专利名称：一种跨阻补偿式光接收机的制作方法
技术领域：
本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种跨阻补偿式光接收机，其可采用带平面螺旋电感的射频标准CMOS工艺或普通的标准CMOS工艺实现光电单片集成。
背景技术：
光接收机通常由光电探测器、前置放大器、限幅放大器和输出缓冲级组成。 一般而言，光接收机中的前置放大器分为三种，包括低阻前置放大器，其由于灵敏度太低而不经常被采用；高阻前置放大器，其由于速度较低而多用于低速电路中；跨阻前置放大器，其仅具备较好的灵敏度，而且具备较宽的带宽，是光接收机中的主流放大器。如果我们将光接收机中的所有单元都制作在同一块芯片上，则这样的光接收机称为单片光电集成接收机。采用标准CMOS工艺来实现光接收机的单片集成是光接收机的目前发展趋势，其不仅最大限度地消除封装、引线等寄生参量的影响，提高了系统速度等整体性能，而且成本低廉、体积小、可靠性好、功能丰富。
现己报道的硅基标准CMOS光电集成接收机由于其灵敏度限制尚未进入实用阶段，造成这一现象的主要原因在于硅基标准CMOS光电探测器的响应度太低。为克服现有的硅基标准CMOS光电集成接收机的缺点，本发明拟对灵敏度接近实用要求的、高跨阻(跨阻值较大的跨阻)前置放大器中的跨阻进行频率补偿，即用具有频率补偿功能的跨阻来代替通常的跨接电阻，从而大大提高光接收机的速度。
发明人之前获得授权的专利号为ZL 200510015149.8以及申请的申请号为200710060334.8和200710060334.3的三个发明专利，分别公开了一种带前均衡电路的CM0S光电集成接收机、 一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法，以及带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机。本发明提出的跨阻补偿式光接收机结构可应用于上述光接收机。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可与标准CMOS工艺完全兼容的、并可实现单片集成，并能够提高光接收速度和灵敏度的光接收机。为此，本发明采用如下的技术方案一种跨阻补偿式光接收机，包括
一个光检测器，其作用是将输入的光信号转换成电流信号；
一个跨阻前置放大器，其作用是将由全差分光检测器输出的电流信号转换成电压信
3号；
一个限幅放大器，其作用是对将跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理；一个输出缓冲级，与限幅放大器的输出端相连；
所述的跨阻前置放大器中的跨阻是一个具有频率补偿功能的反馈网络，包括相互串联的一个反馈电阻R/和一个反馈电感U，其跨接在所述跨阻前置放大器的输入端与输出端之间。
上述的跨阻补偿式光接收机，可以采用射频标准CMOS工艺来实现光电单片集成，所述的跨反馈电感可以为平面螺旋状电感。
上述的跨阻补偿式光接收机可以采用标准CMOS工艺来实现光电单片集成，利用螺旋状金属条构成所述的反馈网络，螺旋状金属条的电阻值等于反馈电阻R/的电阻值，螺旋状金属条的电感值等于反馈电感Lf的电感值，螺旋状金属条的两个引出电极是所述反馈网络的两个端口。
所述的跨阻补偿式光接收机可以采用单端输入的光检测器，跨阻前置放大器及其后续电路采用单端输入、单端输出电路；也可以采用全差分光检测器，后续接收电路采用全差分输入、单端输出电路。
本发明具有如下突出的优点
1、 本发明的跨阻补偿式光接收机采用具有频率补偿功能的反馈网络代替了通常的跨接在跨阻前置放大器的输入端与输出端之间的电阻，该跨阻反馈网络大大提高了光接收机的带宽，从而使光接收机具备更大的速度到灵敏度折衷裕量，提高了光接收机的整体性能。
