CN113114118A - 一种超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方法。超级差分跨阻放大器结构为：将上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域下堆叠，共用偏置电流；通过直流耦合的方式将光电二极管两端分别连接到上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器输入，反相偏置了光电二极管，使光电二极管电流信号变为差分输出。通过上方、下方堆叠的差分子信号通道检测光电二极管的差分输出，得到两路差分输出经过电平移位后，最后在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。通过复用光电二极管的输出电流，使跨阻放大器的跨阻增益翻倍，输入参考噪声降低。能更好的抑制偶次谐波，拥有更好的线性度。
Description
技术领域
本发明属于光通信芯片设计技术领域，具体涉及一种超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方法。
背景技术
在光纤通信系统中，光接收机(Optical receiver)的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。为了满足愈来愈大数据流量的要求，对光接收机的传输速率、容量、功耗和灵敏度要求越来越高。在较长距离的光通信应用中，一般会采用相干光技术来提升接收机的灵敏度性能。TIA作为光通信系统的接收机前端，负责将光电二极管输入的微小的电流信号放大成电压信号，其噪声性能决定了光接收机的灵敏度。在光模块的应用中，为了更好给光器件供电，电源电压通常为3.3V，然而先进CMOS工艺芯片的电源电压相对较低，需要将3.3V的电源电压通过电压调节器转换成低电压，在这过程中造成很大的功耗浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方法，以解决现有技术中，光接收机高噪声、低灵敏度的问题。且能够使先进CMOS芯片电压与光器件电压相匹配，提高电源的利用效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超级差分跨阻放大器结构，包括光电二极管、上方差分子信号通道和下方差分子信号通道；所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域下堆叠，共用偏置电流；
光电二极管两端通过直流耦合的方式分别连接上方差分子信号通道的跨阻放大器和下方差分子信号通道的跨阻放大器，光电二极管反相偏置，使光电二极管电流信号变为差分输出；
工作状态下，通过上方差分子信号通道和下方差分子信号通道检测光电二极管的差分输出，得到两路差分输出，两路差分输出在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。
进一步的，在相干光场景下，通过上方差分子信号通道和下方差分子信号通道对前端差分光电二极管的输出电流进一步差分复用，分别放大得到两路差分输出，两路差分输出在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。
进一步的，所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道为互补式通道堆叠，共用一路偏置电流。
进一步的，所述光电二极管采用直流耦合偏置，偏置方式为：阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入。
进一步的，所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道分别放置在各自的深阱中以独立偏置各自的地电压。
进一步的，电源供电包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO系统稳定输出电流供上方差分子信号通道和下方差分子信号通道使用，辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，使上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器电源电压不变，在上方差分子信号电流、下方差分子信号电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。
本发明实施例提供的另一个技术方案是：
一种基于所述超级差分跨阻放大器结构的光电二极管连接方法，包括以下步骤：
1)、分别设计上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器工作方案，上方差分子信号通道的跨阻放大器采用带有尾电流源的NMOS输入逻辑结构，下方差分子信号通道的跨阻放大器采用带有尾电流源的PMOS输入逻辑结构；
2)、根据上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的差分输出，电平移位后在输出缓冲器级合成总的差分输出；
3)、确定光电二极管的偏置方案，光电二极管阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入；
4)、设计电源供电方案，电源供电方案采用LDO协同工作方案，包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，上方差分子信号通道和下方差分子信号通道共用主LDO系统；
5)、在上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的本地VDD和GND之间设置去耦电容，完成协同集成供电。
进一步的，步骤2)中，上方差分子信号通道和下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路和上电平移位器电路上升、降低直流电压工作点，通过推挽式全差分输出缓冲器将两路差分输出信号合成为总的一路差分输出信号。
进一步的，步骤4)中，主LDO系统稳定输出电流供上方差分子信号通道和下方差分子信号通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，使每个子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。
进一步的，步骤4)中，辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流得方式使上下两子通道的VDD和GND电压稳定。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明实施例提供的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构，将上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域下堆叠，共用偏置电流；通过直流耦合的方式将光电二极管两端分别连接到上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器输入，不仅反相偏置了光电二极管，而且使光电二极管电流信号变为差分输出。通过上方、下方堆叠的差分子信号通道检测光电二极管的差分输出，得到两路差分输出，经过电平移位后，最后在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。该结构通过复用光电二极管的输出电流，使得跨阻放大器的跨阻增益翻倍，输入参考噪声降低。
