基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电路，包括：两个结构完全对称的光电探测器、一组级联的差分限幅放大器、以及输出缓冲级，还包括：差分结构调节型共射共基的跨阻放大器、以及一级共射级放大器；跨阻放大器包括：共射共基结构的放大器，尾电流源采用电阻和电容并联方式；一级共射级放大器包括：共射级放大器，以及提高电路反向隔离度的简并电阻和电容，并通过容性退化技术补偿低频极点；差分限幅放大器，将Cherry?Hooper结构中的电阻反馈改为有源反馈，并增加一个输出负载电阻；输出缓冲级用于将输出阻抗转换为50Ω标准阻抗，增强驱动能力。本发明研制出了性能优异的光接收机模拟前端电路。
【专利说明】
基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电路
技术领域
[0001] 本发明涉及全差分光接收机领域，尤其涉及一种改进的高增益、高速率调节型共 射共基(RGC)结构的全差分光接收机模拟前端电路。
【背景技术】
[0002] 随着物联网、云计算及移动互联网等大数据载体的崛起，信息传输量雪崩式地增 长，这使得电路板间、芯片间以及芯片内部的信息通信对带宽提出更高的要求，也对数据中 心的网络架构形成挑战。然而，传统的铜互连受"电子瓶颈"的限制，难以适应超高速的数据 传输和交换。与此相比，光互连以光子作为信息载体，具有损耗低、速度快和延迟小的优点， 且可采用波分复用(WDM)技术大幅提升互连带宽密度，有效解决互连瓶颈，因而是未来互连 的必然趋势。
[0003] 光通信系统通常由光发射机、信道和光接收机三部分组成。光接收机的主要作用 是把光纤传输的微弱光信号转变为电信号，并经放大、均衡、定时及判决等过程，还原成与 发端信源一致的数据信息。光接收机前端作为完整光接收机的重要组成部分，其性能指标 直接决定着光接收机甚至整个通信系统的传输质量。
[0004] 虽然基于标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现的光接收机模拟前端电路 成本低、集成度高，但高频性能较差。因此，科研人员开展相关研究改善其传输速率的局限。 例如，采用无源电感峰化技术、并联双反馈及先进工艺来优化光接收机电路性能，但这会增 加芯片面积和噪声，降低增益，同时增加设计成本。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，研制性能优异的光接收机模拟前端电路。本发明基于 电容简并型RGC结构、改进型Cherry-Hooper (1963年，E · Μ · Cherry和D · E · Hooper首次提出的 宽带电路结构)结构限幅放大器技术，提出一种全差分结构的高速、高增益光接收机前端电 路，详见下文描述：
[0006] -种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电路，所述模拟前端电 路包括:两个结构完全对称的光电探测器、一组级联的差分限幅放大器、以及输出缓冲级，
[0007] 所述模拟前端电路还包括：差分结构调节型共射共基的跨阻放大器、以及一级共 射级放大器；
[0008] 所述跨阻放大器包括:共射共基结构的放大器，尾电流源采用电阻和电容并联方 式；
[0009] 所述一级共射级放大器包括:共射级放大器，以及提高电路反向隔离度的简并电 阻和电容，并通过容性退化技术补偿低频极点；
[00? 0]所述差分限幅放大器，将经典Cherry-Hooper结构中的电阻反馈改为有源反馈，并 增加一个输出负载电阻，降低了输出直流电平；
[0011]所述输出缓冲级用于将输出阻抗转换为50 Ω标准阻抗，增强驱动能力。
[0012] 其中，所述光电探测器，用于将光纤输入的微弱光信号转换成一组相位相反的电 脉冲信号。
[0013] 进一步地，所述跨阻放大器的输出端接一级射级跟随器，用于提高输出负载，降低 直流电平。
[0014] 进一步地，所述一级共射级放大器的输出端级联另一一级射级跟随器，降低直流 电平。
[0015] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0016] 1、在相同特征尺寸下，由于SiGe异质结晶体管（HBT)的截止频率明显高于M0S器 件，而且异质结晶体管的噪声性能更好，所以本发明使用异质结晶体管设计的RGC跨阻放大 器的电路性能优于CMOS工艺。
[0017] 2、将全差分结构跨阻放大器的尾电流源替换为电阻结构，一方面避免电流源晶体 管工作在饱和区影响电路性能，另一方面也避免输入端在高频时可能出现的负阻态，保证 反射系数Sn不大于零。
