CN101197625B

CN101197625B - 带宽与灵敏度均倍增的标准cmos差分光电集成接收机

Info

Publication number: CN101197625B
Application number: CN2007100603333A
Authority: CN
Inventors: 毛陆虹; 余长亮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Nantong sincere advertising media Co., Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CN101197625A

Abstract

本发明涉及一种带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，包括：与标准CMOS工艺完全兼容的四端口光检测器、全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器、输出缓冲级、偏置级，其中的四端口光探测器，包括第一和第二与标准CMOS工艺完全兼容的光电探测器，该两个光电探测器的阳极和阴极分别对应四端口光检测器的四个端口；第一光电探测器的阳极和阴极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二光电探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连。本发明的标准CMOS差分光电集成接收机的带宽和灵敏度均可达到现有的集成单一光电探测器的标准CMOS差分光接收机的两倍，可同时实现高速和高灵敏度。

Description

带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机

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、带宽和灵敏度均倍增的差分光电集成接收机。

背景技术

在高速通信系统中，光接收机性能的好坏决定了整个通信系统的质量，其设计至关重要。现行实用的光接收机均是混合集成的，即将化合物光电探测器和硅基接收机专用IC(集成电路)之间用金属线键合而成，它只适用于大量用户共享通信通道的长距离数据传输网络。而对于短距离和甚短距离高速光通信，如局域网、柜机到柜机、芯片间互连和芯片内互连等，通信通道只被几个至几十个用户所独享，此时的应用成本变得尤为重要。为有效降低短距离高速光通信的应用成本，近年来，低成本的CMOS光电集成接收机正逐渐成为学者们的研究热点问题之一。它不仅可以大大降低接收模块的器件成本和封装成本，而且可提高接收机的整体性能，减小芯片面积，降低成本，提高可靠性，并易于工业化。

由于标准CMOS光电探测器的低响应度特性及灵敏度和带宽之间的折衷限制关系，目前尚未有实用的且与标准CMOS工艺完全兼容的光电集成接收机的报道。现已报道的CMOS光接收机主要可分为两类：一类虽可满足实用要求，但光检测器与接收放大电路是混合集成的；另一类虽实现了单片CMOS集成，但其性能指标不能满足实用化要求。

本发明的在先发明的申请号为200310101069.5，该发明公开了一种与标准CMOS工艺完全兼容的硅光电探测器及制作方法，此种硅光电探测器可应用在本发明中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决CMOS光电集成接收机的灵敏度和带宽限制问题，提供一种与标准CMOS工艺完全兼容的、带宽和灵敏度均倍增的差分光电集成接收机。

为此，本发明提出如下的技术方案：

一种带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，包括：

一个与标准CMOS工艺完全兼容的四端口光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换为一对差分电流信号，所述的四端口光检测器，包括第一和第二与标准CMOS工艺完全兼容的光电探测器，该两个光电探测器的阳极和阴极分别对应四端口光检测器的四个端口；第一光电探测器的阳极和阴极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二光电探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连；

一个与标准CMOS工艺完全兼容的全差分跨阻前置放大器，其作用是将四端口光检测器输出的差分电流信号转换为差分电压信号；

一个与标准CMOS工艺完全兼容的全差分限幅放大器，其作用是将全差分跨阻前置放大器输出的差分电压信号放大到数字处理电路所需要的电压水平；

一个与标准CMOS工艺完全兼容的、差分转单端的输出缓冲级，其作用是将全差分限幅放大器输出的已达到数字电压水平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；

一个与标准CMOS工艺完全兼容的偏置级，其作用是为全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器和差分转单端的输出缓冲级提供偏置电压。

作为优选实施方案，上述的差分光电集成接收机，四端口光检测器中的两个光电探测器均为插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，两者的结构、尺寸和面积相同，位置相邻且对称。

所述四端口光检测器可以是在带深N阱的N阱CMOS工艺下制作，四端口光检测器中的两个光电探测器为插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，两者的结构、尺寸和面积相同，位置相邻，其第一光电探测器制作在P型衬底上，第二光电探测器制作在深N阱中。

所述四端口光检测器也可以是在带深N阱的双阱CMOS工艺下制作，所述的第一光电探测器为制作在P型衬底上的插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，所述的第二光电探测器为制作在深N阱中的插指状N+/Pwell/深N阱光电探测器，所述的第二光电探测器中的插指状N+注入区的形状和大小与所述的第一光电探测器中的插指状P+注入区的形状和大小完全相同；第二光电探测器中的P阱区的形状和大小与第一光电探测器中的N阱区的形状和大小完全相同。

