謝?生，邱博文，毛陸虹，谷由之，武?懿

可控增益光電集成光接收機(jī)設(shè)計(jì)

謝?生1，邱博文1，毛陸虹2，谷由之1，武?懿1

(1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

光電集成；增益自動(dòng)控制；硅鍺雙極CMOS；光接收機(jī)

隨著無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，5G技術(shù)正逐步滲透到日常生活中，一個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代即將到來．然而，絕大多數(shù)的應(yīng)用場景都對(duì)新一代移動(dòng)通信技術(shù)提出了高速率、低延時(shí)和廣連接的要求，也為光通信及光互連領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)[1-2]．光接收機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，需實(shí)現(xiàn)光纖通路中光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，是提升通信質(zhì)量和速度的重要一環(huán)[3-6]．

傳入光接收機(jī)的信號(hào)因激光器功率、中間損耗等因素而產(chǎn)生波動(dòng)，使電路無法一直保持高質(zhì)量的信號(hào)傳輸，甚至引起電路失效[7-9]．引入自動(dòng)增益控制模塊的光接收機(jī)則可接收一定范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，并將輸出擺幅鎖定在一個(gè)小的波動(dòng)范圍內(nèi)，保障傳輸?shù)姆€(wěn)定性．光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制功能可通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)[10-11]．就模擬電路而言，目前已報(bào)道的文獻(xiàn)大多利用直流偏移消除電路的峰值檢測功能來為自動(dòng)增益控制模塊提供峰值電壓，而缺少電容放電復(fù)位的功能[12-13]．這種方式的缺點(diǎn)在于需選取十分精確的電容值使兩次采樣時(shí)間具有較大的間隔，可能嚴(yán)重影響直流偏移消除的效果，導(dǎo)致差分電路的直流電平偏移，電路直流工作點(diǎn)不穩(wěn)定，輸出眼圖抖動(dòng)嚴(yán)重．

針對(duì)上述問題，本文采用具有復(fù)位功能的自動(dòng)增益控制模塊，并選取結(jié)構(gòu)靈巧的直流偏移消除電路，在保障良好的直流偏移效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的自動(dòng)控制．同時(shí)，本文應(yīng)用改進(jìn)型Cherry-Hooper限幅放大器結(jié)構(gòu)并引入負(fù)電容補(bǔ)償技術(shù)，全方位提升光接收機(jī)的帶寬．基于IHP 0.25μm SiGe BiCMOS工藝對(duì)所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能優(yōu)化和版圖繪制，應(yīng)用IHP工藝提供的波導(dǎo)型PIN光電探測器，設(shè)計(jì)出一款增益可自動(dòng)控制的高速光電集成光接收機(jī)．

1?電路整體結(jié)構(gòu)

光接收機(jī)包含光電探測器、模擬放大電路和數(shù)字處理電路3部分．IHP工藝庫中提供了已經(jīng)商用的波導(dǎo)型PIN光電探測器[14]，其響應(yīng)度為1A/W，帶寬為60GHz．本文利用該探測器，設(shè)計(jì)了如圖1所示的光電集成光接收機(jī)．光電探測器接收光纖中的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成微弱的光電流，再經(jīng)過一級(jí)跨阻放大器(TIA)和兩級(jí)增益放大器(Amp)將光電流轉(zhuǎn)化為可供后端數(shù)字電路處理的電平信號(hào)，最后通過輸出緩沖級(jí)(Buffer)完成與后端電路的阻抗匹配．同時(shí)，本文還引入了直流偏移消除(DOC)和自動(dòng)增益控制(AGC)兩個(gè)功能模塊來保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性．直流偏移消除電路用于消除因多級(jí)級(jí)聯(lián)而造成的直流工作點(diǎn)偏移，自動(dòng)增益控制模塊用來避免過大的光電流波動(dòng)而造成的波形失真．

圖1?電路整體結(jié)構(gòu)