[0018] 3、在替换传统尾电流源的电阻两端并联一个电容，构成电容简并结构，产生一个 与输入端无关的零点，补偿输出端较低的极点。
[0019] 4、采用有源反馈替代传统Cherry-Hooper结构中的电阻反馈，以拓展带宽，同时在 输出端与反馈间增加一个电阻，以提高单级增益，使得两级级联的限幅放大器即可满足整 体增益要求。
[0020] 综上所述，采用本发明提出的改进型RGC结构的全差分跨阻放大器和改进型 Cherry-Hooper限幅放大器，可实现一种基于标准锗娃双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)工艺的高速、高增益光接收机模拟前端电路。
【附图说明】
[0021] 图1给出了本发明所设计的光接收机模拟前端电路的结构框图；
[0022] 图2给出了改进型RGC结构跨阻放大器的电路原理图；
[0023] 图3给出了改进型RGC结构跨阻放大器的单边小信号等效电路图；
[0024]图4给出了共射级放大器(CE-stage)的电路原理图；
[0025]图5是限幅放大器(Limiting Amplifier)的电路原理图；
[0026]图6是输出缓冲级(Buffer)的电路原理图；
[0027] 图7是光接收机模拟前端电路幅频响应曲线的仿真结果。
【具体实施方式】
[0028] 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。
[0029] 发明人在解决【背景技术】中的问题时发现，由于异质结双极晶体管(HBT)的高跨导、 低噪声，以及优异的模拟电路特性，使得基于双极工艺的光接收机受到广泛关注，并得到迅 速发展。为此，本发明实施例基于SiGe BiCMOS标准工艺，设计了一款基于调节型共射共基 结构的全差分光接收机模拟前端电路。
[0030] 实施例1
[0031] 本发明实施例基于标准SiGe BiCMOS工艺，提出一种全差分光接收机模拟前端电 路，具体电路包括：
[0032] 两个结构完全对称的光电探测器，用于将光纤输入的微弱光信号转换成一组相位 相反的电脉冲信号；
[0033] -级差分结构的跨阻放大器(TIA)，用于将光电探测器的微弱电流信号转化为电 压信号，并对其进行放大。输出端接一级射级跟随器，用于提高输出负载，降低直流电平。
[0034] -级共射级放大器(CE)，用于提高电路的反向隔离度，并通过容性退化技术补偿 电路的低频极点。输出端级联一级射级跟随器，降低输出直流电平。
[0035] -组级联的差分限幅放大器(LA)，用于将跨阻放大器输出的电压信号放大到后端 数字处理单元可以判决的电压水平。
[0036] 一级输出缓冲级(Buffer)，用于将输出阻抗转换为50 Ω标准阻抗，增强电路的驱 动能力。
[0037] 为了抑制电源噪声并达到高共模抑制比，本发明实施例采用全差分结构的跨阻放 大器，并将传统差分电路的尾电流源替换为电阻和电容并联方式。这不仅实现了差分电路 结构，消除了信号中的低频共模噪声，而且为给RGC结构的辅助放大器引入了容性退化技 术，拓展跨阻放大器的带宽。
[0038] 在跨阻放大器和差分限幅放大器之间增加一级共射级放大器，通过对其发射极并 联电阻和电容的调节，在电路中引入新的低频零点和高频极点。
[0039] 因限差分幅放大器(LA)需对信号进一步放大，但不能降低光接收机电路的整体带 宽，所以本发明实施例将经典Cherry-Hooper结构中的电阻反馈改为有源反馈，并增加一个 输出负载电阻，这不仅提高了限幅放大器的增益，而且降低了输出直流电平，避免输出端级 联射级跟随器。
[0040] 考虑到电压放大器级联会增加功耗，使带宽变窄，所以本发明实施例仅用两级差 分限幅放大器。
[0041] 其中，输出缓冲级(Buffer)用于实现光接收机芯片与50 Ω负载阻抗的匹配，本发 明实施例采用电流型逻辑电路(CML)结构的缓冲级。
[0042]综上所述，采用本发明实施例提出的改进型RGC结构的全差分跨阻放大器和改进 型Cherry-Hooper限幅放大器，可实现一种基于标准SiGe BiCMOS工艺的高速、高增益光接 收机模拟前端电路。
[0043] 实施例2
[0044] 下面结合图2、图3、图4、图5和图6对实施例1中的高速、高增益光接收机前端模拟 电路进行详细的介绍，详见下文描述：
[0045] 图2给出了差分结构调节型共射共基(RGC)跨阻放大器的一个优选实施例。该电路 主要包括:RGC放大器和替代传统尾电流源的RC网络，其作用是将光电探测器输出的微弱信 号电流放大并转换为电压信号。