2、 本发明的跨阻补偿式光接收机与标准CMOS工艺完全兼容的，其即可采用射频标准CMOS工艺来实现光电单片集成，也可采用硅基标准CMOS工艺来实现光电单片集成。
3、 与现有的光接收机相比，本发明的跨阻补偿式光接收机未导致任何成本的增加。
图l(a)是本发明的单端输入式的跨阻补偿式光接收机的电路结构原理图；图l(b)是本发明的全差分输入式的跨阻补偿式光接收机的电路结构原理图；图2(a)是本发明的跨阻补偿式光接收机中由反馈电阻Rf和反馈电感U组成的反馈网
络的版图结构俯视图2(b)是本发明的跨阻补偿式光接收机中由反馈电阻Rf和反馈电感Lf组成的反馈网
络的版图的等效电路模型。
具体实施例方式
本发明是通过以下方法来实现的图l(a)是本发明的单端输入式的跨阻补偿式光接收机的电路结构原理图；图l(b)是本发明的全差分输入式的跨阻补偿式光接收机的电路结构原理图；图2(a)是本发明的跨阻补偿式光接收机中由反馈电阻Rf和反馈电感L,组成的反馈网络的版图结构俯视图；图2(b)是本发明的跨阻补偿式光接收机中由反馈电阻Rf和反馈电感Lf组成的反馈网络的版图的等效电路模型。下面结合附图对本发明进行详细阐述
图l是本发明所述的跨阻补偿式光接收机的电路结构原理图。其中，图l(a)是单端输入式，即采用的是单一的光电探测器，跨阻前置放大器及后续电路也都是采用单端输入、单端输出方式；图l(b)是全差分输入式，即采用了全差分光检测器和相应的全差分接收电路。它共包括四个部分:一个光检测器(图l(a)中的PD》或全差分光检测器(图l(b)中的PD,和PD》； 一个跨阻前置放大器(图l(a)中的TIA，其包含了一个跨接在该TIA的输入端和输出端之间、由反馈电阻R,和反馈电感U构成的串联电路)或全差分跨阻前置放大器(图l(b)中的DTIA，其包含了两个跨接在该DTIA的差分输入端和差分输出端之间、由反馈电阻R/和反馈电感U构成的串联电路)； 一个限幅放大器(图1 (a)中的LMA)或全差分限幅放大器(图l(b)中的DLMA); —个输出缓冲级(图l(a)中的OB)或差分转单端的输出缓冲级(图l(b)中的DFSO)。其中，光检测器或全差分光检测器的作用是将入射光信号转换成一个电流信号或一对全差分电流信号；
除跨阻前置放大器外，该光接收机的各个单元与通常的光接收机中的各个单元的电路结构和功能都是相同的。它们的唯一不同之处在于在该光接收机中的跨阻前置放大器部分，用由反馈电阻Rf和反馈电感U构成的串联电路代替了通常的、跨接在(全差分)跨阻前置放大器的输入端与输出端之间的电阻。对于跨接电阻阻值较大的跨阻前置放大器，其小信号跨阻增益与跨接电阻的阻值是成正比的。实际上，该跨接电阻也是一个反
馈网络。若对此反馈网络的小信号等效阻抗特性进行频率补偿，提高其等效的高频小信号阻抗值，则可改善跨阻前置放大器的跨阻增益的频率特性，提高跨阻前置放大器的带宽。由于我们在通常的跨阻反馈网络中加入了一个串联电感U，而电感的阻抗值与频率是呈线性关系增大的，因而跨阻反馈网络的等效阻抗值也频域的增加而线性增加。尤其是在高频域，跨阻反馈网络的等效阻抗值的增加量已可与其低频量相比拟。故串联电感Lf的增加可有效减弱跨阻前置放大器的跨阻增益在中高频由于极点影响而下降的现象，
进而大大提高光接收机的带宽。
再者，由于单片标准CMOS光电集成接收机已是目前学者们研究的一个热点问题，它是光接收机的未来发展趋势。所以，能否采用标准CMOS工艺来实现本发明的光接收机的光电单片集成也是非常重要的。对于光接收机中除电感外的其它元器件，目前已均可采用标准CMOS工艺来实现，因而，限制本发明的光接收机的标准CMOS实现的要点在于电感的制造。通常，射频标准CMOS工艺均提供了平面螺旋电感工艺，故可采用射频标准CMOS工艺来实现该光接收机光电单片集成。此外，本发明也提出了一种利用普通的标准CMOS工艺来同时制造和实现反馈电阻^和反馈电感L,的方案，如图2所示，进而使该光接收机可采用普通的标准CMOS工艺来实现光电单片集成。其原理是利用螺旋状的金属条来同时实现反馈电阻Rf和反馈电感U，并使螺旋状金属条的电阻值等于反馈电阻R/的电阻值，螺旋状金属条的电感值等于反馈电感Lf的电感值。这样，由反馈电阻R,和反馈电感L4且成的反馈网络的制造便简化成了一个螺旋状金属条的制作，并且螺旋状金属条的两个引出电极即为该反馈网络的两个端口。在制作中，该螺旋状金属条所用的金属一般选择最顶层金属，以最大限度地减小其寄生电容。
