CN107147448A - 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路 - Google Patents

一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路，所述光接收机前端电路包括：依次电连接的跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除电路、以及输出缓冲级，所述跨阻放大器的输入端加入自举电路降低探测器电容的影响；所述跨阻放大器加入噪声消除电路降低电源电流变化引起的噪声，提高灵敏度；所述限幅放大器为一组三级级联、带有负密勒电容补偿，用于将电压信号放大到数字处理单元所需电压水平；所述直流偏移消除电路使用差分有源密勒电容电路，用于消除直流偏移的影响；所述输出缓冲级采用Ft倍频器结构。本发明采用自举电路来抵消输入端电容对RGC输入级工作频带的限制，通过噪声消除电路来降低电源电流的噪声，提高电路灵敏度。

Description

一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路
技术领域
本发明涉及光通信、光互连及可见光通信系统领域，尤其涉及一种与锗硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)工艺兼容的、采用自举电路以及噪声消除技术设计的高灵敏度宽带光接收机前端电路。
背景技术
随着社会信息化程度的不断提升，以超高清视频、云计算及移动互联网为代表的宽带业务蓬勃发展，这使得人类社会对网络带宽和数据流量的需求成倍增长。为满足海量信息的传输，用于干线网络传输的超高速、超大容量光纤通信技术已取得突破性进展。然而，受工艺和成本的限制，光纤通信的“最后一公里”仍然没有得到很好地解决。因此，研制低成本、高性能的光接收机成为集成光电子领域的研究热点。
目前，现行实用的光接收机普遍采用硅基标准CMOS电路的混合集成，因而存在寄生效应大、成本高、可靠性差等问题。为了克服混合集成的上述限制，科研人员提出采用技术成熟的标准CMOS工艺实现光接收机的单片集成化，并实施了多种集成方案。
例如，毛陆虹等人对标准CMOS工艺的单片集成光接收机进行了系统研究[1]，提出了带前均衡电路的CMOS光电集成接收机、以及带宽和灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机等结构。
但是受硅材料自身的间接带隙特性和工艺结构的限制、以及探测器输入电容对整个电路的带宽和噪声特性的影响，很难实现高灵敏度的宽带光接收机。
发明内容
本发明提供了一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路，本发明采用自举电路来抵消输入端电容对RGC输入级工作频带的限制，通过噪声消除技术来降低电源电流的噪声，提高电路灵敏度，详见下文描述：
一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路，所述光接收机前端电路包括：依次电连接的跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除电路、以及输出缓冲级，
所述跨阻放大器的输入端加入自举电路降低探测器电容的影响；所述跨阻放大器加入噪声消除电路降低电源电流变化引起的噪声，提高灵敏度；
所述限幅放大器为一组三级级联、带有负密勒电容补偿，用于将电压信号放大到所需电压水平；
所述直流偏移消除电路使用差分有源密勒电容电路，用于消除直流偏移的影响；
所述输出缓冲级采用Ft倍频器结构。
所述自举电路包括：锗硅异质结双极晶体管T1、电容CC、电阻Rb，
所述锗硅异质结双极晶体管T1构成的射随器实现单位增益，所述电容CC用于隔离锗硅异质结双极晶体管T1的基极电容，所述电阻Rb对锗硅异质结双极晶体管T1的基极进行偏置。
所述噪声消除电路包括：电流源I2和锗硅异质结双极晶体管T4。
所述限幅放大器由锗硅异质结双极晶体管TL1、TL2、TL3、TL4和TL5、电阻RL1和RL2、电容C1和C2组成；
锗硅异质结双极晶体管TL4和TL5为偏置管提供偏置电流，电容C1和C2提供负密勒补偿；
射随器TL3被插入到反馈通道中，以驱动负载电容，有效降低射随器的输出阻抗；电容C1和C2交错地跨接在两级差分放大器的输出端，形成负密勒补偿。
所述差分有源密勒电容电路包括：NMOS晶体管M1和M2、电阻RD和RMA、电容CMA和锗硅异质结双极晶体管T41，
锗硅异质结双极晶体管T41是偏置管，提供偏置电流，电容CMA、电阻RD和NMOS晶体管M2构成差分有源密勒电容；