[0046] 跨阻放大器中除RC网络（电阻RC与电容CC)外，电路左右完全对称相同。探测器结电 容CPd的一端与输入端、电阻R13、晶体管Τη的发射极及T12的基极相连，另一端接地；电阻R 13 的另一端接地;晶体管T12的集电极与Τη的基极和Rn的一端相连，发射极与电阻Rc的一端相 连;晶体管Τη的集电极与T 13的基极和电阻R12的一端相连；电阻RC与电容CC并联，且一端接晶 体管τ12的发射极，另一端接地;电阻Rn的一端与晶体管Τη的基极和T12的集电极相连，另一 端接电源;Ru-端与晶体管Τ?3的基极和Τη的集电极相连，另一端接电源；晶体管Τ13的集电 极接电源，发射极与电阻Rm的一端相连;电阻R 14的另一端接地。
[0047]跨阻放大器的工作原理:小信号输入电流11111±经晶体管Τη和T12转换为电压信号 并放大，再经Τ13管降低信号的直流电平后输出。
[0048]图3所示为改进型差分跨阻放大器的单边小信号等效电路。理论分析可得，电路的 输入阻抗为：
[0050] 其中，R* = Rc/(sCcRc+l)，s表示拉普拉斯变换。Gmii和GM12分别表示晶体管Τη和Τ12的 跨导。
[0051] 由于引入电阻Rc，低频时的输入阻抗Ζιη大于传统RGC结构的输入电阻，但随着频率 的增加，在简并电容C C的作用下，浐将不断减小，最终两种结构的输入阻抗达到一致。
[0052]若只考虑基极-集电极结电容Cu和基极-发射极结电容匕，忽略其它寄生参数，则电 路的单边传输函数可表示为
[0059 ] 其中，Ci = Cpd+Cw，Cf = (：π11+〇μ12，Cm和Cul2分别为晶体管Τη和T12的基-集结电容， (：π11和&α2分别为晶体管Τη和Τ12的基-射结电容， P1为输出极点，ρ2为输入极点。
[0060] 由于输出端阻抗与增益成正比，所以传统电路的输出阻抗一般比较大。本发明实 施例采用（2)式中的零点z i补偿电路的输出极点，将影响带宽的主极点转移到电路的输入 端。由于RGC结构低的输入阻抗，此时的输入极点处于高频处，因而带宽得到扩展。因为电容 Cc不影响电路的直流特性，所以可通过改变容值大小调节零点位置。
[0061] 图4给出了差分共射级电路的一个优选实施例。该差分共射级电路主要包括:共射 级放大器，以及提高电路反向隔离度的简并电阻Re和电容C E。由于级间寄生电容的影响，直 接级联的限幅放大器使电路带宽显著降低。因此，通过在晶体管T22的发射极接入并联电容 和电阻，形成电容简并结构，引入新的零点以补偿级联产生的极点，保证电路带宽。
[0062] 共射级放大器电路为全差分结构，电路左右完全对称相同。晶体管T22的基极接输 入端，集电极与Τ21的基极和电阻R21的一端相连，发射极与电阻Re和电容Ce的一端相连;晶体 管T2i的集电极接电源，发射极与电阻R22的一端即输出端相连;电阻Re与电容Ce并联，且一端 接差分结构中一个晶体管T 22的发射极，另一端接另一个晶体管T22的发射极;电阻R21的一端 与晶体管T 21的基极和T22的集电极相连，另一端接电源;电阻R22的一端与晶体管T 21的发射极 和输出端相连，另一端接地;电流源Is的一端接晶体管T22的发射极，另一端接地。
[0063] 在差分共射级放大电路中，晶体管Τ22放大信号Vin2±，电阻Re和电容Ce通过电容简 并方式提高电路的带宽，晶体管T 21降低输出电压的直流电平。由于异质结晶体管的反向隔 离度较低，若直接将TIA和LA直接相连，则不利于TIA的输入阻抗匹配，且其输出阻抗也会影 响LA输入级的性能。因此，使用共射级放大器在优化级间寄生电容的同时，也提高了电路的 反向隔离度。
[0064] 图5给出了差分限幅放大器的一个优选实施例。该结构包括一级主放大器T31和一 级带有源反馈的放大器。主放大器T 31为限幅放大器提供增益，而有源反馈放大器降低节点A 和B处的信号电阻，提高电路的极点频率。
[0065] 限幅放大器电路为全差分结构，电路左右完全对称相同。晶体管T31的基极接输入 端，集电极与晶体管T32的基极和T33的发射极相连，发射极接晶体管T35的集电极;晶体管T32 的基极与T31的集电极和T 33发射极相连，集电极接电阻R32的一端，发射极接晶体管T34的集电 极；晶体管T 33的基极接电阻R3dPR32的一端，集电极接电源，发射极与晶体管T31的集电极和 τ 32的基极相连;晶体管T34的集电极接T32的发射极，基极接直流偏置Vbias，发射极接地;晶体 管T35的集电极接T 31的发射极，基极接直流偏置Vbias，发射极接地；电阻R31的一端接电源，另 一端与晶体管T33的基极和电阻R32的一端相连;电阻R32的另一端接晶体管T32的集电极;输出 端与晶体管T32的集电极相连。