2?電路設(shè)計(jì)及分析

2.1?跨阻放大器

本文設(shè)計(jì)的跨阻放大器電路如圖2所示，采用差分型帶射隨器反饋的共射極放大器結(jié)構(gòu)．與單端跨阻放大器相比，可以更好地抑制共模噪聲、減小光電探測器與跨阻放大器間的寄生效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響．共射極放大器的基極輸入光電流經(jīng)過并聯(lián)分流反饋，通過反饋電阻f被饋送到射隨器共射管3的發(fā)射極，3的基極與1的集電極相接，通過這條有源反饋通路，減小了電路的輸入阻抗．同時(shí)，本設(shè)計(jì)將射隨器的基極作為輸出，與發(fā)射極作為輸出的結(jié)構(gòu)相比，可為后級(jí)電路提供更高的直流電平，保證后級(jí)電路穩(wěn)定在最佳的直流工作點(diǎn)上．

圖2?跨阻放大器電路

由于晶體管的基極-發(fā)射極電阻以及集電極-發(fā)射極電阻阻值較高，基極-集電極電容與基極發(fā)射極電容相比數(shù)量級(jí)很小，因此在小信號(hào)模型中可忽略這些參數(shù)．跨阻放大器的半邊小信號(hào)模型如圖３所示．由小信號(hào)模型分析可知，放大器的跨阻增益為

式中：in為放大器的等效輸入電容；out為放大器的等效輸出電容；m1為晶體管的跨導(dǎo)；為電阻的阻值．放大器的-3dB帶寬為

由式(1)、(2)可知，為了獲得良好的增益，可采用較大的f，但同時(shí)會(huì)帶來帶寬特性的惡化．因此，本文采用增大1跨導(dǎo)及電阻1阻值的方法優(yōu)化帶寬和增益特性，但需保證輸出端的直流電平可使后級(jí)電路工作在正常狀態(tài)下．

圖3?跨阻放大器半邊小信號(hào)模型

根據(jù)式(1)可知，跨阻放大器的低頻跨阻增益近似等于反饋電阻f的阻值．因此，可以通過控制反饋電阻f的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)跨阻放大器增益的調(diào)控．這為增益自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)帶來了便利．

圖4 跨阻放大器幅頻特性和等效輸入噪聲電流

2.2?增益放大器與直流偏移消除電路

增益放大器的作用是通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器將跨阻放大器輸出的電壓信號(hào)繼續(xù)放大，達(dá)到數(shù)據(jù)判決電路可以處理的水平．本文采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的改進(jìn)型Cherry-Hooper放大器來進(jìn)行增益放大，單級(jí)電路如圖5所示．基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為兩級(jí)級(jí)聯(lián)的共射極放大器，這種結(jié)構(gòu)的缺陷在于級(jí)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處存在一個(gè)低頻的極點(diǎn)，嚴(yán)重制約放大器的帶寬特性．而Cherry-Hooper型結(jié)構(gòu)則在兩級(jí)共射極放大器之間引入一個(gè)射極跟隨器作為反饋通路，使1、2兩個(gè)低頻極點(diǎn)形成共軛極點(diǎn)，減小級(jí)聯(lián)點(diǎn)電容效應(yīng)對(duì)帶寬的影響．為了進(jìn)一步提升帶寬，本文還引入了簡并電容L，并聯(lián)接入第2級(jí)共射放大器的輸出端，引入新的零點(diǎn)來補(bǔ)償?shù)皖l極點(diǎn).

圖5?單級(jí)增益放大器

忽略晶體管的基極-集電極電容及基極發(fā)射極電阻，改進(jìn)型Cherry-Hooper增益放大器的半邊小信號(hào)模型如圖6所示．

單級(jí)增益放大器的傳輸函數(shù)為

其中

引入簡并電容后兩級(jí)級(jí)聯(lián)的改進(jìn)型Cherry-Hooper放大器與傳統(tǒng)兩級(jí)Cherry-Hooper放大器幅頻響應(yīng)對(duì)比如圖7所示，改進(jìn)后的兩級(jí)增益放大器?-3dB帶寬為52.6GHz，電壓增益約為30dB．另外，本文對(duì)兩級(jí)增益放大器給予了不同的反饋值，將各級(jí)電路的共軛極點(diǎn)錯(cuò)開，減緩帶寬特性因級(jí)聯(lián)而造成的惡化[15]．

