一種帶自動(dòng)帶寬調(diào)整的10 Gbps跨阻放大器的研究與設(shè)計(jì)

鄭 薇，任 軍，劉 浩，尹 浩

（成都嘉納海威科有限責(zé)任公司，四川 成都610000）

0 引 言

社會(huì)的快速發(fā)展帶來(lái)了信息交換量的爆炸式增長(zhǎng)。光纖通信因?yàn)閭鬏斔俣瓤?，信道容量大，體積小，重點(diǎn)輕等優(yōu)點(diǎn)成為熱門研究方向。隨著技術(shù)的進(jìn)步，下一代接入網(wǎng)將以10 Gbps速率為主。作為關(guān)鍵部件之一的光接收機(jī)的第一級(jí)即為跨阻放大器，它與光電二極管相連，對(duì)其最重要的要求是較高的靈敏度以適應(yīng)長(zhǎng)距離通信的要求和較大的動(dòng)態(tài)范圍以適應(yīng)各種通信距離的要求。如何在保證帶寬的情況下，實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍一直是近年來(lái)跨阻放大器研究的重難點(diǎn)。本文基于65 nm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種用于10 Gbps光接入網(wǎng)的跨阻放大器芯片。

1 電路設(shè)計(jì)

本文所研究的10 Gbps跨阻放大器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要由跨阻放大器、單轉(zhuǎn)雙電路、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)、自動(dòng)增益控制電路、自動(dòng)帶寬控制電路、直流失調(diào)消除電路、帶隙基準(zhǔn)源和穩(wěn)壓電路組成。以下將對(duì)跨阻放大器核心電路，自動(dòng)帶寬控制電路及自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行詳細(xì)研究。

圖1 跨阻放大器系統(tǒng)框圖

1.1 跨阻放大器（Transimpedance Amplifier TIA）核心電路

跨阻放大器核心電路位于整個(gè)跨阻放大器的第一級(jí)，其最關(guān)鍵的指標(biāo)為－3 dB帶寬和輸入噪聲電流。本文所設(shè)計(jì)的TIA核心電路圖如圖2所示，輸入級(jí)采用共源共柵結(jié)構(gòu)。反饋電阻Rf跨接在輸入和輸出之間，在小信號(hào)情況下，輸入級(jí)增益約為Rf。負(fù)載端采用有源電感L1拓展帶寬，為了避免R1消耗過(guò)大的電壓空間，采用了一個(gè)電流抽取結(jié)構(gòu)，輸入管M1中的電流大部分從該電流抽取結(jié)構(gòu)中流走，由此可以使負(fù)載電阻R1的取值盡量大，保證輸入級(jí)的增益足夠大，從而減小了由R1引起的噪聲。

圖2 跨阻放大器核心電路示意圖

1.2 自動(dòng)增益控制電路（Auto Gain Control AGC）

TIA直接與APD相連，放大光電流。該光電流的變化范圍較大，典型值從5μA～2 mA變化，為了處理變化范圍如此寬的電流信號(hào)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益控制AGC環(huán)路對(duì)跨阻放大器核心電路中的增益進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)輸入電流達(dá)到一定量時(shí)，AGC開啟，產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)有關(guān)的控制信號(hào)Uac，將TIA核心電路的增益降低，保證電路在大信號(hào)時(shí)仍能正常工作。

AGC環(huán)路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1中自動(dòng)增益調(diào)整模塊所示。該AGC環(huán)路的原理是通過(guò)峰值檢測(cè)電路，檢測(cè)信號(hào)通路第二級(jí)單轉(zhuǎn)雙電路的輸出信號(hào)幅度，得出一個(gè)電壓；該電壓與參考電壓Uref進(jìn)行比較，通過(guò)積分器產(chǎn)生一個(gè)與輸入幅值成比例能夠連續(xù)變化的電壓Uac；將Uac用來(lái)控制TIA核心電路中與輸入管相并聯(lián)的MOS管Mf1的柵極和與Rf并聯(lián)的MOS管Mf2，在小信號(hào)情況下，AGC環(huán)路未開啟，此時(shí) Mf1、Mf2管處于亞閾區(qū)，整個(gè)TIA的增益約為跨阻Rf。大信號(hào)情況下，這兩個(gè)MOS管開啟后均工作在線性區(qū)，其導(dǎo)通電阻為

