引言

    光通信系统的光接收机中前置放大器的性能决定了接收端信号的通信质量，一般要求高跨阻增益，低输入参考噪声，宽的动态范围和高的电源噪声抑制比等。随着通信速率的升高，跨阻放大器以低的输入噪声和更宽的带宽成为了设计首选。光接收机中前置跨阻放大器要求长时间连续工作，因此工作环境温度的变化不可避免的对芯片性能造成影响。为此，必须对放大器进行一定的温度补偿。在光接收机中，输入光功率和PD二极管的响应度决定了输入电流，在输入电流过大的时候，自动使得跨阻增益减小，从而达到输入范围扩大的目的。

    虽然目前CMOS工艺的跨阻放大器能够达到很高的工作速率^[1]，但是在通信速率为10 Gb/s的节点上，CMOS前置放大器芯片往往会消耗更大的功耗，有更高的噪声^[2]，为提高带宽而采用无源电感^[3]或者变压器^[4]不仅占据更大的面积，甚至导致功耗进一步增大。相比CMOS工艺而言，BiCMOS SiGe工艺器件有着更高的截止频率和相对低的器件噪声^[5]，这意味着稳定良好的芯片性能和更小的芯片面积符合商用芯片的要求。

1 前置放大器电路设计

    光接收机端一般由跨阻放大器、限幅放大器、时钟恢复电路和解复用器电路组成^[6]，跨阻放大器位于接收机的最前端，其性能好坏对整个光接收机有决定性的影响。

    本文设计的跨阻放大器如图1所示。其中输入级电路将PD输入的光电流转换成输出电流，实现跨阻放大的作用；自动增益控制电路在输入光电流较大时将跨阻减小，从而扩展输入动态范围；温度补偿电路对输入级电源电压进行补偿，从而使得增益在带内保持平坦和足够的带宽；两级差分放大电路将输入级输出的电压信号进一步放大的同时，也进行阻抗变换来驱动输出缓冲电路；输出缓冲电路匹配外部负载50 Ω；带隙偏置电路为核心电路提供稳定的供电电压，同时提供与温度关联的、用来进行温度补偿的电流（温度电流）；PD偏置电压为PD光电二极管提供稳定的反偏电压。

1.1 输入级电路设计

    本文采用的输入级电路结构如图2(b)所示，相比于图2(a)中一般的共射组态结构，放大器采用共射组态和射随器级联的方式，反馈电阻在射随器N2管的发射级。其电路方便直流工作点的选取，V_out点的电压为2V_be，可以直接驱动后级差分放大电路，而图2(a)中，V_out约为V_be1的电压，很难驱动后级电路，需要进一步的共模电平转换。图2(b)的另一个很大的优点在于其对于后级噪声有很强的减弱作用，可以看出，后级输入噪声要经过一个N1管等效到输入，即减小了g_m1R₁倍，而图2(a)中，后级输入噪声直接通过反馈电阻R_f等效到输入，其噪声将会很大，跨阻放大器的灵敏度将会很低。图2(b)的小信号模型如图2(c)所示。其中V_reg是由温度补偿模块产生，来补偿温度对输入级跨阻和带宽的影响。

    从图2(c)中可以得出输入级电路的传输函数，-3 dB带宽，低频输入阻抗分别为：

    式中g_m1，g_m2为N1管和N2的跨导，R_o1和R_o2为N1管和N2管的发射极与集电极之间的电阻，C_in为输入总电容，C_out为输出端总电容。

1.2 温度补偿电路设计

    为了抑制温度变化对电路性能的影响，需引入温度补偿电路，且要求电路结构要尽量不影响输入级的结构和消耗太大的功耗。仿真结果表明，V_reg电压可以很好地控制电路的增益和-3 dB带宽，为此，可以产生一个与温度有关系的V_reg电压来补偿输入级结构和后级电路的温度特性。V_reg电压的产生电路如图3(a)所示,可以表示为I_tempR+V_be1+V_be2。

    从图中可以看出，输入是一个与温度变化有关系的电流I_temp(I_temp由带隙基准结构产生)，从而产生一个与温度有关系的电压V_reg，这个电压经过一个运算放大器锁存后供给输入结构，实现带负载能力。引入了与温度有关系的V_reg电压后，整个放大器的的-3 dB带宽如图3(b)所示。从对比中可以发现，温度补偿可以很好地控制放大器的带宽，使得带宽随温度变化较小。

1.3 AGC电路设计

    AGC电路的设计思路是在输入级电路中电阻 R_f并联了一个MOS管，当输入电流较大时，N_f管开启，处于三极管区，使得与 R_f并联的整个跨阻减小。而当输入电流较小时，N_f管关闭，处于截止区，使得整个跨阻最大，如图 4(a)所示， V_agc产生电路如图 4(b)所示。