所述全差分跨阻前置放大器包括5个NMOS晶体管、两个跨阻以及两个负载电阻，所述的5个NMOS晶体管包括一个偏置管，两个输入管和两个负载管；所述的偏置管源极接在接地端，栅极接偏置电压，其漏极与两个输入管的源极连接在一起；两个输入管的栅极分别与第一光电探测器的阳极和第二光电探测器的阴极相连，其漏极分别与两个负载管的源极相连；两个负载管的漏极与电源端相连；两个跨阻分别跨接在两个输入管的栅极和漏极之间；两个负载电阻分别跨接在两个负载管的栅极和漏极之间。

所述差分转单端的输出缓冲级包括第一至第三共三个NMOS晶体管以及第一至第四共四个PMOS晶体管，第一NMOS晶体管提供偏置电流，它的源极接接地端，栅极接偏置电压，漏极与第二和第三NMOS晶体管的源极连接在一起；第二和第三NMOS晶体管的栅极分别连接全差分限幅放大器的两个输出端，漏极分别与第一和第二PMOS晶体管的漏极相连；第一和第二PMOS晶体管的栅极连接到一起并与第一PMOS晶体管的漏极相连；第一至第四PMOS晶体管的源极均与电源端相连；第三PMOS晶体管的栅极与漏极短接到一起，并与第一PMOS晶体的漏极相连；第四PMOS晶体管的栅极与漏极短接到一起，并与第二PMOS晶体管的漏极相连。

所述差分转单端的输出缓冲级包括第一至第四共四个NMOS晶体管；第一和第二NMOS晶体管的栅极短接到一起并与第一NMOS晶体管的漏极相连，其源极均与接地端相连，其漏极分别与第三和第四NMOS晶体管的源极相连；第三和第四NMOS晶体管的栅极分别与全差分限幅放大器的两个输出端相连，其漏极均与电源端相连。

本发明具有如下突出的优点：

1、该新型标准CMOS差分光电集成接收机的带宽和灵敏度均可达到现有的集成单一光电探测器的标准CMOS差分光接收机的两倍，可同时实现高速和高灵敏度。该新型差分光电集成接收机的速率至少可达2Gbit/s；在误码率为10^-12的条件下，灵敏度至少可达-13dBm。

2、该新型差分光电集成接收机与标准CMOS工艺是完全兼容的，可实现标准CMOS光电集成接收机的实用化，并可应用于高速光通信和光互连。

3、与已报道的标准CMOS光电集成接收机相比，该新型差分光电集成接收机没有任何附加成本。

附图说明

图1是带宽和灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机的电路原理图；

图2是四端口光检测器的版图俯视结构图及其等效电路，其中，

(a)N阱CMOS工艺；

(b)N阱CMOS工艺下的四端口光检测器的等效电路；

(c)带深N阱的N阱CMOS工艺；

(d)带深N阱的N阱CMOS工艺下的四端口光检测器的等效电路；

(e)带深N阱的双阱CMOS工艺；

(f)带深N阱的双阱CMOS工艺下的四端口光检测器的等效电路；

图3是差分转单端的输出缓冲级的另一种设计方案的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

在高速光纤通信中，由于MOS管的截止频率及增益带宽积的限制，使得CMOS光接收机通常需要级联多级放大器电路来达到一定的增益和速度性能。对于由单输入、单输出放大器级联所组成的光接收机电路，由于引线的等效电感等效应使得这些光接收机电路在高频下很容易发生振荡，故通常的CMOS光接收机均采用差分放大器结构，以抑制振荡的发生。现行的光接收机均是采用一个光电探测器作为光检测器来实现光电转换功能。对于CMOS差分光接收机中的差分跨阻前置放大器来说，它的两个输入端中只有一个输入端连接有光电探测器，这造成了差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载不平衡，即两个输入端的输入电容不平衡，进而导致了这两个输入端的输入信号的带宽不相等或不平衡，从而导致了差分跨阻前置放大器的两个输出端的输出信号的带宽也不相等或不平衡，限制了差分跨阻前置放大器的带宽。为解决当前的CMOS差分光接收机的输入负载不平衡特性，提高CMOS差分光接收机的带宽，同时也提高光接收机的灵敏度，本发明设计了一种如图1所示的带宽和灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机。该光接收机共包括四个部分：一个与标准CMOS工艺完全兼容的四端口光检测器；一个与标准CMOS工艺完全兼容的全差分跨阻前置放大器；一个与标准CMOS工艺完全兼容的全差分限幅放大器；一个与标准CMOS工艺完全兼容的、差分转单端的输出缓冲级；一个与标准CMOS工艺完全兼容的偏置级。