电容CMA通过NMOS晶体管M2的密勒效应进行放大，放大倍数为差分放大器的增益因子(1+gm2RD)；gm2是晶体管M2的跨导。
所述Ft倍频器结构由锗硅异质结双极晶体管T51和T52、电阻R51和电流源Iss组成。
所述光接收机前端电路的-3dB带宽达到16GHz，跨阻增益大于98dBΩ，等效输入噪声电流小于15pA/sqrt(Hz)。
所述光接收机前端电路与标准SiGe BiCMOS工艺兼容，可实现同一芯片上高性能的光接收机前端、与信号处理后端的单片集成。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、由于锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)具有比金属-氧化物场效应晶体管(MOSFET)更大的有效跨导，因而基于SiGe BiCMOS工艺可以设计出增益带宽积更高、噪声系数更低的放大电路。
2、在跨阻放大器的输入端加入自举电路结构，可以有效隔离探测器寄生电容的影响，改善整体电路的带宽以及噪声性能；同时加入噪声消除电路，有效降低电源电流变化引起的噪声，提高电路灵敏度。
3、限幅放大器采用带负密勒补偿的Cherry-Hooper结构进行三级级联，通过每级分配适当反馈，从而实现更高的带宽和更好的稳定性。
4、直流偏移消除电路中使用差分有源密勒电容来替代传统的片外大电容，不仅提高了系统集成度，而且消除了片外寄生效应，在一定程度上提高了电路性能。
5、本发明设计的光接收机前端电路与标准SiGe BiCMOS工艺兼容，可实现同一芯片上高性能的光接收机前端与信号处理后端的单片集成，从而降低成本，增强功能。
综上所述，本发明提出的光接收机具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所设计光接收机的电路结构原理图；
图2是本发明所设计的跨阻放大器的电路原理图；
图3是本发明所设计的限幅放大器的电路原理图；
图4是本发明所设计的直流偏移消除电路的电路原理图；
图5(a)是简单的差分级的电路原理图；
图5(b)是Ft倍频器的电路原理图；
图6是本发明所设计的整体电路的频率响应和输入噪声仿真图。
附图中，各部件所代表的部件列表如下：
1：跨阻放大器；
2：一组三级级联的带有负密勒电容补偿的限幅放大器；
3：差分有源密勒电容的直流偏移消除电路；
4：输出缓冲级；
11：自举电路；
12：噪声消除电路。
具体实施方式
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。
实施例1
一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路，参见图1，该宽带光接收机前端电路包括：
1、在跨阻放大器1的输入端加入自举电路11降低探测器电容对后续电路的影响；
2、在跨阻放大器1中加入噪声消除电路12，降低电源电流变化引起的噪声，提高电路的灵敏度；
3、限幅放大器2采用带有负密勒补偿的Cherry-Hooper结构，用于将跨阻放大器1输出的电压信号放大到数字处理单元所需电压水平；
4、使用差分有源密勒电容的直流偏移消除电路3，用于消除直流偏移对电路的影响；
5、为实现输出阻抗匹配和提供足够的驱动能力，输出缓冲级4采用Ft倍频器结构。
综上所述，本发明实施例采用自举电路11来抵消输入端电容对RGC输入级工作频带的限制，通过噪声消除电路12来降低电源电流的噪声，提高电路灵敏度。
实施例2
下面结合图2-图6、以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
本发明实施例提供了一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路。该接收机前端电路充分利用锗硅异质结的双极电路高速、驱动能力强和CMOS电路低功耗、高集成度的优点。本发明实施例所设计的光接收机的电路结构原理图如图1所示。光接收机前端电路包括：带自举电路和噪声消除电路的跨阻放大器1、一组三级级联的带有负密勒电容补偿的限幅放大器2、使用差分有源密勒电容的直流偏移消除电路3、以及输出缓冲级4。
图2所示为本发明实施例所述的带自举电路和噪声消除电路的跨阻放大器1的电路原理图。该跨阻放大器1的核心部分由调节型共射共基(RGC)差分拓扑构成，包括：锗硅异质结双极晶体管T2和T3，以及电阻R1、R2和R3。
其中，PD表示光电探测器二极管，CPD表示探测器寄生电容。为消除探测器寄生电容CPD的影响，本发明实施例引入了由锗硅异质结双极晶体管T1、电流源I1、电阻Rb和电容CC构成自举电路11，而锗硅异质结双极晶体管T4和电流源I2构成噪声消除电路12。跨阻放大器1的带宽主要是受输入端的总输入电容限制，而探测器寄生电容CPD是输入电容的主要部分。
