CN110233601A - 一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合，用于保证光电二极管的反偏电压。本发明解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

Description

一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法

技术领域

本发明属于光通信芯片设计技术领域，具体涉及一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法。

背景技术

当下，在通讯距离为几米到几千公里的高速通信中，光通信系统是其重要实现手段。光通信传输系统具有带宽高、功耗低、损耗低和几何尺寸小等优点，它是数据中心中高速传输的合理选择。但由于要大批量应用光模块，数量从百万到亿级计，所以高速光接收机的功耗和电源效率变得十分重要。与此同时，随着深亚微米CMOS技术的发展，CMOS器件速度已赶上甚至超过SiGe、InP、GaAs等传统高速器件，故现在的高速光收发机芯片设计更倾向采用深亚微米CMOS，可以实现更好的规模经济，降低成本。此外，CMOS技术可以使光接收模拟前端与CDR(Clock Data Recovery，时钟数据恢复)等后端数字电路的集成变得更加容易，降低了系统成本和复杂性。

在光模块的应用中，其电源电压通常为3.3V，目的是与传统标准兼容，并且尽可能给光器件提供较大的偏压。然而该电压与随着摩尔定律发展的先进CMOS工艺电源电压越来越小相斥，因深亚微米的CMOS器件耐压已经在1V及以下。所以，为了弥补该差距会加入LDO(Low Dropout Regulator，低压线性稳压器)进行电压转化，然而这种比较大的压差会产生较大功耗和较低的电源效率。另一方面，采用开关模式的DC-DC电源需要分立的无源器件，如电感、电容等，虽然电源效率得到提高，但将增加系统成本、面积、组件开销和复杂性。

在本发明中，我们使用多个光接收通道堆叠的方式来实现电流的重复利用和更高的电源效率，以实现低功耗电源全集成光接收机芯片。同时，在进行光接收机的光电二极管耦合时，会遇到多通道光电二极管偏压的问题。目前商用高速光电二极管的反偏电压要不低于2V，由于多通道堆叠，上层通道的参考地电压较高，下层通道的参考地电压较低，所以本发明提出了根据通道电压域高低，对不同通道进行光电二极管阴极或阳极耦合的方法，保证光电二极管的反偏电压。本次提出的新型堆叠式多通道的光接收机结构、协同全集成高效的电源方案以及光电二极管连接偏置方法，解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，从而实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法，实现了优异的电源效率、更少的器件数目、更高的集成度，降低了系统成本、复杂度。

本发明采用以下技术方案：

一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合，用于保证光电二极管的反偏电压。

具体的，光电二极管的偏置方式为：上方通道为阴极接跨阻放大器，阳极接地，下方通道为阳极接跨阻放大器，阴极接系统电源，每个接收机信号通道对应的光电二极管具有大于2V的反偏电压，每个通道对应设置直流电流检测消除环路。

具体的，每个接收机信号通道放置在各自的深井中以独立偏置不同接收机信号通道的地电压。

本发明的另一个技术方案是，一种堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，包括以下步骤：

S1、设计LDO协同工作方案；

S2、将堆叠式多通道跨阻放大器结构与设计的LDO协同工作，堆叠后使总堆叠电压与模块电压的电压差小于300mV；

S3、根据通道电压域确定光电二极管的偏置方案；

S4、在每个本地VDD和GND之间设置去耦电容提供高频电流循环路径，完成协同集成供电。

具体的，步骤S1中，LDO包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，N个接收机信号通道共用主LDO系统。

进一步的，辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流方式保证每个通道的VDD和GND电压的稳定。

具体的，步骤S2中，主LDO系统稳定输出电流供堆叠通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，确保每个通道跨阻放大器电源电压不变，在通道电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。

具体的，步骤S3中，光电二极管的反向偏置电压大于2V，当上层通道的输入电压使光电二极管反偏时，采用阴极输入的方式，阳极接地；反之采用阴极接电源电压，阳极输入。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，多通道跨阻放大器输入端通过与光电二极管连接方法，不但保证了每个光电二极管的足够偏置电压，同时避免了使用高于光模块电压的额外电源电压，降低了系统复杂度和成本，减少了分立无源器件的使用，可实现全集成芯片，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

进一步的，光电二极管偏置更好的利用了不同通道的电压域。

进一步的，多个通道进行电压域堆叠，由于每个通道的电压域不同，故每个通道放置在各自的深井中以独立偏置不同通道的电压，保证晶体管不击穿。

本发明一种堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，基于CMOS工艺的堆叠式多通道跨阻放大器及协同集成供电方案极好的保证了电流的重复利用和更高的LDO效率，保证设计出更低功耗的光接收机，因为在现有的应用光模块的数据中心，功耗和电源效率是十分重要的指标。