Mf1和Mf2設(shè)計(jì)為不同的尺寸，通過(guò)改變其導(dǎo)通電阻可以有效的改變TIA輸入電路的增益，使得輸入TIA在較大輸入電流下，輸出波形保持不失真。

1.3 自動(dòng)帶寬控制電路（Auto Bandwidth Control）

帶寬是跨阻放大器中極為重要的一個(gè)指標(biāo)，通常情況下，當(dāng)工作溫度變化，芯片的生產(chǎn)工藝角有偏差時(shí)，芯片的帶寬均會(huì)有明顯的變化。當(dāng)帶寬變大時(shí)，會(huì)引入更多的噪聲，從而惡化靈敏度；當(dāng)帶寬變小時(shí)，會(huì)引入更多的碼間干擾（ISI）。本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)帶寬調(diào)整電路（ABC），在芯片內(nèi)部根據(jù)各種因素引起的帶寬變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，保持帶寬的恒定。該自動(dòng)帶寬調(diào)整電路拓?fù)鋱D如圖1中自動(dòng)帶寬調(diào)整電路框圖所示。

自動(dòng)帶寬調(diào)整電路主要由三個(gè)部分組成，時(shí)鐘產(chǎn)生電路、自動(dòng)帶寬控制信號(hào)產(chǎn)生電路、TIA復(fù)制電路。其工作原理為：由時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)；該信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘整形電路后同時(shí)送入比較器和TIA復(fù)制電路中；該復(fù)制電路與TIA核心電路具有相同的結(jié)構(gòu)，在各種工藝角和溫度下，它的增益、帶寬與TIA核心電路具有相類似的變化趨勢(shì)。

時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)制電路得到一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)可以準(zhǔn)確的反映跨阻放大器電路的工藝角和溫度情況，該信號(hào)與時(shí)鐘整形信號(hào)做比較，然后送到積分器中得到一個(gè)控制電壓Ubc。該控制電壓隨工藝角、溫度的變化而變化，將該控制電壓用來(lái)控制跨阻放大器核心電路中與負(fù)載阻抗相并聯(lián)的MOS管的柵極，通過(guò)控制該MOS管的開啟程度來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整TIA核心電路的帶寬。

2 測(cè)試結(jié)果

跨阻放大器芯片采用65 nm CMOS工藝進(jìn)行加工和生產(chǎn)。將裸芯片與APD以TO－CAN的形式封裝進(jìn)行測(cè)試，實(shí)物如圖3所示，其中圖片虛線框內(nèi)的芯片即為所設(shè)計(jì)的跨阻放大器芯片。

圖3 跨阻放大器TO－CAN封裝實(shí)物圖

對(duì)輸出信號(hào)眼圖進(jìn)行了測(cè)試，如圖4所示，輸入信號(hào)為10 Gbps，231－1的偽隨機(jī)碼信號(hào)，在靈敏度和過(guò)載光功率附近，跨阻放大器芯片眼圖均張開良好，圖形較對(duì)稱，上升較快，抖動(dòng)較小。

實(shí)測(cè)的關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：工作電壓：3．3 V；工作 電 流：29 mA；－3 dB帶 寬：7．5 GHz；差 分 跨 阻：5．2 kΩ；動(dòng)態(tài)范圍：33 dB；等效輸入噪聲：850 nA。

靈敏度：－33 dBm＠ APD ER＝8．2 dB BER＝10－3PRBS＝231－1；

過(guò)載：－2 dBm ＠ APD ER＝8．2 dB BER＝10－3PRBS＝231－1。

圖4 輸出信號(hào)眼圖

3 結(jié) 論

本文采用65 nm CMOS芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種10 Gbps跨阻放大器芯片。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該芯片可達(dá)到－33 dBm的10－3碼靈敏度，0dBm過(guò)載功率，33 dB動(dòng)態(tài)范圍，5．2 kΩ跨阻增益，7．5 GHz的－3 dB帶寬，采用3．3 V單電源供電，靜態(tài)功耗為95．7 mW，完全滿足10 Gbps光通信接收機(jī)的要求。