[發明專利]基于SiGeBiCMOS的有源反饋共射共基跨阻放大器

在審

• 申請號: 201710937100.0
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107749743A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 謝生;武懿;毛陸虹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03F1/32
• 分類號: H03F1/32;H03F1/48;H03F3/08;H03F3/45
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于光通信、光互連及可見光通信系統，涉及一種與鍺硅雙極-互補金屬氧化物半導體(SiGe BiCMOS)工藝兼容的、采用有源反饋共射共基技術的跨阻放大器。

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，信息傳輸量雪崩式增長，數據速率的快速增長將傳統的電氣連接驅動到其性能的極限。在提高帶寬，降低電磁干擾度和減小的信道損耗方面，光互連具有卓越的性能。光互連以光子作為信息載體，其比傳統電互連具有更加顯著的優點。例如，傳輸容量大、安全性高、串擾小，以及抗電磁干擾(EMI)能力強。

一個完整的光接收機系統由光電探測器(PD)、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)和判決再生電路等模塊組成。其中，光電探測器的作用是將從光纖中接收到的微弱光脈沖信號轉換為電流脈沖信號。跨阻放大器再將這個微弱的電流脈沖信號轉變為電壓脈沖信號，驅動后級電路。限幅放大器的主要作用是將跨阻放大器的輸出電壓進一步放大，方便后級電路處理。判決再生電路恢復光發射機端發送的原始數字電平信號，從而完成整個數字通信的目的。近年來，單片集成的光接收機前端電路技術越來越成熟，其基本消除了由混合集成引入的電磁噪聲干擾，最大限度地降低了外界環境噪聲以及壓焊線和壓焊盤的寄生參量，從而實現光接收機整體性能的提高。此外，由于單片集成光接收機的芯片面積大大減小，因而制備成本大幅降低。

然而，由于CMOS器件本身固有的寄生效應較大，且硅為間接帶隙半導體材料，基于標準CMOS工藝制備的光電探測器量子效率偏低，所以難以制備高速、高靈敏度的單片集成光接收機芯片。因此，與CMOS工藝兼容，且具有高跨導、驅動能力強的SiGe BiCMOS工藝逐漸走進人們的視野。與標準CMOS工藝相比，SiGe BiCMOS工藝除了可以提供更高的截止頻率，還能制備出性能更優的光電探測器，因而為高速、高靈敏度單片集成光接收機的研制提供了可能。

目前，基于SiGe BiCMOS工藝設計的跨阻放大器多采用共射級放大器、共射共基放大器以及調節型共射共基(Regulated Cascode，RGC)放大器等多種結構。共基級放大器和RGC放大器雖然具有較低的輸入阻抗，可以有效地隔離較大的輸入電容，從而拓展帶寬，但與共射級技術相比，其噪聲性能較差。另外，電感峰化技術也是一種常用的提升帶寬和降低噪聲手段，但螺旋電感的引入使版圖整體面積顯著增加，因而大幅提升制造成本，因而不適用于低成本光接收機的制備。此外，電感也會增加襯底耦合，引入更高的串擾。并聯反饋(FB)跨阻放大器是實現高帶寬和高靈敏度的常用拓撲結構之一，然而帶寬增強會導致跨阻增益和功耗之間的權衡。通常采用優化反饋電阻和輸入晶體管的參數值來使跨導最大化，進而最小化噪聲，但這是以犧牲帶寬和功耗為代價的。從電路結構看，共射共基放大器是由共射級和共基級形成的堆積結構，共射級的集電極電壓由共基級供給，所以當共射級的偏置狀態發生改變時，共基級的偏置狀態也隨之改變。與RGC結構相比，共射共基結構可以更好地弱化彌勒電容的影響，因而可以實現更寬的工作頻帶。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明在傳統共射共基跨阻放大器的基礎上，提供一種基于SiGe BiCMOS工藝的有源反饋共射共基跨阻放大器。技術方案如下：

一種基于SiGe BiCMOS的有源反饋共射共基跨阻放大器，包括電流源和電容、輔助放大器及主放大器，其特征在于，輔助放大器及主放大器均采用鍺硅異質結雙極晶體管SiGeHBT作為的共射級輸入，其中，

主放大器采用共射共基結構，將輸入的電流信號轉換為電壓信號，共基管的偏置電壓由輔助放大器的輸出端提供，最后將經過轉換、放大后的電壓信號輸出；

電流源與電容并聯提供光電流的輸出，輸出端與主放大器共射管的基級相連，另一端接地；

輔助放大器采用帶負載的共射放大器結構，其輸入端接在主放大器共射管的集電極和共基管的發射級上，信號流入輔助放大器所在支路上，經由輔助放大器共射管的進一步放大后，流回主放大器的共基管的基級上，形成有源反饋，以提高主放大器共基管的發射級和基級間的電壓。

本發明的實質性特點是：

1、采用高跨導的鍺硅異質結雙極晶體管(SiGe HBT)作為跨阻放大器的共射級輸入。由于鍺硅異質結雙極晶體管具有比金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)更大的有效跨導，因而可將輸入極點向高頻方向推移，從而有效隔離光電探測器輸入電容的影響。

2、主放大器采用共射共基結構。這種結構不僅具有較大的輸出阻抗，而且可有效地屏蔽密勒電容，提高電路整體帶寬。