四端口光检测器的版图俯视结构图如图2(a)、图2(c)和图2(e)所示，它们分别描述了三种不同结构的四端口光检测器。在图2(a)、图2(c)和图2(e)所示的版图俯视结构图中，版图的上半部分和下半部分分别形成了两个光电探测器，它们分别对应图1中的光电探测器D₁和D₂。其中，1为P型衬底；2为通过P+注入所形成的P+保护环；3为N阱区；4为插指状P+注入区；5为深N阱区；6为通过N+注入所形成的N+保护环；7为P阱区；8为插指状N+注入区；9为P+接触区；10为N+接触区；11为金属铝所形成的光电探测器D₁的负极，它与电源V_DD相连；13为金属铝所形成的光电探测器D₁的正极，它连接到全差分跨阻前置放大器的一个输入端；12为金属铝所形成的光电探测器D₂的正极，它与地GND相连；14为金属铝所形成的光电探测器D₂的负极，它与全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连。

图2(a)是标准的N阱CMOS工艺下的四端口光检测器的版图俯视结构图。首先，在P型衬底1上制作出上下两个面积和形状均完全相同的N阱区3；然后，在N阱区3内制作出的上下两个面积和形状都完全相同的插指状P+注入区4，同时在N阱区3外制作P+保护环2；最后，制作出P+接触区9和N+接触区10，并淀积金属铝刻蚀出电极11、12、13和14。制作完成后，上下两个面积和形状完全相同的N阱区3和插指状P+注入区4分别形成了两个光电探测器D₁和D₂。其中，电极11为光电探测器D₁的阴极，电极13为光电探测器D₁的阳极；电极12为光电探测器D₂的阳极，电极14为光电探测器D₂的阴极。同时，上下两个面积和形状完全相同的N阱区3和P型衬底1也分别形成了两个二极管D₃和D₄。图2(b)为图2(a)所示的四端口光检测器的等效电路。当光接收机电路正常工作时，由于电极11和电极12分别接V_DD和GND，且全差分跨阻前置放大器的两个输入端的直流偏置电压均近似为V_DD/2，故光电探测器D₁和D₂以及二极管D₃和D₄均处于反偏状态。当有入射光照时，在P型衬底1深处所产生的慢扩散光生载流子被二极管D₃和D₄的反偏PN结区域所吸收和屏蔽，从而克服了衬底深处的慢载流子扩散效应，大大提高了光检测器的带宽。此外，由于光电探测器D₁和D₂的面积和形状以及反偏电压都是相同的，故光电探测器的D₁和D₂的反偏工作状态是基本相同的，即光电探测器的D₁和D₂的PN结电容以及光电探测器D₁和D₂所产生的光生电流都是基本相等的。因此，距常工作状态下，全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载是基本相同的(或是平衡的)。根据全差分放大器的截止频率倍增(f₁ double)原理可知：与集成单一光电探测器的差分跨阻前置放大器相比，集成上述四端口光检测器的全差分跨阻前置放大器的带宽将被提高一倍，从而使整个差分光接收机的带宽被提高一倍。

再者，位于上半部的光电探测器D₁所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器的输入端，而位于下半部的光电探测器D₂所产生的光生电流的方向则是流出与连的全差分跨阻前置放大器的输入端，但光电探测器D₁和D₂所产生的光生电流是基本相等的，即相对于全差分跨阻前置放大器而言，光电探测器D₁和D₂所产生的光生电流恰好形成了一对大小相等、方向相反的差分输入电流信号，故全差分跨阻前置放大器的总输入电流信号是单个光电探测器所产生的光生电流的两倍，也即，与集成单一光电探测器的标准CMOS差分光电集成接收机相比，集成上述四端口光检测器的新型标准CMOS差分光电集成接收机的灵敏度将被提高一倍。

