一种用于cmos光接收机的高速全差分噪声降低装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤通信系统以及光互连领域，尤其涉及一种用于CMOS光接收机的高 速全差分噪声降低装置。
【背景技术】
[0002] 在网络与信息技术飞速发展的当今时代，以电互连为主要连接方式的短距离网络 通信技术逐渐显现出难以避免的缺点，主要表现在速度低、串扰大、功耗大等方面。而光纤 通信技术以其高速、无串扰及保密性好的特点可以弥补电互连的这一缺陷。因此，近年来光 纤通信技术在短距离和甚短距离网络通信的应用受到广泛关注。例如，机柜间、电路板间及 芯片间，甚至芯片内部的远距离电路模块之间。
[0003] 尽管基于硅基标准CMOS工艺的光接收机取得很大的进展，然而由于硅材料本身性 质及工艺条件限制，基于标准CMOS工艺光接收机的灵敏度偏低，难以达到真正实用化要求。
[0004] 发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
[0005] 作为光接收机的关键参数之一，灵敏度与模拟前端电路的噪声密切相关，所以研 究高速光接收机的噪声降低技术同等重要，但现有技术中尚未有较好的应用在CMOS光接收 机上的降低噪声装置，无法满足实际应用中对灵敏度的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置，该噪声降低装 置采用三种带宽提升技术来换取增益的提升，可以有效地减小电路的等效输入噪声电流， 详见下文描述：
[0007] -种用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置，所述噪声降低装置包括：
[0008] 低噪声跨阻放大器，用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，并进行 初步放大，且跨阻放大器具有较低的等效输入噪声电流；
[0009] 单端转差分电路，用于实现单端向差分输出的转换，同时提升电路带宽，进一步放 大电压信号，并有效降低后端电路引入的等效输入噪声电流、消除由电源等引入的共模噪 声；
[0010] 两级采用交错式有源反馈和电容简并电路的三阶差分限幅放大器，用于将电压信 号放大到数字处理单元所需电压水平；
[0011]输出缓冲级，用于将输出的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，提升光接 收机前端电路的驱动能力。
[0012] 其中，所述低噪声跨阻放大器由共栅级放大电路、带电感的共源共栅级支路和高 通滤波器组成。
[0013] 其中，所述共源共栅级支路通过引入一个电感，以及输入端引入一个电感，与电路 中的电容或寄生电容构成两个JT型宽带匹配网络。
[0014] 进一步地，所述单端转差分电路通过引入电感，与电路中的寄生电容构成一个π型 宽带匹配网络。
[0015] 为了取得更好的降噪效果，所述输出缓冲级优选使用双端转单端电路结构。
[0016] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0017] 1、在跨阻放大器电路中，将RGC共源级结构改为共源共栅结构，一方面增大TIA的 等效跨导;另一方面可以屏蔽米勒效应，提升跨阻放大器的带宽。
[0018] 2、采用π型宽带匹配网络技术，在RGC电路中引入两个电感，与电路中的寄生电容 构成两个η型宽带匹配网络。通过这两个η型宽带匹配网络，可以即将RGC结构中的大部分寄 生电容与两个电感发生谐振，降低各点阻抗，将极点推向高频，从而有效扩展带宽。
[0019] 3、在跨阻放大器的输出端引入一个电感，与电路中的寄生电容形成一个π型宽带 匹配网络，从而进一步提升带宽。
[0020] 4、为了实现单端向全差分输出的转换，引入一种新型的单端转差分电路，在实现 全带宽差分转换的同时，还可减小芯片面积，提升带宽和增益。
[0021 ]由于本发明的主要目的是降低噪声，因此通过前三种技术将提升的带宽转化成增 益的提升，进而降低噪声。第四种技术，主要为了消除由电源等引入的共模噪声。另外还引 入了其他三种降低噪声的技术：
[0022] 5、输入端引入电感可以抑制探测器寄生电容引起的尚频噪声，因此减小等效输入 噪声电流。
[0023] 6、采用高通滤波器给晶体管M31提供最佳直流偏置，让共栅级电路拥有最佳幅频响 应，保持带宽不变的条件下，通过提高电阻值来降低电路噪声。
[0024] 7、在低噪声跨阻放大器的输出端引入一个电感，可以有效降低后端电路引入的等 效输入噪声电流。
[0025] 8、限幅放大器(LA)取为两级三阶，并且引入交错式有源反馈电路和电容简并结 构，有效抑制电路带宽的下降。
[0026] 综上所述，通过采用本发明提出的高速全差分噪声降低装置提高了 CMOS光接收机 的灵敏度。
【附图说明】
[0027] 图1给出了本发明所设计的用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置的结构 框图；
[0028] 图2给出了传统RGC跨阻放大器的电路图；
[0029] 图3给出了带有单端转差分电路的低噪声改进型RGC TIA的电路图；
[0030] 图4给出了两级三阶限幅放大器(LA)的电路图；
[0031 ]图5给出了输出缓冲级(Buf fer)的电路图。
[0032] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0033] 1:低噪声跨阻放大器； 2:单端转差分电路；
[0034] 3:两级三阶差分限幅放大器；4:输出缓冲级。
【具体实施方式】
[0035]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0036] 实施例1
[0037] 用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置，参见图1，该噪声降低装置包括：
[0038] -个低噪声跨阻放大器I(TIA)，用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信 号，并进行初步放大，且该跨阻放大器具有较低的等效输入噪声电流；
[0039] -个单端转差分电路2,用于实现单端向差分输出转换，在提升电路带宽和放大电 压信号的同时，该结构可有效降低后端电路引入的等效输入噪声电流；
[0040] -个两级三阶差分限幅放大器3,该限幅放大器采用交错式有源反馈和电容简并 电路，用于将电压信号放大到数字处理单元所需电压水平；
[0041] -个输出缓冲级4,用于将两级三阶差分限幅放大器3输出的差分电压信号转换成 单端输出的电压信号，并提供驱动能力。
[0042]其中，本发明实施例采用带电感的调节型共源共栅(RGC)电路作为跨阻放大器的 基本结构，有效降低输入阻抗和屏蔽米勒电容，提升跨阻放大器的带宽。
[0043]为了进一步展宽跨阻放大器的带宽，在RGC电路中引入两个电感，与电路中的电容 构成两个η型宽带匹配网络。通过这两个η型宽带匹配网络，使RGC结构中的大部分寄生电容 与两个电感发生谐振，降低各点阻抗，将极点推向高频，有效扩展带宽。
[0044] 为了降低跨阻放大器的等效输入噪声，需要牺牲上述技术提升的带宽来换取增益 的提升，进而能有效降低等效输入噪声，另外还采用高通滤波器给M 31提供最佳直流偏置，让 共栅级电路拥有最佳幅频响应。
[0045] 在保持带宽不变的条件下，通过提高电阻阻值来降低电路噪声。同时，输入端引入 的电感可以减小等效输入噪声电流，而输出端引入的电感可以减小后端电路产生的等效输 入噪声电流，以及采用差分模式，消除电源等引入的共模噪声。
[0046] 考虑系统功耗、多级级联引起的宽带变窄和噪声累加效应，本发明实施例只用两 级三阶交错式有源反馈限幅放大器