本發(fā)明涉及光通信、光互連及可見光通信系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種與鍺硅雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(sigebicmos)工藝兼容的、采用自舉電路以及噪聲消除技術(shù)設(shè)計(jì)的高靈敏度寬帶光接收機(jī)前端電路。

背景技術(shù)：

隨著社會信息化程度的不斷提升，以超高清視頻、云計(jì)算及移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的寬帶業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，這使得人類社會對網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)流量的需求成倍增長。為滿足海量信息的傳輸，用于干線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某咚?、超大容量光纖通信技術(shù)已取得突破性進(jìn)展。然而，受工藝和成本的限制，光纖通信的“最后一公里”仍然沒有得到很好地解決。因此，研制低成本、高性能的光接收機(jī)成為集成光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，現(xiàn)行實(shí)用的光接收機(jī)普遍采用硅基標(biāo)準(zhǔn)cmos電路的混合集成，因而存在寄生效應(yīng)大、成本高、可靠性差等問題。為了克服混合集成的上述限制，科研人員提出采用技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的單片集成化，并實(shí)施了多種集成方案。

例如，毛陸虹等人對標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝的單片集成光接收機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[1]，提出了帶前均衡電路的cmos光電集成接收機(jī)、以及帶寬和靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)cmos差分光電集成接收機(jī)等結(jié)構(gòu)。

但是受硅材料自身的間接帶隙特性和工藝結(jié)構(gòu)的限制、以及探測器輸入電容對整個(gè)電路的帶寬和噪聲特性的影響，很難實(shí)現(xiàn)高靈敏度的寬帶光接收機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種高靈敏度的寬帶光接收機(jī)前端電路，本發(fā)明采用自舉電路來抵消輸入端電容對rgc輸入級工作頻帶的限制，通過噪聲消除技術(shù)來降低電源電流的噪聲，提高電路靈敏度，詳見下文描述：

一種高靈敏度的寬帶光接收機(jī)前端電路，所述光接收機(jī)前端電路包括：依次電連接的跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除電路、以及輸出緩沖級，

所述跨阻放大器的輸入端加入自舉電路降低探測器電容的影響；所述跨阻放大器加入噪聲消除電路降低電源電流變化引起的噪聲，提高靈敏度；

所述限幅放大器為一組三級級聯(lián)、帶有負(fù)密勒電容補(bǔ)償，用于將電壓信號放大到所需電壓水平；

所述直流偏移消除電路使用差分有源密勒電容電路，用于消除直流偏移的影響；

所述輸出緩沖級采用ft倍頻器結(jié)構(gòu)。

所述自舉電路包括：鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1、電容cc、電阻rb，

所述鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1構(gòu)成的射隨器實(shí)現(xiàn)單位增益，所述電容cc用于隔離鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1的基極電容，所述電阻rb對鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1的基極進(jìn)行偏置。

所述噪聲消除電路包括：電流源i2和鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t4。

所述限幅放大器由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管tl1、tl2、tl3、tl4和tl5、電阻rl1和rl2、電容c1和c2組成；

鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管tl4和tl5為偏置管提供偏置電流，電容c1和c2提供負(fù)密勒補(bǔ)償；

射隨器tl3被插入到反饋通道中，以驅(qū)動負(fù)載電容，有效降低射隨器的輸出阻抗；電容c1和c2交錯(cuò)地跨接在兩級差分放大器的輸出端，形成負(fù)密勒補(bǔ)償。

所述差分有源密勒電容電路包括：nmos晶體管m1和m2、電阻rd和rma、電容cma和鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t41，

鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t41是偏置管，提供偏置電流，電容cma、電阻rd和nmos晶體管m2構(gòu)成差分有源密勒電容；

電容cma通過nmos晶體管m2的密勒效應(yīng)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為差分放大器的增益因子(1+gm2rd)；gm2是晶體管m2的跨導(dǎo)。

所述ft倍頻器結(jié)構(gòu)由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t51和t52、電阻r51和電流源iss組成。

