CN100413078C - 带前均衡电路的cmos光电集成接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，包括：光电转换器件，前均衡电路和前置放大器。均衡电路包括阻尼电阻(R1)、谐振电感(L1)和光电探测器的结电容及前置放大器的输入电容，由阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路接在前置放大器的输入端与接地端之间。阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路与所述硅光电探测器的结电容和前置放大器的输入电容相互并联构成一个并联谐振电路，本发明的光电集成接收机具有高速、高灵敏度、高带宽且与CMOS工艺兼容的特点。

Description

带前均衡电路的CMOS光电集成接收机
技术领域
本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种与标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容的高速光电集成接收机。
背景技术
光接收机通常由探测器和前置放大器组成，如果探测器和前置放大器均制作在同一个芯片上，则称为光电集成接收机。现已有与标准CMOS工艺兼容的光电集成接收机的报道，但是只有两种情况：一种是可以高速工作但是灵敏度太低，另一种是灵敏度高而只能低速工作，故与CMOS工艺兼容的光电集成接收机在高速(数百兆到数吉)光通信领域还没有进入实用阶段。现有的实用的高速光接收机均为化合物光电探测器与硅接收机专用IC之间用金属线键合(WIRE BONDING)混合集成，没有单片集成。若在光通信领域能实现与标准CMOS工艺完全兼容的光电集成接收机，则可使接收机芯片面积减小，工作速度增加，接收模块的器件成本和封装成本大大降低，并且可靠性好，与光纤耦合更容易，易于工业化。为克服现有的与标准CMOS工艺全兼容的光电集成接收机灵敏度较低的缺点，本发明拟采用带前均衡电路的高阻放大器来实现既可以高速工作，灵敏度也很高的光电集成接收机。
本发明的在先发明的申请号为200310101069.5，该发明公开了一种与CMOS工艺兼容的硅光电探测器及制作方法，此种硅光电探测器可以应用在本发明中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速、高灵敏度且与标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的光电探测器和带前均衡电路的前置放大器的光电集成接收机，其中，前置放大器采用高阻放大器。接收机的输入是光通信的光信号，输出是电压信号。光电探测器作为光接收机的检测器件，前均衡电路用来提高带宽，高阻放大器用来提高灵敏度。如采用0.18μmCMOS工艺，其速率可在1Gb/s以上。
所说的灵敏度是指光接收机检测弱光信号的能力。
所说的光电探测器是指将光信号转换为电流信号且与CMOS工艺兼容的光电转换器件。
所说的前置放大器是指将光电探测器输出的电流信号转换为数字电路需要的电压信号的CMOS集成电路。
所说的前均衡是指对前置放大器的输入端之输入信号进行频域均衡(或频率补偿)，使前置放大器在所关心的频段上呈献出所需的幅频(相频)特性曲线。
所说的CMOS光电集成接收机电路是指将光信号转换为数字电路所需要的电压信号的CMOS集成电路。
本发明的带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，包括：
一个将接收到的光信号转换成电流信号的光电转换器件，该光电转换器件是一种与标准的CMOS工艺完全兼容的硅光电探测器，其正极接前置放大器的输入端，负极接高电平。
一种与CMOS工艺兼容的前均衡电路，该均衡电路包括阻尼电阻(R1)、谐振电感(L1)和光电探测器的结电容及前置放大器的输入电容，由阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路接在前置放大器的输入端与接地端之间。阻尼电阻(R1)用于调整低频输出电压的幅值；谐振电感(L1)用于调整谐振频率。阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路与所述硅光电探测器的结电容和前置放大器的输入电容相互并联构成一个并联谐振电路，其作用是对光电探测器输出的电流信号进行频率补偿，提高接收机的带宽。
一个将前均衡电路输出的电流信号转换为数字电路所需要的电压信号的CMOS高阻抗的前置放大器，其作用是提高接收机的灵敏度。
