交叉耦合結(jié)構(gòu)的高速cmos單片集成光接收機(jī)前端電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光纖通信系統(tǒng)以及光互連領(lǐng)域，尤其涉及一種交叉耦合結(jié)構(gòu)的高 速CMOS單片集成光接收機(jī)前端電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)信息的需求量持續(xù)增加。由于光 纖通信具有高速、大容量等優(yōu)點(diǎn)，故在干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于用戶(hù)終端而言， 受光電集成芯片的成本限制，光纖到戶(hù)的"最后一公里"難以持續(xù)推進(jìn)。因此，研制低成本、 高性能的光電集成芯片成為集成光電子領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003] 光纖通信系統(tǒng)通常由光發(fā)射機(jī)、光纖信道和光接收機(jī)三部分組成。光接收機(jī)的主 要作用是把光纖傳輸來(lái)的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)放大、均衡、定時(shí)及判決等過(guò)程， 還原成與發(fā)端信源一致的數(shù)據(jù)信息。光接收機(jī)前端作為完整光接收機(jī)的重要組成部分，其 性能指標(biāo)直接決定著光接收機(jī)甚至整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。為了克服現(xiàn)行混合集成或混 合封裝光接收機(jī)的成本高、可靠性差等不利因素，科研人員對(duì)硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的單片集 成光接收機(jī)進(jìn)行了大量的研宄。
[0004] 目前，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS的單片光接收機(jī)前端電路可分為兩種類(lèi)型：高帶寬光接收機(jī) 和低噪聲光接收機(jī)。在高帶寬前端電路中，一般依靠減小輸入阻抗和采用帶寬補(bǔ)償技術(shù)來(lái) 拓展帶寬。減小輸入阻抗的方式通常采用調(diào)節(jié)輸入點(diǎn)的晶體管尺寸或者引入反饋結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí) 現(xiàn)，但這是以犧牲電路噪聲性能為代價(jià)的。低噪聲前端電路經(jīng)常采用高輸入阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯 然這也會(huì)犧牲帶寬。此外，也有采用噪聲抵消結(jié)構(gòu)或引入均衡器的例子，但這些措施仍然不 能很好地解決帶寬與噪聲之間的折衷。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型提供了一種交叉耦合結(jié)構(gòu)的高速CMOS單片集成光接收機(jī)前端電路， 本實(shí)用新型基于交叉耦合、噪聲同相抵消及并聯(lián)式有源電感等技術(shù)，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足， 研制出低成本、高性能、功能豐富的單片集成光接收機(jī)，詳見(jiàn)下文描述：
[0006] -種交叉耦合結(jié)構(gòu)的高速CMOS單片集成光接收機(jī)前端電路，包括：結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng) 的光電探測(cè)器、差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器、直流偏移消除單元、三級(jí)順序級(jí)聯(lián)的差分限幅放大 器、輸出緩沖級(jí)；
[0007] 其中，一個(gè)探測(cè)器用于將光纖輸入的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，另一個(gè)探測(cè) 器用于維持差分輸入電路的負(fù)載平衡，增加接收機(jī)帶寬；
[0008] 所述差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器，用于將光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信 號(hào)，并進(jìn)行初步放大；
[0009] 所述直流偏移消除單元，用于消除跨阻放大器輸入端非平衡信號(hào)引入的直流偏 移，使跨阻放大器差分輸出端共模電平一致；
[0010] 所述三級(jí)順序級(jí)聯(lián)的差分限幅放大器，用于將跨阻放大器輸出的電壓信號(hào)放大到 數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0011] 所述輸出緩沖級(jí)，用于將差分限幅放大器輸出的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出的 電壓信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)能力。
[0012] 所述差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器為：
[0013] 在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)型共源共柵電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將單級(jí)共源級(jí)電路改為兩級(jí)共源級(jí)電 路級(jí)聯(lián)，并使用交叉耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)建所述差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器。