圖7?單級(jí)增益放大器幅頻特性

多級(jí)級(jí)聯(lián)的增益放大器存在一個(gè)缺陷，一旦某個(gè)直流工作點(diǎn)的電平發(fā)生變化，后級(jí)電路將會(huì)不斷放大這個(gè)變化，使部分晶體管改變工作狀態(tài)，導(dǎo)致波形失真，電路功能失效．為了提升電路的穩(wěn)定性，本文引入直流偏移消除電路，同時(shí)考慮到引入過多的功能結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，本文采用了如圖8所示結(jié)構(gòu)靈巧的電路．電阻DOC和電容DOC形成了一個(gè)簡單的高頻濾波器，電容上僅存儲(chǔ)直流電平，再通過MOS管反饋到第1級(jí)增益放大器的輸入端，穩(wěn)定各級(jí)的直流工作點(diǎn)．

圖8?直流偏移消除電路

2.3?自動(dòng)增益控制電路

由第2.1節(jié)對(duì)跨阻放大器的分析可知，可通過調(diào)節(jié)反饋電阻f的阻值來控制放大器增益的大小．因此，在反饋電阻的兩端并聯(lián)了一個(gè)NMOS管來調(diào)控反饋電阻的大小．正常工作狀態(tài)下，MOS管的柵極電壓小于開啟電壓，MOS管工作在截止?fàn)顟B(tài)下，電阻可視為無窮大，反饋電阻值近似等于f；當(dāng)光接收機(jī)的輸入電流劇增時(shí)，MOS管的柵極電壓達(dá)到開啟點(diǎn)，MOS管導(dǎo)通，工作在三極管區(qū)，此時(shí)反饋電阻值減小，放大器的增益也隨之降低．MOS管的柵端控制電壓由圖9所示的自動(dòng)增益控制電路提供．

圖9?自動(dòng)增益控制電路

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的模塊需要具備兩個(gè)功能：一是對(duì)峰值電壓的檢測；二是利用檢測到的峰值電壓對(duì)增益進(jìn)行自動(dòng)控制．MOS管p1、p2、n1、n2、n3構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)對(duì)來為峰值存儲(chǔ)電容充電，其中p1、p2代替電阻結(jié)構(gòu)形成有源電流鏡．當(dāng)差分輸入端存在電壓差時(shí)，差動(dòng)對(duì)會(huì)在輸出節(jié)點(diǎn)1產(chǎn)生一個(gè)電流，再由電流鏡p3、p4將該電流復(fù)制到節(jié)點(diǎn)2為電容充電，使得節(jié)點(diǎn)2保持電容存儲(chǔ)的電壓，實(shí)現(xiàn)峰值檢測功能．同時(shí)，峰值存儲(chǔ)電容兩端并聯(lián)了一個(gè)提供放電功能的MOS管n4，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2的電壓提升到一定值時(shí)，n4導(dǎo)通，使電容上存儲(chǔ)的電荷被迅速釋放，實(shí)現(xiàn)了復(fù)位功能．MOS管n5的柵端接收檢測峰值電壓，產(chǎn)生源漏電流，并由電流鏡p5、p6將該電流鏡像到o端，與電阻1、2、3產(chǎn)生輸出電壓，控制并聯(lián)在跨阻放大器反饋電阻兩端的控制管的工作狀態(tài)．其中，MOS管n6和三極管1用于擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)控制的輸入電流范圍．n6導(dǎo)通時(shí)會(huì)迅速拉低電阻支路的阻值大小，三極管1可對(duì)控制管開啟后的電阻支路進(jìn)行分流，兩種結(jié)構(gòu)都可降低輸出電壓o的值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展．