阻尼电阻R1可采用多晶硅或MOS管制成，谐振电感L1可采用螺线形谐振电感或有源谐振电感。
前置放大器应当是一种CMOS高阻抗放大器，可由多种方法实现。本发明采用了一种主要由第一、第二、第三MOS晶体管(M1，M2，M3)构成的电路：第一MOS晶体管(M1)的漏极与第二MOS管(M2)的栅极以及上拉电阻(R2)的一端相连，并与光电探测器的正极之间通过反馈电阻相连；上拉电阻(R2)的另一端与第二，第三MOS管(M2，M3)的漏极均与高电平相连；两个电压源(V1和V2)分别为第二，第三MOS管(M2，M3)提供偏置电压。
该前均衡电路与CMOS接收机电路制作在同一单片集成电路芯片上，单片集成电路芯片采用标准CMOS工艺制作。
与现有主流技术相比，本发明具有如下突出的优点：
1、该接收机的带宽可达1GHZ以上，较现有的硅基光电集成接收机的带宽高出许多；该接收机的灵敏度较已报导的硅基光电集成接收机的灵敏度好的多；并且其与标准的CMOS工艺完全兼容。
2、单片硅光电集成接收机电路省去了后道的组装工序和组装成本，最大限度地消除了封装、引线和连线等寄生参量影响，可以实现极高的速率，稳定性也得到提高。并且减小了环境电磁干扰和噪声，增加可靠性，减小了芯片面积，体积小、成品率高、可靠性好，可以实现更为丰富的功能，与光纤耦合更容易。
3、该接收机使用的元件数目少。使用前均衡放大器可以减少元件的数目，利用探测器本身的结电容构成前均衡电路还可以减少用于均衡的元件数目。
附图说明
图1是光电探测器与标准CMOS工艺兼容的结构剖面图；
图2是本发明的硅光电集成接收机的前均衡电路原理图。
具体实施方式
本发明是通过以下方法来实现的：图1是光电探测器与标准CMOS工艺兼容的结构剖面图，图2是本发明的硅光电集成接收机的前均衡电路原理图。下面结合图1和图2进行详细阐述：
图1所示的光电探测器的工艺流程如下：首先在P型半导体衬底1上做深N阱2，然后在深N阱2中和P型衬底上同时制作两个P阱3和12，深N阱2和P阱3用来制作叉指光电探测器，P阱12中做N型MOS管。再在P型衬底上制作N阱13，其中制作P型MOS管。然后淀积多晶硅层，通过光刻、腐蚀制作NMOS管和PMOS管的栅极14和15。
叉指状P+扩散区4、P+型保护环(Guard ring)6、NMOS管中的P+扩散区18以及PMOS中的P+扩散区19和20是同时制备的，N+扩散区5、NMOS管中的N+扩散区16和17以及PMOS管中的N+扩散区21是同时制备的。
此后，制作光电探测器和CMOS的各个电极，其中NMOS管的源极17和P阱12的P+接触区18、PMOS管的源极20和N阱13的N+接触区21通过铝线连接在一起，两个栅极14和15作为输入端，两个漏极16和19作为输出端。图1中的右边即为标准的CMOS结构。图1中，叉指状P+扩散区4上引出的电极9为光电探测器的正极，深N阱2中的N+扩散区引出的电极10为光电探测器的负极，P+保护环上引出电极11。电极做成叉指状的目的是为了增加光照面积，提高光响应度。制作完各电极后，腐蚀掉深N阱2上面的SiO2层6和钝化层22。
该光电探测器正极接高电平Vdd，负极接前置放大器的输入端口。工作时，其处于反偏状态，形成PN结耗尽区。当有光照时耗尽区内将产生大量的光生载流子，光生载流子通过扩散、漂移被电极收集。P+保护环6的电极11接地，其与深N阱2形成的PN结处于反偏状态，屏蔽掉了衬底深处产生的光生载流子的扩散，提高光电探测器的速度。
对于通常的光电放大器很难同时获得较高灵敏度和较大的带宽，若对高阻放大器外加一个前均衡器则可获得较高灵敏度和较大带宽的硅光电集成接收机。一个硅光电集成接收机的前均衡电路原理图如图2所示。光电探测器Pd作为光电转换器件。阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路与硅光电探测器的结电容及CMOS接收机电路的前置放大器的输入电容相互并联构成一个并联谐振回路。利用该并联谐振回路形成的谐振峰可提高前置放大器的带宽。
为实现高速、高灵敏度且与标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容的高速光接收机，本发明采用带前均衡器的高阻前置放大器：对前置放大器加一前均衡器实现高速，同时前置放大器采用高阻放大器实现高灵敏度。通常，也可采用加后均衡器的高阻放大器电路来实现高速和高灵敏度，但加后均衡器的高阻放大器电路过于复杂，使设计复杂度增加，并且如果高端的频率损失过大，则经高阻放大器放大后的信号电平可能在噪声以下，使高端信号无法恢复。而前均衡则是在电路的前端补偿，可使信号在没有低到噪声以下就被补偿过来，克服了加后均衡器的高阻放大器的高端信号无法恢复的缺点。