进一步的，多通道叠加不免有失配，为了防止失配造成每个通道的电压不稳，所以加入辅助LDO，通过推拉电流的方式稳定其中通道GND和VDD。

进一步的，光模块的应用中，其电源电压通常为3.3V，并且尽可能给光器件提供较大的偏压。深亚微米的CMOS器件耐压已经在1V及以下，所以，为了弥补该差距会加入LDO(Low Dropout Regulator，低压线性稳压器)进行电压转化，然而这种比较大的压差会产生较大功耗和较低的电源效率，堆叠使电压域不被浪费有效提高电源效率。

进一步的，因为光电二极管通常需要大于2V的反偏电压才能工作，但每一个通道自身的电压域并不能满足，要使得多个通道同时工作，则必须要对每个光电二极管单独偏置。

进一步的，VDD GND间的电容越大，局部的VDD与GND约接近理想交流地，可以更好地提供高频回流。

进一步的，每个本地VDD和GND之间必须加入去耦电容是提供高频电流循环路径。

综上所述，本发明解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为传统多通道跨阻放大器前端及其供电方法示意图；

图2为本发明提出的堆叠式多通道跨阻放大器及协同集成供电方案示意图；

图3为本发明提出的基于28nm CMOS工艺堆叠式多通道跨阻放大器前端及协同集成供电方案示意图；

图4为本发明提出的基于180nm CMOS工艺堆叠式多通道跨阻放大器前端及协同集成供电方案示意图；

图5为本发明提出的LDO协同工作的电路结构示意图；

图6为本发明实施的光电二极管新的偏置形式。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，为传统的4通道光接收机结构。通常光模块的电源为3.3V，然而高速CMOS工艺器件的VDD一般小于1V，这会导致电压域的严重不匹配，降低电源效率。为了弥补该差距会加入LDO(Low Dropout Regulator，低压线性稳压器)进行电压转化，然而这种比较大的压差会产生较大功耗。另一方面，采用开关模式的DC-DC电源需要分立的无源器件，如电感、电容等，虽然效率得到提高，但将增加系统成本、面积、组件开销和复杂性。

请参阅图2，本发明提供了一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，使用堆叠多个接收机通道来实现更高的电源效率，同时采用新型光电二极管偏置方式，

通过N个通道的堆叠，通道总堆叠电压接近系统电源电压，可以实现高效率的LDO供电，达到甚至超过开关模式的DC-DC电源，同时没有引入额外的分立器件。

通过N个通道的堆叠，可以重复使用供电电流，相对于LDO型供电方案可以降低N倍的功耗。堆叠通道越多，可以实现更高的电源效率。

通过N个通道的堆叠，会得到不同的电压域；由于每个通道的电压域不同，故每个通道放置在各自的深井中，以独立偏置各自通道的地电压。

通过N个通道的堆叠，会得到不同的电压域，接收机的输入直接连接光电二极管，具有较低输入电压的通道与光电二极管的阳极相连，阴极接系统最高电源。

通过N个通道的堆叠，上通道的光电二极管的阴极连接到通道输入端，阳极接地，同样也可提供足够的反偏电压以保证光电二极管正常工作。

本发明一种堆叠式多通道跨阻放大器结构协同集成供电方法，主LDO提供堆叠跨阻放大器所需的共用电流，辅助LDO提供由于失配或增益模式引起的电流差异，用于保证每个通道的电源电压恒定。同时，在通道电流匹配时，辅助LDO输出级关闭以提高LDO的整体效率并尽可能节省功耗，由于LDO只能在低频下提供低阻抗源，因此每个本地VDD和GND之间必须加入去耦电容是提供高频电流循环路径，包括以下步骤：

S1、设计单通道跨阻放大器：单通道跨阻放大器需满足增益带宽要求；

S2、设计LDO协同工作方案：

先进CMOS工艺仅消耗一小部分电源电压，通过堆叠可充分利用电压余量提高功率效率，通过多通道重复利用供电电流，可以实现单通道的功率减小。理想情况下每个通道各自的VDD与GND可以自我生成，但实际考虑通道的不匹配和增益模式的变化可能会导致不同的电流消耗，所以一个辅助LDO是需要的，其可以通过推拉电流的方式保证每个通道的VDD和GND电压的稳定。保证主LDO可以稳定输出较大电流，供堆叠通道使用；辅助LDO可以提供由于失配或增益模式引起的电流差异，确保每个通道跨阻放大器电源电压不变，在通道电流匹配时，辅助LDO输出级关闭以提高LDO效率并尽可能节省功耗；