传统设计多采用无源电感峰化来降低输入电容的影响，但这会占用很大的芯片面积，增加功耗和成本。另外，传统设计方法也需要根据具体的探测器寄生电容进行优化匹配。
本发明实施例采用自举电路11来消除输入电容的影响。该电路使用锗硅异质结双极晶体管T1构成的射随器实现单位增益(A＝1)，电容CC用来隔离锗硅异质结双极晶体管T1的基极电容，电阻Rb对锗硅异质结双极晶体管T1的基极进行偏置。在这样的结构下，探测器两端具有相同的交流电位，因此流过探测器寄生电容的交流电流为零，其寄生电容等效为零，故大大降低了光电探测器寄生电容对电路性能的影响。
因自举电路11需要较高的电源电压来维持正常工作，故自举电路11和调节型共射共基(RGC)差分拓扑结构采用不同的电源供电。电源电流变化产生的噪声会影响电路的灵敏度，所以在RGC差分拓扑结构中加入了噪声消除电路12。该噪声消除电路12可以检测出自举电路11和RGC差分拓扑结构的电流变化，同时产生一个等量的反向电流来补偿。通过这样的噪声消除方法，可以大大降低电源噪声，提高电路灵敏度。
图3所示为本发明实施例所述的带有负密勒电容补偿的Cherry-Hooper限幅放大器2，其采用三级全差分级联。该限幅放大器2由锗硅异质结双极晶体管TL1、TL2、TL3、TL4和TL5、电阻RL1和RL2、电容C1和C2组成。
其中，TL4和TL5为偏置管，提供偏置电流，C1和C2提供负密勒补偿。射随器TL3被插入到反馈通道中，以驱动负载电容，该反馈结构可有效降低射随器的输出阻抗。电容C1和C2交错地跨接在两级差分放大器的输出端，形成负密勒补偿。在进行三级级联时，为每一级放大器设置合适的C1和C2值，给予各级不同幅度的补偿，使得每级电路产生的固有频率和阻尼系数不完全相同，避免共轭极点对重叠。这样设计不仅能避免因完全相同的Cherry-Hooper结构级联而导致电路带宽的剧烈衰减，而且降低了限幅放大器2的频率响应尖峰，因而拓展了工作带宽。
因为光接收机前端一般由多级放大电路组成(例如，本发明实施例设计中的限幅放大器2采用三级级联)，一旦其中某级电路的直流偏置发生变化，则后级电路会将此直流偏移不断放大，整体电路极有可能进入饱和区，导致信号传输失效。针对多级电路的直流偏移，通常会在电路中增加直流偏移消除电路(DOC)。DOC电路通常需要一个大电容来实现低截止频率的滤波器。传统设计多采用片外电容，这不仅会引入大的寄生效应，而且不利于电路的单片集成。
为克服上述问题，本发明实施例利用密勒效应，使用差分有源密勒电容(DAMC)电路来实现等效大电容，如图4所示。该DOC电路由NMOS晶体管M1和M2、电阻RD和RMA、电容CMA和锗硅异质结双极晶体管T41组成。其中T41是偏置管，提供偏置电流。CMA、RD和M2构成差分有源密勒电容，CMA通过M2的密勒效应进行放大，放大倍数为差分放大器的增益因子(1+gm2RD)，故等效电容值为
Ceq＝CMA(1+gm2RD)
(1)
其中，gm2是晶体管M2的跨导。由电阻RMA和等效电容Ceq形成的低截止频率滤波器，将高频信号滤除，再通过M1管将直流电平反馈到前级电路，进而消除直流偏移。理论计算和仿真结果表明，本设计中仅需一个2pF左右的CMA电容即可实现1.1MHz带宽的低通滤波器。由此可见，利用DAMC电路可避免使用大的片外电容，同时降低片外电容引入的寄生效应。与片外大电容相比，DAMC电路可节省芯片面积，降低成本，增加可靠性。
通常，光接收机中的跨阻放大器和限幅放大器可提供近100dB的增益，所以对输出缓冲级而言，其对增益的要求不高(0dB左右即可)，但对带宽有着严格的要求。由于级联会降低带宽，故输出缓冲极的带宽应大于传输速率值。若版图面积比较富裕，可以直接使用串联电感或并联电感峰化技术。若版图面积有限，则可利用有源电感峰化技术或Ft倍频器技术。
最简单的输出缓冲级如图5(a)所示，为传统共源级差分对。此电路的小信号特性可表示为：
Vout＝gm(Vo--Vo+)R51 (2)
其中，gm表示为锗硅异质结双极晶体管T51的跨导。在放大器级联过程中，差分对的输入电容往往会恶化级联放大器的带宽。本发明实施例中的Ft倍频器则可以很好地降低这一影响，在保证相同的增益同时，可以有效扩展带宽。Ft倍频器由锗硅异质结双极晶体管T51和T52、电阻R51和电流源Iss组成，如图5(b)所示。根据叠加原理，可计算出Vout：
Vout＝gm(Vo--Vo+)R51 (3)