该前均衡电路与标准的CMOS工艺完全兼容，阻尼电阻R1主要作用是调整低频输出电压的幅值；谐振电感L1作用是调整谐振频率；用于并联谐振的电容是光电探测器的结电容和前置放大器的输入电容。其中，电阻R1可由多晶硅或MOS管制成，谐振电感L1采用螺线形谐振电感或有源谐振电感，均与标准的CMOS工艺完全兼容。该电路提高光接收机带宽的方法是利用MOS管的寄生电容及硅光电探测器的结电容和外加电阻、谐振电感相互并联形成的并联谐振回路来提高接收机的带宽。该并联谐振回路的主要结构如下：由硅光电探测器的结电容和阻尼电阻R1、谐振电感L1组成。
电阻R1的一端口2接前置放大器的输入端口，另一端口接谐振电感L1的端口6，谐振电感L1的另一端口接公共接地端7。由小信号等效电路可知：阻尼电阻R1及谐振电感L1组成的串联电路与光接收机中前置放大器的输入电容、光接收机中前置放大器的输入电阻、光电探测器的结电容相互并联，组成一个并联谐振回路。当给该并联谐振回路外加交流电流信号源时，在该并联谐振回路的输出电压信号(即输入到前置放大器的电压信号)的频率响应曲线图中将出现谐振峰，利用该谐振峰可提高前置放大器的输入信号的带宽，继而提高前置放大器和光接收机的带宽。
MOS晶体管M1的漏极与MOS晶体管M2的栅极及电阻R2的一端口3相连，MOS晶体管M2的源极与MOS晶体管M3的栅极相连，电阻R2的另一端口1与MOS晶体管M2及M3的漏极均与高电平Vdd相连；电压源V1的端口4接MOS晶体管M2的源极，电压源V2的端口5接MOS晶体管M3的源极；MOS晶体管M1的源极和电压源V1及V2的另一端口均接公共接地端7；电压源V1及V2的作用是提供MOS晶体管M2及M3所需的偏置电压。
MOS晶体管M1、M2、M3，电阻R2、Rf及电压源V1、V2构成一个跨阻前置放大器，其将光电转换器件输出的电流信号转换成电压，并获得较低的噪声和较宽的带宽。其中，输出信号经MOS晶体管M3的源极输出。电阻Rf跨接在MOS晶体管M1的栅极与漏极之间。Rf采用较大的电阻值，即使MOS晶体管M1具有较大的输入电阻，可实现高阻前置放大器。

Claims (5)

1. 一种带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，包括：
一个硅光电探测器，其作用是将接收到的光信号转换成电流信号；
一个前均衡电路，其作用是对光电探测器输出的电流信号进行频率补偿，提高接收机的带宽；
一个将前均衡电路输出的电流信号转换为数字电路所需要的电压信号的高阻抗的前置放大器，其作用是提高接收机的灵敏度；其特征在于：
所述硅光电探测器与标准的CMOS工艺完全兼容，该硅光电探测器的正极接前置放大器的输入端，负极接高电平；
所述前均衡电路是一种与CMOS工艺兼容的电路，包括阻尼电阻(R1)、谐振电感(L1)和光电探测器的结电容及前置放大器的输入电容，由阻尼电阻(R1)和谐振电感(L1)构成的串联电路接在前置放大器的输入端与接地端之间，阻尼电阻(R1)用于调整低频输出电压的幅值；谐振电感(L1)用于调整谐振频率；上述的串联电路与所述硅光电探测器的结电容和前置放大器的输入电容相互并联构成并联谐振电路；
所述前置放大器是一种CMOS高阻放大器。
2. 根据权利要求1所述的带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，其特征在于，所述阻尼电阻(R1)由多晶硅或MOS管制成。
3. 根据权利要求1所述的带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，其特征在于，所述谐振电感(L1)为螺线形谐振电感或有源谐振电感。
4. 根据权利要求1所述的带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，其特征在于，所述前置放大器包括第一、第二、第三MOS晶体管(M1，M2，M3)，第一MOS晶体管(M1)的漏极与第二MOS管(M2)的栅极以及上拉电阻(R2)的一端相连，并与光电探测器的正极之间通过反馈电阻(Rf)相连；上拉电阻(R2)的另一端与第二，第三MOS管(M2，M3)的漏极均与高电平相连；两个电压源(V1和V2)分别为第二，第三MOS管(M2，M3)提供偏置电压。
5. 根据权利要求1所述的带前均衡电路的CMOS光电集成接收机，其特征在于，该前均衡电路与CMOS接收机电路制作在同一单片集成电路芯片上，所说的单片集成电路芯片采用标准CMOS工艺制作。
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