[發明專利]基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路

有效

• 申請號: 201610526243.8
• 申請日: 2016-07-06
• 公開（公告）號: CN106027159B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 謝生;吳思聰;毛陸虹;高謙
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04B10/60
• 分類號: H04B10/60
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李林娟

技術領域

本發明涉及全差分光接收機領域，尤其涉及一種改進的高增益、高速率調節型共射共基(RGC)結構的全差分光接收機模擬前端電路。

背景技術

隨著物聯網、云計算及移動互聯網等大數據載體的崛起，信息傳輸量雪崩式地增長，這使得電路板間、芯片間以及芯片內部的信息通信對帶寬提出更高的要求，也對數據中心的網絡架構形成挑戰。然而，傳統的銅互連受“電子瓶頸”的限制，難以適應超高速的數據傳輸和交換。與此相比，光互連以光子作為信息載體，具有損耗低、速度快和延遲小的優點，且可采用波分復用(WDM)技術大幅提升互連帶寬密度，有效解決互連瓶頸，因而是未來互連的必然趨勢。

光通信系統通常由光發射機、信道和光接收機三部分組成。光接收機的主要作用是把光纖傳輸的微弱光信號轉變為電信號，并經放大、均衡、定時及判決等過程，還原成與發端信源一致的數據信息。光接收機前端作為完整光接收機的重要組成部分，其性能指標直接決定著光接收機甚至整個通信系統的傳輸質量。

雖然基于標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝實現的光接收機模擬前端電路成本低、集成度高，但高頻性能較差。因此，科研人員開展相關研究改善其傳輸速率的局限。例如，采用無源電感峰化技術、并聯雙反饋及先進工藝來優化光接收機電路性能，但這會增加芯片面積和噪聲，降低增益，同時增加設計成本。

發明內容

為了克服現有技術的不足，研制性能優異的光接收機模擬前端電路。本發明基于電容簡并型RGC結構、改進型Cherry-Hooper(1963年，E.M.Cherry和D.E.Hooper首次提出的寬帶電路結構)結構限幅放大器技術，提出一種全差分結構的高速、高增益光接收機前端電路，詳見下文描述：

一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路，所述模擬前端電路包括：兩個結構完全對稱的光電探測器、一組級聯的差分限幅放大器、以及輸出緩沖級，

所述模擬前端電路還包括：差分結構調節型共射共基的跨阻放大器、以及一級共射級放大器；

所述跨阻放大器包括：共射共基結構的放大器，尾電流源采用電阻和電容并聯方式；

所述一級共射級放大器包括：共射級放大器，以及提高電路反向隔離度的簡并電阻和電容，并通過容性退化技術補償低頻極點；

所述差分限幅放大器，將經典Cherry-Hooper結構中的電阻反饋改為有源反饋，并增加一個輸出負載電阻，降低了輸出直流電平；

所述輸出緩沖級用于將輸出阻抗轉換為50Ω標準阻抗，增強驅動能力。

其中，所述光電探測器，用于將光纖輸入的微弱光信號轉換成一組相位相反的電脈沖信號。

進一步地，所述跨阻放大器的輸出端接一級射級跟隨器，用于提高輸出負載，降低直流電平。

進一步地，所述一級共射級放大器的輸出端級聯另一一級射級跟隨器，降低直流電平。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

1、在相同特征尺寸下，由于SiGe異質結晶體管(HBT)的截止頻率明顯高于MOS器件，而且異質結晶體管的噪聲性能更好，所以本發明使用異質結晶體管設計的RGC跨阻放大器的電路性能優于CMOS工藝。

2、將全差分結構跨阻放大器的尾電流源替換為電阻結構，一方面避免電流源晶體管工作在飽和區影響電路性能，另一方面也避免輸入端在高頻時可能出現的負阻態，保證反射系數S₁₁不大于零。

3、在替換傳統尾電流源的電阻兩端并聯一個電容，構成電容簡并結構，產生一個與輸入端無關的零點，補償輸出端較低的極點。

4、采用有源反饋替代傳統Cherry-Hooper結構中的電阻反饋，以拓展帶寬，同時在輸出端與反饋間增加一個電阻，以提高單級增益，使得兩級級聯的限幅放大器即可滿足整體增益要求。

綜上所述，采用本發明提出的改進型RGC結構的全差分跨阻放大器和改進型Cherry-Hooper限幅放大器，可實現一種基于標準鍺硅雙極-互補金屬氧化物半導體(SiGe BiCMOS)工藝的高速、高增益光接收機模擬前端電路。

附圖說明

圖1給出了本發明所設計的光接收機模擬前端電路的結構框圖；

圖2給出了改進型RGC結構跨阻放大器的電路原理圖；

圖3給出了改進型RGC結構跨阻放大器的單邊小信號等效電路圖；

圖4給出了共射級放大器(CE-stage)的電路原理圖；

圖5是限幅放大器(Limiting Amplifier)的電路原理圖；