所述光接收機(jī)前端電路的-3db帶寬達(dá)到16ghz，跨阻增益大于98dbω，等效輸入噪聲電流小于15pa/sqrt(hz)。

所述光接收機(jī)前端電路與標(biāo)準(zhǔn)sigebicmos工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)同一芯片上高性能的光接收機(jī)前端、與信號處理后端的單片集成。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、由于鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(sigehbt)具有比金屬-氧化物場效應(yīng)晶體管(mosfet)更大的有效跨導(dǎo)，因而基于sigebicmos工藝可以設(shè)計(jì)出增益帶寬積更高、噪聲系數(shù)更低的放大電路。

2、在跨阻放大器的輸入端加入自舉電路結(jié)構(gòu)，可以有效隔離探測器寄生電容的影響，改善整體電路的帶寬以及噪聲性能；同時(shí)加入噪聲消除電路，有效降低電源電流變化引起的噪聲，提高電路靈敏度。

3、限幅放大器采用帶負(fù)密勒補(bǔ)償?shù)腸herry-hooper結(jié)構(gòu)進(jìn)行三級級聯(lián)，通過每級分配適當(dāng)反饋，從而實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更好的穩(wěn)定性。

4、直流偏移消除電路中使用差分有源密勒電容來替代傳統(tǒng)的片外大電容，不僅提高了系統(tǒng)集成度，而且消除了片外寄生效應(yīng)，在一定程度上提高了電路性能。

5、本發(fā)明設(shè)計(jì)的光接收機(jī)前端電路與標(biāo)準(zhǔn)sigebicmos工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)同一芯片上高性能的光接收機(jī)前端與信號處理后端的單片集成，從而降低成本，增強(qiáng)功能。

綜上所述，本發(fā)明提出的光接收機(jī)具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所設(shè)計(jì)光接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的跨阻放大器的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的限幅放大器的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的直流偏移消除電路的電路原理圖；

圖5(a)是簡單的差分級的電路原理圖；

圖5(b)是ft倍頻器的電路原理圖；

圖6是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的整體電路的頻率響應(yīng)和輸入噪聲仿真圖。

附圖中，各部件所代表的部件列表如下：

1：跨阻放大器；

2：一組三級級聯(lián)的帶有負(fù)密勒電容補(bǔ)償?shù)南薹糯笃鳎?/p>

3：差分有源密勒電容的直流偏移消除電路；

4：輸出緩沖級；

11：自舉電路；

12：噪聲消除電路。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

一種高靈敏度的寬帶光接收機(jī)前端電路，參見圖1，該寬帶光接收機(jī)前端電路包括：

1、在跨阻放大器1的輸入端加入自舉電路11降低探測器電容對后續(xù)電路的影響；

2、在跨阻放大器1中加入噪聲消除電路12，降低電源電流變化引起的噪聲，提高電路的靈敏度；

3、限幅放大器2采用帶有負(fù)密勒補(bǔ)償?shù)腸herry-hooper結(jié)構(gòu)，用于將跨阻放大器1輸出的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；

4、使用差分有源密勒電容的直流偏移消除電路3，用于消除直流偏移對電路的影響；

5、為實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配和提供足夠的驅(qū)動能力，輸出緩沖級4采用ft倍頻器結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例采用自舉電路11來抵消輸入端電容對rgc輸入級工作頻帶的限制，通過噪聲消除電路12來降低電源電流的噪聲，提高電路靈敏度。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖2-圖6、以及具體的計(jì)算公式對實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下文描述：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種高靈敏度的寬帶光接收機(jī)前端電路。該接收機(jī)前端電路充分利用鍺硅異質(zhì)結(jié)的雙極電路高速、驅(qū)動能力強(qiáng)和cmos電路低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例所設(shè)計(jì)的光接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。光接收機(jī)前端電路包括：帶自舉電路和噪聲消除電路的跨阻放大器1、一組三級級聯(lián)的帶有負(fù)密勒電容補(bǔ)償?shù)南薹糯笃?、使用差分有源密勒電容的直流偏移消除電路3、以及輸出緩沖級4。

圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例所述的帶自舉電路和噪聲消除電路的跨阻放大器1的電路原理圖。該跨阻放大器1的核心部分由調(diào)節(jié)型共射共基(rgc)差分拓?fù)錁?gòu)成，包括：鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t2和t3，以及電阻r1、r2和r3。

其中，pd表示光電探測器二極管，cpd表示探測器寄生電容。為消除探測器寄生電容cpd的影響，本發(fā)明實(shí)施例引入了由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1、電流源i1、電阻rb和電容cc構(gòu)成自舉電路11，而鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t4和電流源i2構(gòu)成噪聲消除電路12?？缱璺糯笃?的帶寬主要是受輸入端的總輸入電容限制，而探測器寄生電容cpd是輸入電容的主要部分。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用無源電感峰化來降低輸入電容的影響，但這會占用很大的芯片面積，增加功耗和成本。另外，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也需要根據(jù)具體的探測器寄生電容進(jìn)行優(yōu)化匹配。

本發(fā)明實(shí)施例采用自舉電路11來消除輸入電容的影響。該電路使用鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1構(gòu)成的射隨器實(shí)現(xiàn)單位增益(a＝1)，電容cc用來隔離鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1的基極電容，電阻rb對鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t1的基極進(jìn)行偏置。在這樣的結(jié)構(gòu)下，探測器兩端具有相同的交流電位，因此流過探測器寄生電容的交流電流為零，其寄生電容等效為零，故大大降低了光電探測器寄生電容對電路性能的影響。

因自舉電路11需要較高的電源電壓來維持正常工作，故自舉電路11和調(diào)節(jié)型共射共基(rgc)差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用不同的電源供電。電源電流變化產(chǎn)生的噪聲會影響電路的靈敏度，所以在rgc差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入了噪聲消除電路12。該噪聲消除電路12可以檢測出自舉電路11和rgc差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電流變化，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)等量的反向電流來補(bǔ)償。通過這樣的噪聲消除方法，可以大大降低電源噪聲，提高電路靈敏度。

圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例所述的帶有負(fù)密勒電容補(bǔ)償?shù)腸herry-hooper限幅放大器2，其采用三級全差分級聯(lián)。該限幅放大器2由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管tl1、tl2、tl3、tl4和tl5、電阻rl1和rl2、電容c1和c2組成。

其中，tl4和tl5為偏置管，提供偏置電流，c1和c2提供負(fù)密勒補(bǔ)償。射隨器tl3被插入到反饋通道中，以驅(qū)動負(fù)載電容，該反饋結(jié)構(gòu)可有效降低射隨器的輸出阻抗。電容c1和c2交錯(cuò)地跨接在兩級差分放大器的輸出端，形成負(fù)密勒補(bǔ)償。在進(jìn)行三級級聯(lián)時(shí)，為每一級放大器設(shè)置合適的c1和c2值，給予各級不同幅度的補(bǔ)償，使得每級電路產(chǎn)生的固有頻率和阻尼系數(shù)不完全相同，避免共軛極點(diǎn)對重疊。這樣設(shè)計(jì)不僅能避免因完全相同的cherry-hooper結(jié)構(gòu)級聯(lián)而導(dǎo)致電路帶寬的劇烈衰減，而且降低了限幅放大器2的頻率響應(yīng)尖峰，因而拓展了工作帶寬。

因?yàn)楣饨邮諜C(jī)前端一般由多級放大電路組成(例如，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)中的限幅放大器2采用三級級聯(lián))，一旦其中某級電路的直流偏置發(fā)生變化，則后級電路會將此直流偏移不斷放大，整體電路極有可能進(jìn)入飽和區(qū)，導(dǎo)致信號傳輸失效。針對多級電路的直流偏移，通常會在電路中增加直流偏移消除電路(doc)。doc電路通常需要一個(gè)大電容來實(shí)現(xiàn)低截止頻率的濾波器。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用片外電容，這不僅會引入大的寄生效應(yīng)，而且不利于電路的單片集成。

