma通過m2的密勒效應進行放大，放大倍數為差分放大器的增益因子(1+gm2rd)，故等效電容值為

ceq＝cma(1+gm2rd)

(1)

其中，gm2是晶體管m2的跨導。由電阻rma和等效電容ceq形成的低截止頻率濾波器，將高頻信號濾除，再通過m1管將直流電平反饋到前級電路，進而消除直流偏移。理論計算和仿真結果表明，本設計中僅需一個2pf左右的cma電容即可實現1.1mhz帶寬的低通濾波器。由此可見，利用damc電路可避免使用大的片外電容，同時降低片外電容引入的寄生效應。與片外大電容相比，damc電路可節省芯片面積，降低成本，增加可靠性。

通常，光接收機中的跨阻放大器和限幅放大器可提供近100db的增益，所以對輸出緩沖級而言，其對增益的要求不高(0db左右即可)，但對帶寬有著嚴格的要求。由于級聯會降低帶寬，故輸出緩沖極的帶寬應大于傳輸速率值。若版圖面積比較富裕，可以直接使用串聯電感或并聯電感峰化技術。若版圖面積有限，則可利用有源電感峰化技術或ft倍頻器技術。

最簡單的輸出緩沖級如圖5(a)所示，為傳統共源級差分對。此電路的小信號特性可表示為：

vout＝gm(vo--vo+)r51(2)

其中，gm表示為鍺硅異質結雙極晶體管t51的跨導。在放大器級聯過程中，差分對的輸入電容往往會惡化級聯放大器的帶寬。本發明實施例中的ft倍頻器則可以很好地降低這一影響，在保證相同的增益同時，可以有效擴展帶寬。ft倍頻器由鍺硅異質結雙極晶體管t51和t52、電阻r51和電流源iss組成，如圖5(b)所示。根據疊加原理，可計算出vout：

vout＝gm(vo--vo+)r51(3)

可以發現，ft倍頻器的電壓增益與傳統差分對的電壓增益相同。但因vb為交流地，而輸入電容cin為t51的基極-發射極電容cπ1、與t52的基極-發射極電容cπ2的串聯，即cπ1/2。因此，輸入電容減半。換言之，ft倍頻器在保證總跨阻一定的情況下，可將輸入電容降低一倍，進而拓展了帶寬。

基于上述電路拓撲結構和ibm0.18μmsigebicmos標準工藝，對本發明實施例所述電路的性能進行了仿真優化。圖6為跨阻增益和等效噪聲電流的仿真結果。由圖6可見，光接收機前端電路的-3db帶寬可以達到16ghz，跨阻增益大于98dbω，而等效輸入噪聲電流小于15pa/sqrt(hz)。

綜上所述，本發明實施例提出的光接收機前端電路，采用自舉電路11來屏蔽探測器輸入電容的影響，拓展電路帶寬，而采用噪聲消除電路12提高電路的整體靈敏度；通過仿真結果表明，該光接收機前端電路結構有望用于高速光通信系統。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

參考文獻

[1]余長亮,毛陸虹,朱浩波,等.前均衡cmos光電集成接收機概念的提出和模擬[j].半導體學報,2007,28(6):951-957.

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。