图2(a)所示的由反馈电阻R,和反馈电感L,组成的反馈网络的标准CMOS制作工艺流程较为简单，它是在制造芯片的最顶层时，按标准流程制作出一个形状和尺寸已设计好的螺旋状金属条即可。
综上所述，本发明的跨阻补偿式光接收机通过在通常的跨接电阻中串联了一个电感实现了对光接收机的频率响应特性的补偿，并大大提高了光接收机的带宽，从而使光接收机获得了更大的速度到灵敏度折衷裕量，提升了光接收机的整体性能。此外，本发明还提出了一种采用普通的标准CMOS工艺来实现该光接收机光电单片集成的方案，它利用一个螺旋状的金属条实现了由反馈电阻Rf和反馈电感!^组成的反馈网络。
权利要求
1、一种跨阻补偿式光接收机，包括一个光检测器，其作用是将输入的光信号转换成电流信号；一个跨阻前置放大器，其作用是将由全差分光检测器输出的电流信号转换成电压信号；一个限幅放大器，其作用是对将跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理；一个输出缓冲级，与限幅放大器的输出端相连；其特征在于所述的跨阻前置放大器中的跨阻是一个具有频率补偿功能的反馈网络，包括相互串联的一个反馈电阻Rf和一个反馈电感Lf，其跨接在所述跨阻前置放大器的输入端与输出端之间。
2、 根据权利要求1所述的跨阻补偿式光接收机，其特征在于，所述的跨阻补偿式光接收机采用射频标准CMOS工艺来实现光电单片集成，所述的跨反馈电感为平面螺旋状电感。
3、 根据权利要求1所述的跨阻补偿式光接收机，其特征在于，所述的跨阻补偿式光接收机采用标准CMOS工艺来实现光电单片集成，利用螺旋状金属条构成所述的反馈网络，螺旋状金属条的电阻值等于反馈电阻R/的电阻值，螺旋状金属条的电感值等于反馈电感U的电感值，螺旋状金属条的两个引出电极是所述反馈网络的两个端口。
4、 根据权利要求1-3任意一项所述的跨阻补偿式光接收机，其特征在于，所述的跨阻补偿式光接收机采用单端输入的光检测器，跨阻前置放大器及其后续电路釆用单端输入、单端输出电路。
5、 根据权利要求1-3任意一项所述的跨阻补偿式光接收机，其特征在于，所述的跨阻补偿式光接收机采用全差分光检测器，后续接收电路采用全差分输入、单端输出电路。
全文摘要
本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种跨阻补偿式光接收机，包括一个光检测器，其作用是将输入的光信号转换成电流信号；一个跨阻前置放大器，其作用是将由全差分光检测器输出的电流信号转换成电压信号；一个限幅放大器，其作用是对将跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理；一个输出缓冲级，与限幅放大器的输出端相连；所述的跨阻前置放大器中的跨阻是一个具有频率补偿功能的反馈网络，包括相互串联的一个反馈电阻R<sub>f</sub>和一个反馈电感L<sub>f</sub>，其跨接在所述跨阻前置放大器的输入端与输出端之间。本发明的光接收机，可与标准CMOS工艺完全兼容的、并可实现单片集成，并能够提高光接收速度和灵敏度。
文档编号H04B10/148GK101488808SQ20091006800
公开日2009年7月22日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者余长亮, 毛陆虹, 肖新东 申请人:天津大学