综上所述有，采用上述四端口光检测器作为光信号检测和转换器件，可使得现行的集成单一光电探测器的标准CMOS差分光电集成接收机的带宽和灵敏度均被提高一倍。

实际上，图2(a)所示的四端口光检测器所输出的并不是一对理想的差分电流信号，并且它对全差分跨阻前置放大器的两个输入端所产生的输入负载效应也是不完全平衡的。从图2(b)所示的等效电路可知，只有二极管D₃对衬底深处的慢扩散载流子起到了屏蔽作用。由于二极管D₄与光电探测器D₂在结构上是相互并联的，因而二极管D₄所吸收的慢扩散载流子仍然对输入光生电流(即输入到全差分跨阻前置放大器的输入光生电流)有贡献，即该支路的输入光生电流的带宽受到了限制，从而造成了输入到全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入光生电流的不对称。此外，二极管D₄的PN结电容和光电探测器D₂的PN结电容也是相互并联的，即二极管D₄的PN结电容是它所连接的全差分跨阻前置放大器的输入端的输入电容的一个组成部分，而二极管D₃的PN结电容则对它所连接的全差分跨阻前置放大器的输入端的输入电容没有任何贡献，这也造成全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入电容的不完全对称，从而限制了全差分跨阻前置放大器以及整个光电集成接收机的带宽。

在带深N阱结构的N阱CMOS工艺下，对图2(a)所示的四端口光检测器进行了改进后得到了图2(c)所示的四端口光检测器。与图2(a)所示的四端口光检测器的不同之处在于，在制作N阱区3之前，先制作出一个深N阱区5，使位于下半部的N阱区3制作在深N阱区5中。图2(d)为图2(c)所示的四端口光检测器的等效电路，与图2(b)所示的等效电路的不同之处在于：二极管D₄是由深N阱区5和P型衬底1来实现的；二极管D₄与二极管D₂是相互并联的；二极管D₁不是简单地与光电探测器D₂相互并联，它们的正极都直接与电极12相连，但它们的负极(即电极11和电极14)却是通过一个高阻值的电阻R₁来连接的。其中，电阻R₁是由深N阱区5形成的，它的阻值由具有深N阱区5的电阻率和形状来决定；在常规的CMOS工艺下，深N阱区5的电阻率均较高，因而电阻R₁的阻值也很高，远大于全差分跨阻前置放大器的输入电阻，故电阻R₁对与光电探测器D₂相连的全差分跨阻前置放大器的输入端的输入阻抗的影响很小，可忽略不计。当光接收机电路正常工作时，由于电极11和电极12分别接V_DD和GND，且全差分跨阻前置放大器的两个输入端的直流偏置电压均近似为V_DD/2，故光电探测器D₁和D₂以及二极管D₃和D₄均处于反偏状态。当有入射光照时，由于P型衬底1深处所产生的慢扩散光生载流子均被二极管D₃和D₄的反偏PN结区域所吸收，并且由这些慢扩散光生载流子所形成的慢扩散电流均通过电极12流入到GND中，故在P型衬底1深处产生的慢扩散载流子都被二极管D₃和D₄所屏蔽掉，对全差分跨阻前置放大器的输入光生电流没有任何贡献。此外，在交流分析中，V_DD和GND均是交流地，即二极管D₃和D₄均通过交流地被短路掉，故二极管D₃和D₄的PN结电容对全差分跨阻前置放大器的输入电容也没有任何贡献，从而实现了全差分跨阻前置放大器的两个输入负载的完全对称。再者，高阻值的电阻R₁对与光电探测器D₂相连的全差分跨阻前置放大器的输入端的输入阻抗的影响很小并可忽略不计，即全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载基本可认为是完全对称的，故图2(c)所示的四端口光检测器不仅可以输出一对理想的差分光生电流信号，而且可以实现全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载的完全对称，从而克服了图2(a)所示的四端口光检测器的缺点。