[0066]当输入信号Vin3±经过晶体管T31差分放大后，晶体管T32对其进一步放大，晶体管T 33 将晶体管Τ32放大后的信号反馈到晶体管Τ32的输入端，节点Α和节点Β间的信号电阻近乎为 零。
[0067]本发明实施例首先将Cherry-Hooper经典结构中的电阻反馈变换为有源负反馈 (晶体管T33)。这不仅提高了电路的稳定性，而且也减小了节点A和节点B间的信号电阻。其 次，在输出端和节点A间引入电阻R 32，在不影响负反馈信号的同时，提高了增益，降低了输出 端的直流电平，实现限幅放大器的直接级联。改进后的单级增益表示为 [0068] Ach = gM3i (R31+R32) (7)
[0069] 其中，gM3i为T33管的跨导。由（7)式可知，改进Cherry-Hooper放大器的增益基本与 负反馈通路无关，而引入的电阻R32则提高了增益。
[0070]图6给出了输出缓冲级(Output buffer)的一个优选实施例。缓冲级采用最常用的 电流型逻辑电路(CML)结构，保证输出端实现50 Ω阻抗匹配。
[0071 ]输出缓冲级为全差分结构，电路左右完全对称相同。晶体管T41的基极接输入端，集 电极接电阻R41的一端，发射极接晶体管T42的集电极；晶体管T42的基极接直流偏置Vbias，集 电极接T41的发射极，而发射极接地;电阻R41的一端接电源，另一端接T41的集电极;输出端从 晶体管T41的集电极引出。
[0072] 输入信号Vin4±g驱动管T41和负载电阻R41实现具有50Ω阻抗匹配的输出端信号 ν〇4±。由于异质结晶体管的跨导高，输入电阻较大，所以无需大的器件尺寸即可保证前端电 路的增益。因此，不会引入较大的寄生电容，而降低电路极点。
[0073] 综上所述，采用本发明实施例提出的改进型RGC结构的全差分跨阻放大器和改进 型Cherry-Hooper限幅放大器，可实现一种基于标准SiGe BiCMOS工艺的高速、高增益光接 收机模拟前端电路。
[0074] 实施例3
[0075] 下面结合图7对实施例1和2中的高速、高增益光接收机模拟前端电路进行可行性 验证，详见下文描述：
[0076] 图7为高速、高增益光接收机前端模拟电路的幅频曲线响应。实验过程为本领域技 术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
[0077] 仿真结果表明，电路的总跨阻增益为113dB Ω，-3dB带宽为17.2GHz，验证了该模拟 电前端路的可行性，满足了实际应用中的多种需要。
[0078] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0079] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电路，所述模拟前端电路 包括:两个结构完全对称的光电探测器、一组级联的差分限幅放大器、以及输出缓冲级，其 特征在于， 所述模拟前端电路还包括:差分结构调节型共射共基的跨阻放大器、以及一级共射级 放大器； 所述跨阻放大器包括:共射共基结构的放大器，尾电流源采用电阻和电容并联方式； 所述一级共射级放大器包括:共射级放大器，以及提高电路反向隔离度的简并电阻和 电容，并通过容性退化技术补偿低频极点； 所述差分限幅放大器，将经典Cherry-Hooper结构中的电阻反馈改为有源反馈，并增加 一个输出负载电阻，降低了输出直流电平； 所述输出缓冲级用于将输出阻抗转换为50 Ω标准阻抗，增强驱动能力。2. 根据权利要求1所述的一种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电 路，其特征在于， 所述光电探测器，用于将光纤输入的微弱光信号转换成一组相位相反的电脉冲信号。3. 根据权利要求1所述的一种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电 路，其特征在于， 所述跨阻放大器的输出端接一级射级跟随器，用于提高输出负载，降低直流电平。4. 根据权利要求1所述的一种基于调节型共射共基结构的全差分光接收机模拟前端电 路，其特征在于， 所述一级共射级放大器的输出端级联另一一级射级跟随器，降低直流电平。
【文档编号】H04B10/60GK106027159SQ201610526243
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】谢生, 吴思聪, 毛陆虹, 高谦
【申请人】天津大学