    V_2p和V_2n电压取自差分放大第二级的输出，两个电压经过低通滤波器之后输入到放大器A₀中，放大器的输出电压经过低通滤波器之后控制后级MOS管中电流分配，从而产生AGC控制电压V_agc。假设V_2p电压上升，经过放大器A₀之后，V_offset电压上升，从而导致M1和M2中电流上升。M1中的电流经过PM1镜像到PM2中，也使得电阻上的电流增加，从而导致V_agc电压上升，开启图 4(a)中的Nf管，实现AGC的作用。值得注意的是，在AGC电路中，为了不使得V_agc电压上升的过快，加入了M3管，当V_agc电压上升到一定电压的时候，会导致M3管开启并处于三极管区，与R_c2并联后，会导致整个电阻减小，从而一定程度上减小了V_agc电压。其对比结果如图5所示。可以看出，M3的引入使得V_agc控制电压上升的更加缓慢，对输入电流的调控范围更大，但是引入M3管并没有改变AGC电压启动点。

1.4 中间差分放大级电路和输出缓冲电路设计

    输入级产生的跨阻增益是有限的，中间差分放大器进一步将输入信号进行放大，其电路结构采用共射放大器和射随器相连的结构，如图 6(a)所示。在共射放大器中，使用了电容简并来补偿由前级产生的增益滚降。利用半边等效电路概念，其等效结构如图6(b)所示。

    其等效跨导为：

    可以看出，G_m中包含一个零点和一个极点，分别为1/(R_s1C_s1)和(1+g_m1R_s1)/(R_s1C_s1)，而在N1管的集电极又包含一个极点为1/(R₁C_L)，如果集电极极点和等效跨导中的零点相抵消，则可以扩展放大器的带宽。但这是以降低低频增益和引入电阻R_s1的热噪声为代价的，需要不断优化和折中选择。

    射随器电路除了完成了直流电平转换之外，也将输出电阻减小到了1/g_m，提高了放大器的带负载能力；输出缓冲电路一般要求CML电平输出，同时要匹配和驱动外部50 Ω电阻，其结构如图7所示，在设计中R₁和R₂为50 Ω。为了满足一定的输出幅度以驱动下一级限幅放大器，输出缓冲电路的电流一般比较大，在本次设计中输出缓冲电路尾电流源设计为8 mA，这样可以产生400 mV的差分输出电压。

2 版图和后仿真结果

    整体电路版图采用0.18 μm BiCMOS SiGe工艺设计，其供电电压为3.3 V，芯片面积为937 mm×828 mm。交流仿真建立在合适的直流工作点之上，本文设计的跨阻放大器的跨阻增益和等效输入噪声仿真结果如图8所示。从仿真结果中可以看出，放大器的单端跨阻增益为73 dBΩ，-3 dB带宽在8.7 GHz，在10 G处等效输入噪声为17 pA/√Hz，从而得到跨阻放大器的灵敏度为-20 dBm。

    当输入电流较大的时候，AGC控制电压就会上升，使得跨阻增益减小，其变化曲线如图9所示。可见，当输入电流为40 μA的时候，AGC电压开始开启输入级跨阻上的可变MOS管电阻，减小跨阻增益。

    在高速通信系统中，眼图是观察通信质量最直观的方法。本设计版图后仿真的瞬态眼图如图 10所示。

    从仿真眼图中可以看出，“眼睛”张开较大，上升和下降沿有一定的过冲，说明带宽足够，且输出关于零电平对称。“眼皮”厚度较小，说明放大器有比好的抗噪声性能。跨阻放大器的主要性能汇总如表1所示。

3 结论

    本文采用0.18 μm BiCMOS工艺实现了10 Gb/s跨阻放大器设计。为了获得带内平坦的增益和较大的输入动态范围，引入了温度电流和AGC模块。整个放大器的差分跨阻增益为9 kΩ，带宽为8.7 GHz，灵敏度为-20 dBm，芯片正在流片中，从版图后仿真结果来看，其芯片性能指标完全可以使用在10 Gb/s的光通信领域。

参考文献

[1] GALAL S，RAZAVI B.40-Gb/s amplifier and ESD protection circuit in 0.18-μm CMOS technology[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2004，39(12)：2389-2396.

[2] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].McGraw-Hill，Inc.2001.

[3] 孙洋，黄启俊，王豪，等.用于平衡探测器的5 Gb/s前置放大器设计[J].半导体光电，2014(6)：1062-1066.

[4] HAN J，CHOI B，SEO M，et al.A 20-Gb/s transformer-based current-mode optical receiver in 0.13-μm CMOS[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs，2010，57(5)：348-352.

[5] MAXIM A.A 10 Gb/s SiGe transimpedance amplifier using a pseudo-differential input stage and a modified Cherry-Hooper amplifier[C].Symposium on VLSI Circuits.2003：404-407.

[6] RAZAVI B.Design of integrated circuits for optical communications[M].Asia：McGraw-Hill Education，2005.

作者信息:

陈  伟1，黄启俊1，何  进1，王  豪1，常  胜1，童志强2

（1.武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072；2.武汉烽火通信科技股份有限公司微电子部，湖北 武汉430074）