在带深N阱结构的双阱CMOS工艺下，对图2(c)所示的四端口光检测器进行适当修改后得到了图2(e)所示的四端口光检测器，它也是针对图2(a)所示的四端口光检测器所提出的一种改进型四端口光检测器。其制作流程如下：先在P型衬底1上制作出深N阱区5，再在P型衬底1上、深N阱区5外制作出N阱区3。然后，在深N阱区5内制作出面积和形状与N阱区3均完全相同的P阱区7。接着，制作出N阱区3内的插指状P+注入区4以及N阱区3外围的P+保护环2。之后，制作出P阱区7内的插指状N+注入区8以及P阱区7外围的N+保护环6。其中，插指状P+注入区4和插指状N+注入区8的面积和形状完全相同。最后，制作出P+接触区9和N+接触区10，并淀积金属铝刻蚀出电极11、12、13和14。图2(f)为图2(e)所示的四端口光检测器的等效电路，与图2(b)所示的等效电路的不同之处在于：图2(f)中所示的光电探测器D₂是由P阱区7和插指状N+注入区8来实现的；二极管D₄是由P阱区7和深N阱区5来实现的。当光接收机电路正常工作时，由于电极11和电极12分别接V_DD和GND，且全差分跨阻前置放大器的两个输入端的直流偏置电压均近似为V_DD/2，故光电探测器D₁和D₂以及二极管D₃和D₄均处于反偏状态。当有入射光照时，在P型衬底1深处以及深N阱区5所产生的慢扩散光生载流子均被二极管D₃和D₄的反偏PN结区域所吸收并完全屏蔽掉，由这些慢扩散光生载流子所形成的慢扩散电流均直接通过电极12流入到GND中，它们对全差分跨阻前置放大器的输入光生电流没有任何贡献。在交流分析中，V_DD和GND均是交流地，即二极管D₃和D₄均通过交流地被短路掉，故二极管D₃和D₄的PN结电容对全差分跨阻前置放大器的输入电容也没有任何贡献。而N阱区3和P阱区7的面积和形状是完全相同的，插指状P+注入区4和插指状N+注入区8的面积和形状也是完全相同的，且光电探测器D₁和D₂的反偏电压也是相等的，故光电探测器D₁和D₂所处的反偏状态是完全相同的，即光电探测器D₁和D₂的PN结电容和所产生的光生电流的大小都是几乎完全相等的。因而，图2(e)所示的四端口光检测器也实现了理想的差分光生电流信号对的产生和全差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载的完全对称。

由于上述四端口光检测器中的光电探测器D₁和D₂在版图上是紧挨着的，并且这两个光电探测器都在四端口光检测器的正方形受光区域内。故光电探测器D₁和D₂可直接从同一根光纤同时接收入射光信号。因而该新型标准CMOS差分光电集成接收机仍只需用一根光纤来传输光信号，不会产生任何的附加成本。

全差分跨阻前置放大器由NMOS晶体管M₀至M₄、跨阻R_f1和R_f2、电阻R₀和R₁组成。广义上讲，全差分跨阻前置放大器也可包含四端口光检测器。其中，NMOS晶体管M₀为偏置管，提供偏置电流；NMOS晶体管M₁和M₂为输入差分对管；NMOS晶体管M₃和M₄为负载管；跨阻R_f1和R_f2分别跨接在输入管M₁的栅极和漏极与输入管M₂的栅极和漏极之间；电阻R₀和R₁分别跨接在负载管M₃的栅极和漏极与负载管M₄的栅极和漏极之间。电阻R₀和负载管M₃与电阻R₀和负载管M₄分别形成了两个有源电感，用于进行频率补偿以拓展带宽。全差分跨阻前置放大器的左右两个支路的结构是完全对称的，即输入差分对管M₁和M₂的尺寸和版图形状、负载管M₃和M₄的尺寸和版图形状、跨阻的R_f1和R_f2尺寸和版图形状以及电阻R₀和R₁的尺寸和版图形状都是完全相同的，且它们在版图结构上也是完全对称的。

全差分限幅放大器共由三级全差分放大器组成。其中，第一级全差分放大器由NMOS晶体管M₅至M₉以及电阻R₂和R₃组成；第二级全差分放大器由NMOS晶体管M₁₀至M₁₄以及电阻R₄和R₅组成；第三级全差分放大器由NMOS晶体管M₁₅至M₁₉组成。NMOS晶体管M₅、M₁₀和M₁₅均为偏置管，它们分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器提供偏置电流；NMOS晶体管M₆和M₇、M₁₁和M₁₂以及M₁₆和M₁₇分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器的输入差分对管，它们的尺寸和形状都是完全相同的，在版图结构上也是完全对称的；NMOS晶体管M₈和M₉、M₁₃和M₁₄和M₁₈和M₁₉分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器的负载管，它们的尺寸和形状都是完全相同的，在版图结构上也是完全对称的；电阻R₂和R₃分别跨接在负载管M₆的栅和漏与负载管M₇的栅和漏之间，它们的尺寸和形状是完全相同的，在版图结构上也是完全对称的；电阻R₄和R₅分别跨接在负载管M₁₃的栅和漏与负载管M1₄的栅和漏之间，它们的尺寸和形状是完全相同的，在版图结构上也是完全对称的；负载管M₁₈的栅和漏与负载管M₁₉的栅和漏均短接到一起。电阻R₂和负载管M₆、电阻R₃和输入管M₇、电阻R₁和负载管M₁₃和电阻R₅和负载管M₁₄分别形成了四个有源电感，用于进行频率补偿以拓展带宽。