2、本发明实施例提供的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构，在相干光应用场景下，该结构通过上方、下方堆叠的差分子信号通道对前端差分光电二极管的输出电流进一步差分复用。相比传统光电二极管单端输入的跨阻放大器结构，能更好的抑制偶次谐波，拥有更好的线性度。
3、本发明实施例提供的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构，其噪声低、线性度高，可以广泛地应用于高速光通信相干光检测系统中100G/200G/400G以太网中NRZ、PAM-4模式传输的应用场景。
4、本发明实施例提供的光电二极管连接方法，跨阻放大器的设计采用带有尾电流源的NMOS输入逻辑的差分反相器结构。尾电流的存在进一步抬高上信号通道跨阻放大器的输入电压，进一步加大两信号通道之间的光电二极管的偏置电压裕度。跨阻放大器的设计采用带有尾电流源的PMOS输入逻辑的差分反相器结构。尾电流的存在进一步拉低下信号通道跨阻放大器的输入电压，进一步加大两信号通道之间的光电二极管的偏置电压裕度。
5、本发明实施例提供的光电二极管连接方法，上方、下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路和上电平移位器电路上升、降低直流电压工作点，并在最后一级合成一路差分输出。由于最后一级为输出级，摆幅最大，为缓解线性度压力，采用一种推挽式全差分输出缓冲器，直接由高电压供电。通过堆叠合适的晶体管数目，即保证了器件的工作安全，又减少了大摆幅输出对MOS管的输出端非线性调制，增加电路线性度。
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做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。
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
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为传统的单端输入并联反馈式跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；
图2为传统的交流耦合式差分输入跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；
图3为传统应用于相干光场景的差分输入跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；
图4为本发明提出的应用于传统单个光电二极管输入场景的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；
图5为本发明提出的应用于相干光、差分光电二极管输入场景的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；
图6为本发明提出的基于CMOS工艺堆叠互补式超级差分跨阻放大器中上方差分子信号通道(Up Channel)NMOS输入逻辑的TIA结构的实例示意图；
图7为本发明提出的基于CMOS工艺堆叠互补式超级差分跨阻放大器中下方差分子信号通道(Down Channel)PMOS输入逻辑的TIA结构的实例示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1，为传统单端输入并联反馈跨阻放大器结构，光电二极管连接方式为阴极接电源，阳极接TIA的输入端，以此获得足够的反相偏置电压使得光电二极管正常工作。
请参阅图2，为传统的交流耦合式差分输入跨阻放大器结构，光电二极管与跨阻放大器输入之间串联电容，采用交流耦合的方式实现信号差分输入。光电二极管阴极和阳极均通过大电感连接偏置电压。该方式具有低频截止频率过高的缺点，易引起传输信号基线漂移，影响传输信号的传输质量。
请参阅图3，为应用于相干光场景的差分跨阻放大器结构，差分光电二极管共阴极，阳极连接跨阻放大器的输入，能直接提供差分输出的电流信号。相比于传统单端输入并联反馈跨阻放大器结构，跨阻增益翻倍且等效输入参考电流噪声降低1/√2。
本发明实施例提供了一种堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方法，通过子信号通道的堆叠，不仅提高了电源的利用效率，降低了功耗；同时复用了光电二极管的输出的电流，在系统层面有效的降低了TIA前端的噪声，提高了光接收机的灵敏度。
请参阅图4，为本发明实施例提出的应用于传统单个光电二极管输入场景的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构。
将上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域(VDD)下堆叠，其中上方差分子信号通道电压域为VDDH至VDDL，下方差分子信号通道电压域为VDDL至0；光电二极管采用直流耦合偏置，偏置方式为：阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入。
通过上方、下方差分子信号通道，复用前端差分光电二极管的输出电流，使跨阻增益增加，输入参考噪声降低。上方、下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路(Down Level Shifter)和上电平移位器电路(Up Level Shifter)上升、降低直流电压工作点。最后通过推挽式全差分输出缓冲器(Push-Pull Differential OutputBuffer)将两路差分输出信号合成为总的一路差分输出信号。
推挽式全差分输出缓冲器直接由高电压供电，并通过共模反馈环路(CMFB)抑制上下电流源可能存在的失配。
请参阅图5，为本发明另一个实施例提出的应用于相干光、差分光电二极管输入场景的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构及光电二极管连接方式示意图；应用于相干光场景，通过上方、下方堆叠的差分子信号通道对前端差分光电二极管的输出电流进一步差分复用，使跨阻增益增加，输入参考噪声降低。
将上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域(VDD)下堆叠，其中上方差分子信号通道电压域为VDDH至VDDL，下方差分子信号通道电压域为VDDL至0；光电二极管采用直流耦合偏置，偏置方式为：阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入。上方、下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路和上电平移位器电路上升、降低直流电压工作点。最后通过推挽式全差分输出缓冲器将两路差分输出信号合成为总的一路差分输出信号。推挽式全差分输出缓冲器直接由高电压供电，并通过共模反馈环路抑制上下电流源可能存在的失配。
本发明的有一个实施例还提供了一种基于堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构的光电二极管连接方法，包括以下步骤：
S1、设计上方差分子信号通道TIA工作方案；
请参阅图6，为本发明应用于28nm CMOS工艺的实例中上方差分子信号通道中跨阻放大器结构示意图(VDDH＝3V,VDDL＝1.5V)，跨阻放大器的设计采用带有尾电流源的NMOS输入逻辑的差分反相器结构。尾电流的存在进一步抬高上信号通道跨阻放大器的输入电压，进一步加大两信号通道之间的光电二极管的偏置电压裕度。
S2、设计下方差分子信号通道TIA工作方案；