圖10、圖11分別為加入自動(dòng)增益控制電路后光接收機(jī)增益和輸出電壓擺幅隨輸入電流變化的曲線．在探測器響應(yīng)度為1A/W，且忽略耦合損耗的情況下，電路可接收功率為-15～-3dBm的光信號(hào)，經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換為30～500μA的光電流，在此輸入范圍內(nèi)，電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制功能，獲得約500mV的輸出擺幅，擺幅波動(dòng)小于10%．

圖10?增益隨輸入電流變化曲線

圖11?輸出電壓擺幅隨輸入電流變化曲線

2.4?輸出緩沖級(jí)

為了匹配后端數(shù)字電路50Ω的阻抗，同時(shí)保證模塊間的最大傳輸功率，本文采用T倍頻器結(jié)構(gòu)作為輸出緩沖級(jí)．在保證與傳統(tǒng)差分對(duì)結(jié)構(gòu)增益相同的前提下，輸入電容僅為該結(jié)構(gòu)的1/2，因此具有良好的帶寬特性．因前級(jí)放大器已提供了足夠的增益來滿足輸出擺幅的指標(biāo)，T倍頻器的增益僅1dB左右．同時(shí)，因?yàn)楣に嚨谋憷?，僅需很小的尺寸和偏置即可達(dá)到要求．

3?仿真結(jié)果

圖13?光接收機(jī)的幅頻特性和等效輸入噪聲電流

傳輸速率為40Gb/s，輸入光功率分別為-15dBm、-10dBm和-3dBm時(shí)的光接收機(jī)眼圖如圖14所示．光接收機(jī)正常工作狀態(tài)下可接收的最小光功率為-15dBm，此時(shí)眼圖質(zhì)量良好，擺幅約為505mV，因噪聲影響導(dǎo)致眼皮較厚；正常工作狀態(tài)下，光接收機(jī)接收功率為-10dBm的光信號(hào)，此時(shí)眼圖清晰方正，眼皮較薄，交叉點(diǎn)清晰、張開度良好，無明顯的欠沖與過沖，輸出擺幅約為490mV，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸；500μA是電路可以處理的極限輸入電流，此時(shí)輸出擺幅約為460mV，眼圖依舊清晰，雖出現(xiàn)了輕微的欠沖，但依然滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅鬏斎牍β氏碌难蹐D均未出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，且交叉點(diǎn)出現(xiàn)在0mV附近的位置上，證明電路的直流偏移消除效果良好，直流工作點(diǎn)穩(wěn)定，差分電路兩側(cè)未出現(xiàn)明顯的電平偏移，增益自動(dòng)控制范圍內(nèi)的傳輸信號(hào)穩(wěn)定．

圖14?眼圖

表1總結(jié)了本文設(shè)計(jì)電路的性能，并與其他已報(bào)道的BiCMOS工藝光接收機(jī)進(jìn)行了比較．由表1可見，本文設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)在綜合特性，尤其是帶寬方面表現(xiàn)出了較為顯著的優(yōu)勢．

表1?BiCMOS工藝光接收機(jī)的性能對(duì)比

Tab.1 Performance comparison of BiCMOS optical re-ceivers reported in the literature

4?結(jié)?語

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Optoelectronic Integrated Optical Receiver with Automatic Gain Control

Xie Sheng1，Qiu Bowen1，Mao Luhong2，Gu Youzhi1，Wu Yi1

(1. School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

opto-electronic integration；gain automatic control；SiGe BiCMOS；optical receiver

the National Natural Science Foundation of China(No. 61474081，No. 61774113)，Opening of National Key La-boratory of Integrated Optoelectronic(No.IOSKL2017KF07).

10.11784/tdxbz201907069

TK433

A

0493-2137(2020)08-0833-07

2019-07-25；

2020-01-06.

謝?生（1978—??），男，博士，副教授，xie_sheng06@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

邱博文，tju_qbw@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61474081，61774113)；集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(IOSKL2017KF07)．

(責(zé)任編輯：王曉燕)