S3、将多个跨阻放大器叠加并与LDO协同工作，堆叠后尽可能使总堆叠电压接近模块电压，堆叠后总堆叠电压与模块电压的电压差小于300mV，以提高主LDO效率；

S4、根据通道电压域确定光电二极管的偏置方案；

由于光电二极管是需要反向偏置电压才可以正常工作且通常反向偏置电压要大于2V，由于多通道堆叠，跨阻放大器输入端的电压域不同，所以光电二极管要根据通道的不同采用阳极输入或者阴极输入。

S5、在每个本地VDD和GND之间必须加入去耦电容提供高频电流循环路径。

采用层叠式跨阻放大器充分利用电源电压，同时尽可能使总堆叠电压接近电源电压，实现更高的电源效率。由于多通道堆叠，上层通道的参考电压域较高，下层通道的参考电压域较低，而目前商用高速光电二极管的反偏电压要求不低于2V，所以提出了根据通道电压域高低，对不同通道进行阴极或阳极耦合的方法，保证每个光电二极管的足够的反偏电压。本发明提出的新型堆叠式多通道的光接收机结构、协同全集成高效的电源方案以及光电二极管连接偏置方法，解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，从而实现了更好的电源效率和更高的集成度，同时避免了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，为本发明在28nm CMOS工艺下的实现方案。由于28nm CMOS接收机可以在0.8V的电源电压下工作，所以采用4通道叠加的方式，堆叠总电压为3.2V，与3.3V电源电压仅有0.1V压差，可实现高效率电源电压变换。每个通道的速率为25Gb/s，应用于目前主流的4×25Gb/s的100G光模块中。此图中的供电方案与堆叠的跨阻放大器配合使用，由主LDO与3个辅助LDO组成，主LDO提供3.2V电源电压和流过堆叠跨阻放大器的供电电流，三个辅助LDO负责稳定0.8V、1.6V和2.4V中间电源电压。

请参阅图4，为本发明在180nm CMOS工艺下的实现方案，由于180nm CMOS的接收机可以在1.6V的电源电压下工作，所以采用双通道叠加的方式，堆叠总电压为3.2V，与3.3V电源电压仅有0.1V压差，可实现高效率电源电压变换。每个通道的速率为10Gb/s，实现了2×10Gb/s的方案。此图中的供电方案与堆叠的跨阻放大器配合使用，由主LDO与一个辅助LDO组成，主LDO提供3.2V电源电压和流过堆叠跨阻放大器的供电电流，辅助LDO负责稳定1.6V中间电源电压。

请参阅图5，为本发明采用的协同集成供电方案的细节电路展示，包含主LDO与辅助LDO两部分。主LDO使用PMOS做为负载调节管，完成0.1V的压差转换。主LDO提供3.2V的电源电压及堆叠跨阻放大器电流。辅助LDO采用B类推挽输出级来实现中间通道VDD/GND的灌电流或者拉电流；在通道电流匹配时，输出级关闭以提高LDO效率并尽可能节省功耗。高频VDD和GND的去耦由Cdecap来提供，片上集成200pF，可提供较好的高频电流回流路径。

请参阅图6，为本发明实施的光电二极管新的偏置形式。(a)为基于4堆叠通道的偏置方式，(b)为基于2堆叠通道的偏置方式。上层通道的输入电压较高以使光电二极管反偏，故采用阴极输入的方式，阳极接地。下层通道的输入电压较低，采用阴极接电源电压，阳极输入。所有通道的光电二极管实现了不低于2V的反偏电压，满足目前主流高速商用光电二极管的偏置要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合。

2.根据权利要求1所述的堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，光电二极管的偏置方式为：上方通道为阴极接跨阻放大器，阳极接地，下方通道为阳极接跨阻放大器，阴极接系统电源，每个接收机信号通道对应的光电二极管具有大于2V的反偏电压，每个通道对应设置直流电流检测消除环路。

3.根据权利要求1所述的堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，每个接收机信号通道放置在各自的深井中以独立偏置不同接收机信号通道的地电压。

4.一种基于权利要求1所述堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计LDO协同工作方案；

S2、将堆叠式多通道跨阻放大器结构与设计的LDO协同工作，堆叠后使总堆叠电压与模块电压的电压差小于300mV；

S3、根据通道电压域确定光电二极管的偏置方案；

S4、在每个本地VDD和GND之间设置去耦电容提供高频电流循环路径，完成协同集成供电。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，LDO包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，N个接收机信号通道共用主LDO系统。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流方式保证每个通道的VDD和GND电压的稳定。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，主LDO系统稳定输出电流供堆叠通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，确保每个通道跨阻放大器电源电压不变，在通道电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3中，光电二极管的反向偏置电压大于2V，当上层通道的输入电压使光电二极管反偏时，采用阴极输入的方式，阳极接地；反之采用阴极接电源电压，阳极输入。