[0014] 兩級(jí)共源級(jí)電路分別為第一級(jí)共源級(jí)電路和第二級(jí)共源級(jí)電路；
[0015] 在所述第一級(jí)共源級(jí)電路的輸出端與對(duì)應(yīng)跨阻放大器輸出端之間連接耦合電容。
[0016] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案的有益效果是：與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CMOS單片集成光接收 機(jī)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1、在跨阻放大器電路中，將調(diào)節(jié)型共源共柵（RGC)結(jié)構(gòu)的共源級(jí)結(jié)構(gòu)改為兩級(jí)級(jí) 聯(lián)，提升了RGC電路共柵極MOS管柵極與源極之間反相放大器的增益，增大了共柵極MOS管 的等效跨導(dǎo)，因而降低了輸入阻抗，增大了輸出阻抗，同時(shí)拓展了跨阻放大器的帶寬，提高 了電路反響隔離度以及加強(qiáng)了RGC結(jié)構(gòu)的自調(diào)節(jié)功能。
[0018] 2、采用噪聲同相抵消技術(shù)，消除了第一級(jí)共源級(jí)電路的部分噪聲，從而有效降低 電路總噪聲，提高了光接收機(jī)的靈敏度。
[0019] 3、采用并聯(lián)式有源電感設(shè)計(jì)技術(shù)，打破常規(guī)有源電感值對(duì)零點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)了阻 值恒定，零點(diǎn)可調(diào)的功能，因此，可以獲得最佳的頻率補(bǔ)償效果。
[0020] 4、使用直流偏移消除單元，保證跨阻放大器的差分輸出端共模電平一致，限幅放 大器僅為三級(jí)，有效地抑制了整體電路帶寬的下降。
[0021] 綜上所述，通過(guò)采用本實(shí)用新型提出的交叉耦合結(jié)構(gòu)、噪聲同相抵消技術(shù)和并聯(lián) 式有源電感設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高速、高靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)CMOS單片集成光接收機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1給出了本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)光接收機(jī)前端電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0023] 圖2給出了差分交叉耦合結(jié)構(gòu)的RGC跨阻放大器的電路原理圖；
[0024] 圖3給出了傳統(tǒng)折疊式有源電感的原理圖（a)和等效電路圖（b);
[0025] 圖4給出了直流偏移消除單元（DCOffsetDismissUnit)的電路原理圖；
[0026] 圖5是限幅放大器（LA)電路原理圖；
[0027] 圖6是輸出緩沖級(jí)（Buffer)電路原理圖。
[0028] 1:第一光電探測(cè)器； 2:第二光電探測(cè)器；
[0029] 3 :差分交叉耦合結(jié)構(gòu)的跨阻放大器；4 :直流偏移消除單元；
[0030] 5:差分限幅放大器； 6:輸出緩沖級(jí)。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式 作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0032] 參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型提出的交叉耦合結(jié)構(gòu)的高速CMOS單片集成光接收機(jī)前端電 路包括：
[0033] 兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的光電探測(cè)器，其中，第一光電探測(cè)器1是將光纖輸入的微弱 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，第二光電探測(cè)器2用于維持差分輸入電路的負(fù)載平衡，增加接 收機(jī)帶寬；
[0034] -個(gè)差分交叉耦合結(jié)構(gòu)的跨阻放大器3,其作用是把光電探測(cè)器（第一光電探測(cè) 器1和第二光電探測(cè)器2)輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并進(jìn)行初步放大；
[0035] -個(gè)直流偏移消除單元4,其作用是消除跨阻放大器3輸入端非平衡信號(hào)引入的 直流偏移，使跨阻放大器3差分輸出端共模電平一致；
[0036] 三級(jí)順序級(jí)聯(lián)的差分限幅放大器5,其作用是將跨阻放大器3輸出的電壓信號(hào)放 大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0037] -個(gè)輸出緩沖級(jí)6,其作用是將限幅放大器6輸出的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸 出的電壓信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)能力。
[0038] 參見(jiàn)圖2,給出了差分交叉耦合結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)型共源共柵（RGC)跨阻放大器的一個(gè) 優(yōu)選實(shí)施例。該結(jié)構(gòu)電路主要包括共柵級(jí)放大電路和共源級(jí)支路兩部分，其作用是將光電 探測(cè)器（第一光電探測(cè)器1和第二光電探測(cè)器2)的輸出電流信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
[0039] 跨