[發明專利]一種基于CMOS工藝的單端轉差分跨阻放大器

在審

• 申請號: 201711029804.4
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107749744A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 毛陸虹;周高磊;謝生
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03F1/32
• 分類號: H03F1/32;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: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種放大器。特別是涉及一種應用于單端轉差分光接收機電路的基于CMOS工藝的單端轉差分跨阻放大器。

背景技術

隨著信息化的高速發展，“云計算”、“大數據”等概念逐漸從理論走向了實際應用領域，并在國計民生等方面發揮著至關重要的作用。云服務的廣泛應用所需要的爆炸性數據量對數據傳輸帶寬提出了較高的要求。傳統的電互聯數據傳輸方式在高速數據傳輸模式下存在著電磁干擾、傳輸損耗大等問題，使其難以滿足信息化背景下，高速大數據傳輸的需求。而光互聯數據傳輸方式可以在保證數據傳輸質量的同時，極大的提高數據傳輸速率，尤其是在短距離光互聯領域，例如軍事通信以及光纖到戶等，有著廣闊的發展前景，鑒于光互連技術的潛在優勢和廣闊的應用前景，高速數據傳輸領域光互聯正逐步取代電互聯成為主要的數據傳輸方式。而光接收機芯片及模塊的性能直接決定著數據傳輸的質量和速率，是光互聯系統中重要的組成模塊，因此光接收機芯片及模塊的設計與研究勢在必行。

光接收機是光纖通信系統的重要組成部分，承擔著將光信號重新轉換為電信號的作用，通常意義上講，光接收機模塊主要包括：光電探測器、跨阻放大器、限幅放大器以及輸出緩沖級。光電探測器檢測光纖輸出信號的光信號，并將光信號轉換為微弱的電流信號，一般為uA級別；跨阻放大器將電流信號轉化為電壓信號，以便后續限幅放大器的信號處理；限幅放大器將較小的電壓信號放大至后續時鐘恢復電路能夠處理的幅值；而輸出緩沖級實現傳輸線50歐姆阻抗匹配，確保輸出功率的最大化。

基于BiCMOS工藝實現的高速光互聯芯片具有帶寬較高，單片集成難度較小等優點，國內外諸多研究機構有所研究，但其高昂的價格讓相關產品很難進入應用市場，隨著半導體深亞微米時代的來臨，CMOS工藝器件尺寸不斷較小，其響應速度得到了極大的提升，因此基于CMOS工藝實現高速光互聯成為可能。同時CMOS工藝流片價格相對低廉，提升了其作為光互聯產品進入應用市場的可能性。但目前CMOS工藝高速光互聯芯片研究還存在著諸多問題，尤其是在光接收機前端電路(跨阻放大器)的設計中存在的困難尤為集中：

1、低供電電壓以及偽差分結構對輸出電壓擺幅的限制。隨著半導體制造工藝的不斷進步，器件不斷成比例減小，供電電壓也不斷降低，而mos管的閾值電壓并不會隨器件尺寸的減小而降低，這就會使得電路的輸出擺幅到極大的限制。另一方面目前常用單端結構以及偽差分結構更加劇輸出單電壓裕度的壓力。而光接收機不僅需要將光信號轉化為電信號，還應將信號放大到后續時鐘判決電路能夠處理的幅值，這就對接收機的輸出擺幅提出了一定的要求，因此解決好低供電壓與高輸出擺幅的矛盾也是本課題研究的重要內容。

2、低供電電壓對增益的限制。按照半導體器件成比例縮小的原理，隨著器件尺寸的縮小，器件的供電電壓也會不斷降低，在低供電電壓的限制下，實現能夠滿足后續時鐘恢復電路工作條件的增益也是光速CMOS光接收機設計中一個重要問題。

3、噪聲限制。為了提升光接收機的傳輸速率，目前大多數光接收機前端跨阻放大器電路多采用調節式共源共柵結構(RGC)代替傳統的共源反饋結構，RGC結構能夠降低輸入電阻，提升跨阻放大器的帶寬，但與共源反饋結構跨阻放大器相比，RGC結構引入的較大的噪聲，使光接收機誤碼率等性能下降。

總的來說目前基于CMOS工藝的光接收機前端跨阻放大器多采用單端或者偽差分結構，這種結構為后續限幅放大器提供的信號為單端或者是偽差分信號，從很大程度上限制了輸出擺幅的提升。以此同時調節共源共柵結構RGC引入的噪聲也是光接收機設計過程中不愿意看到的。因此當前光接收機前端跨阻放大器的設計主要任務是提高增益、帶寬，輸出擺幅，在提升光互聯模塊傳輸速率的同時，降低引入噪聲，進而使光接收機芯片的整體性能得到提升。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠提升光接收機整體的電源抑制比和輸出擺幅，提升跨阻放大器增益，降低噪聲的基于CMOS工藝的單端轉差分跨阻放大器。