為克服上述問題，本發(fā)明實(shí)施例利用密勒效應(yīng)，使用差分有源密勒電容(damc)電路來實(shí)現(xiàn)等效大電容，如圖4所示。該doc電路由nmos晶體管m1和m2、電阻rd和rma、電容cma和鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t41組成。其中t41是偏置管，提供偏置電流。cma、rd和m2構(gòu)成差分有源密勒電容，cma通過m2的密勒效應(yīng)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為差分放大器的增益因子(1+gm2rd)，故等效電容值為

ceq＝cma(1+gm2rd)

(1)

其中，gm2是晶體管m2的跨導(dǎo)。由電阻rma和等效電容ceq形成的低截止頻率濾波器，將高頻信號濾除，再通過m1管將直流電平反饋到前級電路，進(jìn)而消除直流偏移。理論計(jì)算和仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)中僅需一個(gè)2pf左右的cma電容即可實(shí)現(xiàn)1.1mhz帶寬的低通濾波器。由此可見，利用damc電路可避免使用大的片外電容，同時(shí)降低片外電容引入的寄生效應(yīng)。與片外大電容相比，damc電路可節(jié)省芯片面積，降低成本，增加可靠性。

通常，光接收機(jī)中的跨阻放大器和限幅放大器可提供近100db的增益，所以對輸出緩沖級而言，其對增益的要求不高(0db左右即可)，但對帶寬有著嚴(yán)格的要求。由于級聯(lián)會降低帶寬，故輸出緩沖極的帶寬應(yīng)大于傳輸速率值。若版圖面積比較富裕，可以直接使用串聯(lián)電感或并聯(lián)電感峰化技術(shù)。若版圖面積有限，則可利用有源電感峰化技術(shù)或ft倍頻器技術(shù)。

最簡單的輸出緩沖級如圖5(a)所示，為傳統(tǒng)共源級差分對。此電路的小信號特性可表示為：

vout＝gm(vo--vo+)r51(2)

其中，gm表示為鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t51的跨導(dǎo)。在放大器級聯(lián)過程中，差分對的輸入電容往往會惡化級聯(lián)放大器的帶寬。本發(fā)明實(shí)施例中的ft倍頻器則可以很好地降低這一影響，在保證相同的增益同時(shí)，可以有效擴(kuò)展帶寬。ft倍頻器由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管t51和t52、電阻r51和電流源iss組成，如圖5(b)所示。根據(jù)疊加原理，可計(jì)算出vout：

vout＝gm(vo--vo+)r51(3)

可以發(fā)現(xiàn)，ft倍頻器的電壓增益與傳統(tǒng)差分對的電壓增益相同。但因vb為交流地，而輸入電容cin為t51的基極-發(fā)射極電容cπ1、與t52的基極-發(fā)射極電容cπ2的串聯(lián)，即cπ1/2。因此，輸入電容減半。換言之，ft倍頻器在保證總跨阻一定的情況下，可將輸入電容降低一倍，進(jìn)而拓展了帶寬。

基于上述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和ibm0.18μmsigebicmos標(biāo)準(zhǔn)工藝，對本發(fā)明實(shí)施例所述電路的性能進(jìn)行了仿真優(yōu)化。圖6為跨阻增益和等效噪聲電流的仿真結(jié)果。由圖6可見，光接收機(jī)前端電路的-3db帶寬可以達(dá)到16ghz，跨阻增益大于98dbω，而等效輸入噪聲電流小于15pa/sqrt(hz)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提出的光接收機(jī)前端電路，采用自舉電路11來屏蔽探測器輸入電容的影響，拓展電路帶寬，而采用噪聲消除電路12提高電路的整體靈敏度；通過仿真結(jié)果表明，該光接收機(jī)前端電路結(jié)構(gòu)有望用于高速光通信系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

參考文獻(xiàn)

[1]余長亮,毛陸虹,朱浩波,等.前均衡cmos光電集成接收機(jī)概念的提出和模擬[j].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007,28(6):951-957.

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。