差分转单端的输出缓冲级由NMOS偏置管M₂₀、NMOS输入差分对管M₂₁和M₂₂、PMOS负载管M₂₃和M₂₄以及PMOS晶体管M₂₅和M₂₆所组成。其中，NMOS输入差分对管M₂₁和M₂₂的尺寸和形状、NMOS输入差分对管M₂₁和M₂₂的尺寸和形状以及PMOS晶体管M₂₅和M₂₆的尺寸和形状分别都是完全相同的，它们在版图结构上也分别是完全对称的。NMOS偏置管M₂₀的作用是提供偏置电流；PMOS负载管M₂₃的栅极和M₂₄栅极短接到一起，并与NMOS输入管M₂₁的漏极相连，形成了一个差分转单端的结构，实现了单端输出；PMOS晶体管M₂₅和M₂₆的源极以及PMOP负载管M₂₃和M₂₁的源极均V_DD相连，PMOS晶体管M₂₅的栅极与漏极短接到一起并与PMOS负载管M₂₃的漏极相连，PMOS晶体管M₂₆的栅极与漏极短接到一起并与PMOS负载管M₂₄的漏极相连，即PMOS晶体管M₂₅和M₂₆是两个以二极管形式连接的负载管，从而大大降低了差分转单端的输出缓冲级的输出电阻，大大提高了电路的带宽。

差分转单端的输出缓冲级的另一种实现方案的电路原理图如图3所示，它由NMOS输入差分对管M₂₂至M₂₃、NMOS负载管M₂₀至M₂₁组成，且NMOS输入差分对管M₂₂至M₂₃的尺寸和形状以及NMOS负载管M₂₀至M₂₁的尺寸和形状分别都是完全相同的，它们在版图结构上也分别是完全对称的。NMOS负载管M₂₀和M₂₁的栅极短接到一起，并与NMOS负载管M₂₀的漏极相连，形成了一个差分到单端的转换结构，实现了单端输出。该差分转单端的输出缓冲级的左半支路(由NMOS晶体管M₂₂和M₂₀组成)以及右半支路(由NMOS晶体管M₂₃和M₂₁组成)分别为两个源极跟随器，它不仅提供了很好的驱动能力，而且还在很大程度上降低了差分转单端的输出缓冲级的输出电阻，大大地提高了电路的带宽。

偏置级由NMOS晶体管M_b0和M_b1以及PMOS晶体管M_b2组成。NMOS晶体管M_b0的栅极和漏极、NMOS晶体管M_b1的栅极和漏极以及PMOS晶体管M_b2的栅极和漏极分别短接到一起，即NMOS晶体管M_b0和M_b1以及PMOS晶体管M_b2都是以二极管形式连接的。NMOS晶体管M_b1的漏极PMOS晶体管M_b2的漏极相连。整个光接收机电路的偏置电压由NMOS晶体管M_b0的漏极提供，即NMOS晶体管M_b0的漏极分别与全差分跨阻前置放大器的偏置管M₀的栅极、全差分限幅放大器的偏置管M₅、M₁₀和M₁₅的栅极以及差分转单端的输出缓冲级的偏置管M₂₀的栅极相连。

在Chartered 0.35μm标准CMOS工艺下，图1所示的差分光电集成接收机的带宽至少可达1.37GHz；跨阻增益可达81.9dBΩ；数据传输率至少可达2Gb/s；在误码率为10^-12条件下，灵敏度至少可达-13dBm。

Claims

1.一种带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，包括：

一个与标准CMOS工艺完全兼容的差分转单端的输出缓冲级，其作用是将全差分限幅放大器输出的已达到数字电压水平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；

一个与标准CMOS工艺完全兼容的偏置级，其作用是为全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器和差分转单端的输出缓冲级提供偏置电压；