可以发现，Ft倍频器的电压增益与传统差分对的电压增益相同。但因Vb为交流地，而输入电容Cin为T51的基极-发射极电容Cπ1、与T52的基极-发射极电容Cπ2的串联，即Cπ1/2。因此，输入电容减半。换言之，Ft倍频器在保证总跨阻一定的情况下，可将输入电容降低一倍，进而拓展了带宽。
基于上述电路拓扑结构和IBM 0.18μm SiGe BiCMOS标准工艺，对本发明实施例所述电路的性能进行了仿真优化。图6为跨阻增益和等效噪声电流的仿真结果。由图6可见，光接收机前端电路的-3dB带宽可以达到16GHz，跨阻增益大于98dBΩ，而等效输入噪声电流小于15pA/sqrt(Hz)。
综上所述，本发明实施例提出的光接收机前端电路，采用自举电路11来屏蔽探测器输入电容的影响，拓展电路带宽，而采用噪声消除电路12提高电路的整体灵敏度；通过仿真结果表明，该光接收机前端电路结构有望用于高速光通信系统。
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。
参考文献
[1]余长亮,毛陆虹,朱浩波,等.前均衡CMOS光电集成接收机概念的提出和模拟[J].半导体学报,2007,28(6):951-957.
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。
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。

Claims (8)

1.一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路，所述光接收机前端电路包括：依次电连接的跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除电路、以及输出缓冲级，其特征在于，
所述跨阻放大器的输入端加入自举电路降低探测器电容的影响；所述跨阻放大器加入噪声消除电路降低电源电流变化引起的噪声，提高灵敏度；
所述限幅放大器为一组三级级联、带有负密勒电容补偿，用于将电压信号放大到所需电压水平；
所述直流偏移消除电路使用差分有源密勒电容电路，用于消除直流偏移的影响；
所述输出缓冲级采用Ft倍频器结构。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述自举电路包括：锗硅异质结双极晶体管T1、电容CC、电阻Rb，
所述锗硅异质结双极晶体管T1构成的射随器实现单位增益，所述电容CC用于隔离锗硅异质结双极晶体管T1的基极电容，所述电阻Rb对锗硅异质结双极晶体管T1的基极进行偏置。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述噪声消除电路包括：电流源I2和锗硅异质结双极晶体管T4。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述限幅放大器由锗硅异质结双极晶体管TL1、TL2、TL3、TL4和TL5、电阻RL1和RL2、电容C1和C2组成；
锗硅异质结双极晶体管TL4和TL5为偏置管提供偏置电流，电容C1和C2提供负密勒补偿；
射随器TL3被插入到反馈通道中，以驱动负载电容，有效降低射随器的输出阻抗；电容C1和C2交错地跨接在两级差分放大器的输出端，形成负密勒补偿。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述差分有源密勒电容电路包括：NMOS晶体管M1和M2、电阻RD和RMA、电容CMA和锗硅异质结双极晶体管T41，
锗硅异质结双极晶体管T41是偏置管，提供偏置电流，电容CMA、电阻RD和NMOS晶体管M2构成差分有源密勒电容；
电容CMA通过NMOS晶体管M2的密勒效应进行放大，放大倍数为差分放大器的增益因子(1+gm2RD)；gm2是晶体管M2的跨导。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述Ft倍频器结构由锗硅异质结双极晶体管T51和T52、电阻R51和电流源Iss组成。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述光接收机前端电路的-3dB带宽达到16GHz，跨阻增益大于98dBΩ，等效输入噪声电流小于15pA/sqrt(Hz)。
8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的高灵敏度的宽带光接收机前端电路，其特征在于，所述光接收机前端电路与标准SiGe BiCMOS工艺兼容，可实现同一芯片上高性能的光接收机前端、与信号处理后端的单片集成。
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