请参阅图7，为本发明应用于28nm CMOS工艺的实例中下方差分子信号通道(Down)的跨阻放大器结构示意图(VDDH＝3V,VDDL＝1.5V)，跨阻放大器的设计采用带有尾电流源的PMOS输入逻辑的差分反相器结构。尾电流的存在进一步拉低下信号通道跨阻放大器的输入电压，进一步加大两信号通道之间的光电二极管的偏置电压裕度。
S3、根据上方、下方差分子信号通道的差分输出，电平移位后在输出缓冲器级处合成总的差分输出；
上方、下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路和上电平移位器电路上升、降低直流电压工作点，并在最后一级合成一路差分输出。由于最后一级为输出级，摆幅最大，为缓解线性度压力，采用一种推挽式全差分输出缓冲器，直接由高电压供电。通过堆叠合适的晶体管数目，即保证了器件的工作安全，又减少了大摆幅输出对MOS管的输出端非线性调制，增加电路线性度。
S4、确定光电二极管的偏置方案；
光电二极管通过直流耦合的方式进行偏置，偏置方式为：阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入，具有足够的反向偏置电压以正常工作并使得光电二极管电流信号变为差分输出。
S5、设计电源供电方案；
电源供电方案采用LDO协同工作方案，包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，上方、下方差分子信号通道共用主LDO系统。主LDO系统稳定输出电流供上下两堆叠子通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，确保上下两子通道跨阻放大器电源电压不变，在上方、下方差分子信号电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流方式保证上下两子通道的VDD和GND电压的稳定。
S6、在上下子通道的本地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。
如下表所示：
表1四种TIA结构主要性能对比
表1对比了传统单端输入并联反馈跨阻放大器结构[1]、传统AC耦合并联反馈差分输入跨阻放大器结构[2]、传统相干场景的全差分并联反馈跨阻放大器结构[3]、本发明提出的应用于传统单个光电二极管输入场景堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构[4]和本发明提出的应用于相干光场景的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构[5]的性能。对比分析可得，本发明提出的堆叠互补式超级差分跨阻放大器结构具有极优异的噪声性能和不错的其他性能。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，包括光电二极管、上方差分子信号通道和下方差分子信号通道；所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道在电压域下堆叠，共用偏置电流；
光电二极管两端通过直流耦合的方式分别连接上方差分子信号通道的跨阻放大器和下方差分子信号通道的跨阻放大器，光电二极管反相偏置；
工作状态下，通过上方差分子信号通道和下方差分子信号通道检测光电二极管的差分输出，得到两路差分输出，两路差分输出在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。
2.根据权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，在相干光场景下，通过上方差分子信号通道和下方差分子信号通道对光电二极管的输出电流进一步差分复用，分别放大得到两路差分输出，两路差分输出在输出缓冲器级合成一路差分信号输出。
3.根据权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道为互补式通道堆叠，共用一路偏置电流。
4.根据权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，所述光电二极管采用直流耦合偏置，偏置方式为：阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入。
5.根据权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，所述上方差分子信号通道和下方差分子信号通道分别放置在各自的深阱中。
6.根据权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构，其特征在于，电源供电包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO系统稳定输出电流供上方差分子信号通道和下方差分子信号通道使用，辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，使上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器电源电压不变，在上方差分子信号电流、下方差分子信号电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。
7.一种基于权利要求1所述的超级差分跨阻放大器结构的光电二极管连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、分别设计上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的跨阻放大器工作方案：上方差分子信号通道的跨阻放大器采用带有尾电流源的NMOS输入逻辑结构，下方差分子信号通道的跨阻放大器采用带有尾电流源的PMOS输入逻辑结构；
2)、根据上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的差分输出，电平移位后在输出缓冲器级合成总的差分输出；
3)、确定光电二极管的偏置方案：光电二极管阴极接上方差分子信号通道的跨阻放大器输入，阳极接下方差分子信号通道的跨阻放大器输入；
4)、设计电源供电方案：电源供电方案采用LDO协同工作方案，包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，上方差分子信号通道和下方差分子信号通道共用主LDO系统；
5)、在上方差分子信号通道和下方差分子信号通道的本地VDD和GND之间设置去耦电容，完成协同集成供电。
8.根据权利要求7所述的光电二极管连接方法，其特征在于，步骤2)中，上方差分子信号通道和下方差分子信号通道输出的两路差分信号分别通过下电平移位电路和上电平移位器电路上升、降低直流电压工作点，通过推挽式全差分输出缓冲器将两路差分输出信号合成为总的一路差分输出信号。
9.根据权利要求7所述的光电二极管连接方法，其特征在于，步骤4)中，主LDO系统稳定输出电流供上方差分子信号通道和下方差分子信号通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，使每个子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。
10.根据权利要求7所述的光电二极管连接方法，其特征在于，步骤4)中，辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流的方式使上下两子通道的VDD和GND电压稳定。
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