所述全差分跨阻前置放大器包括5个NMOS晶体管、两个跨阻以及两个负载电阻，所述的5个NMOS晶体管包括一个偏置管，两个输入管和两个负载管；所述的偏置管源极接在接地端，栅极接偏置电压，其漏极与两个输入管的源极连接在一起；两个输入管的栅极分别与第一光电探测器的阳极和第二光电探测器的阴极相连，其漏极分别与两个负载管的源极相连；两个负载管的漏极与电源端相连；两个跨阻分别跨接在两个输入管的栅极和漏极之间；两个负载电阻分别跨接在两个负载管的栅极和漏极之间；

所述的全差分限幅放大器共由三级全差分放大器组成，其中，第一级全差分放大器由NMOS晶体管M₅至M₉以及电阻R₂和R₃组成；第二级全差分放大器由NMOS晶体管M₁₀至M₁₄以及电阻R₄和R₅组成；第三级全差分放大器由NMOS晶体管M₁₅至M₁₉组成；NMOS晶体管M₅、M₁₀和M₁₅均为偏置管，它们分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器提供偏置电流；NMOS晶体管M₆和M₇、M₁₁和M₁₂以及M₁₆和M₁₇分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器的输入差分对管，它们的尺寸和形状完全相同；NMOS晶体管M₈和M₉、M₁₃和M₁₄和M₁₈和M₁₉分别为第一级、第二级和第三级全差分放大器的负载管，它们的尺寸和形状完全相同；电阻R₂和R₃分别跨接在负载管M₆的栅和漏与负载管M₇的栅和漏之间，它们的尺寸和形状完全相同；电阻R₄和R₅分别跨接在负载管M₁₃的栅和漏与负载管M₁₄的栅和漏之间，它们的尺寸和形状完全；负载管M₁₈的栅和漏与负载管M₁₉的栅和漏均短接到一起；电阻R₂和负载管M₆、电阻R₃和输入管M₇、电阻R₄和负载管M₁₃和电阻R₅和负载管M₁₄分别形成四个有源电感，用于进行频率补偿以拓展带宽。

2.根据权利要求1所述的带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，其特征在于，所述的四端口光检测器中的两个光电探测器均为插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，两者的结构、尺寸和面积相同，位置相邻且对称。

3.根据权利要求1所述的带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，其特征在于，所述四端口光检测器在带深N阱的N阱CMOS工艺下制作，四端口光检测器中的两个光电探测器为插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，两者的结构、尺寸和面积相同，位置相邻，其第一光电探测器制作在P型衬底上，第二光电探测器制作在深N阱中。

4.根据权利要求1所述的带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，其特征在于，所述四端口光检测器在带深N阱的双阱CMOS工艺下制作，所述的第一光电探测器为制作在P型衬底上的插指状P+/Nwell/P型衬底光电探测器，所述的第二光电探测器为制作在深N阱中的插指状N+/Pwell/深N阱光电探测器，所述的第二光电探测器中的插指状N+注入区的形状和大小与所述的第一光电探测器中的插指状P+注入区的形状和大小完全相同；第二光电探测器中的P阱区的形状和大小与第一光电探测器中的N阱区的形状和大小完全相同，该两个光电探测器位置相邻。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，其特征在于，所述差分转单端的输出缓冲级包括第一至第三共三个NMOS晶体管以及第一至第四共四个PMOS晶体管，第一NMOS晶体管提供偏置电流，它的源极接接地端，栅极接偏置电压，漏极与第二和第三NMOS晶体管的源极连接在一起；第二和第三NMOS晶体管的栅极分别连接全差分限幅放大器的两个输出端，漏极分别与第一和第二PMOS晶体管的漏极相连；第一和第二PMOS晶体管的栅极连接到一起并与第一PMOS晶体管的漏极相连；第一至第四PMOS晶体管的源极均与电源端相连；第三PMOS晶体管的栅极与漏极短接到一起，并与第一PMOS晶体的漏极相连；第四PMOS晶体管的栅极与漏极短接到一起，并与第二PMOS晶体管的漏极相连。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机，其特征在于，所述差分转单端的输出缓冲级包括第一至第四共四个NMOS晶体管；第一和第二NMOS晶体管的栅极短接到一起并与第一NMOS晶体管的漏极相连，其源极均与接地端相连，其漏极分别与第三和第四NMOS晶体管的源极相连；第三和第四NMOS晶体管的栅极分别与全差分限幅放大器的两个输出端相连，其漏极均与电源端相连。