微 处 理 机M ICROPROCESSORS大规模集成电路设计、制造与应用带有AGC 的622M bps 光纤前置放大器王进祥,徐 一,王永生,王 洋(哈尔滨工业大学微电子中心,哈尔滨150001)摘 要:设计一种带有自动增益控制(AGC )的光纤接收跨阻前置放大器(TI A ),应用于SDH 系统ST M -4速率级(622M bps),采用CSMC 0.6 m C MOS 工艺实现。
电源电压3.3V,差分输出。
仿真结果显示,可允许的信号输入范围较大(-32dBm 到+3dBm ),小信号输入增益高达86.9dB ,相位分裂器的有源电感负载有效提高了电路的带宽约70%,放大器的等效输入电流噪声为4.34pA H z 。
关键词:C MOS 工艺;跨阻放大器;自动增益控制中图分类号:TN722.71文献标识码:A文章编号:1002-2279(2008)02-0005-03Pre _a mplifier w ith AGC for Fi ber Optic Applications to 622M bpsWANG Ji n -x iang ,XU Y ,i WANG Yong-sheng ,WANG Y ang(M icroelectronic Center ,H arb i n Instit u te of T echnology,H arb i n 150001,China)A bstract :A transi m pedance pre_a m p lifier w ith AGC using 3.3V CS M C 0.6 m standard C MOS process in fi b er optical rece i v er is presented in th is paper .It i s w e ll su ited for teleco mm un icati o ns ,especially OC -12/ST M -4and contains a w i d e input range -fro m -32dBm to +3dB m,the ga i n of s m all si g na l input is 86.9dB .The l o ad conductor o f t h e phase-slitter effectively i n creased the band w i d th about 70%,and the equa l input current no ise is 4.34pAH z .K ey words :C MOS techno l o gy ;T ransi m pedance a m plifi e r ;Auto m atic Gain Contro l(AGC)1 引 言在现代通信系统中,由于光纤通信具有通信容量大、性能稳定、保密性强等优点,在接入网中光纤通信技术扮演着重要角色,光纤接入将成为发展的重点[1]。
考虑工艺方面,双极型和典型C MOS 工艺均可满足622M bps 光纤通信系统的要求,双极型工艺的频响更好,但考虑工艺的低成本,低功耗,选择0.6 m C MOS 工艺更具优势。
相比较0.25 m ,0.18 m 工艺,0.6 m 工艺同样可以达到所需速率要求,且成本是深亚微米工艺的1/3到1/5。
所采用的前置放大器就是属于跨阻放大器。
用于光接收机的前置放大器多数采用跨阻放大器,这种放大器,采用跨阻抗电路,在电性能上,其跨阻增益(dB )较高,带宽较宽,等效噪声电流较低,在结构上,采用直接耦合,省去电抗元件,缩小芯片面积[3]。
前置放大器的电路拓扑结构如图1所示。
光电二极管接在两个输入端之间,I N1端为跨阻放大器的电流信号输入端。
I N 2端提供一个稳定的电压,使光电二极管反向偏置。
整个前置放大器提供双端输出,使之与后级的限幅放大器输入相匹配。
图1 前置放大器的模块图2 带AGC 的跨阻放大器电路设计采用三级反相放大的跨阻放大器结构,这样可以提高开环增益,其拓扑结构如图2(a)所示。
其中作者简介:王进祥(1968-),男,江西抚州人,博士,副教授,主研方向:差错控制理论及其算法的VLS I 实现结构,SOC 及IP 设计。
收稿日期:2006-06-05第2期2008年4月No .2A pr .,2008微 处 理 机单元反相放大器结构如图2(b)所示。
M 1和M 2是放大管,M 3为反馈电阻。
图2 跨阻放大器由文献[4]知,图2(b)放大器的增益为A v -2g m (r or !r op !R f )(1)其中,R f 为等效反馈电阻。
因此,增大R f 即可提高增益。
跨阻前置放大器的等效输入噪声电流功率谱函数表示如下[5-6]:S eq (f )=4KT R f +2qI gd +4k T [1(R f )2+ (2 f )2(C gs +C gd )2](2)式中,第1项表示由R f 引入的热噪声电流的贡献;第2项代表场效应管(MOSFET)的栅极漏电流引入的噪声,一般很小,可忽略不计;最后一项代表MOSFET 的沟道热噪。
由上式可知,可以采取增大R f 和g m 的方式来减小等效输入电流噪声。
跨阻放大器的另一个重要参数是带宽,它可以表示为:f -3d B =1+A2 C in R f(3)其中A 为放大器开环增益;C in =C d +C g +C m为输入寄生电容,C d 为光电探测器的等效电容,C g 为放大器输入管的栅电容[7],C m 是与输入端相连的MOS 管入端的密勒等效电容。
减小反馈电阻可以展宽带宽。
可见,放大器的增益、带宽与噪声特性之间存在着矛盾,需要取合适的反馈电阻和放大管的跨导,达到各指标之间的折衷。
反馈电阻的控制信号来自AGC 控制端。
AGC 单元检测光电二极管的输入电流大小,当电流较小,其控制作用很弱;只有当输入电流过大的时候,AGC 控制端才开始起作用。
当AGC 单元检测到输入功率较大,就降低AGC 控制端的电平,使等效反馈电阻减小,从而达到减小增益,稳定输出幅度的目的。
3 输出缓冲级由于本设计的跨阻放大器为单端输出,为与后级主放大器匹配,就需要一个相位分裂器使单端信号变为双端输出信号。
相位分裂器的电路结构如图3所示。
图3 相位分裂器图3(a)中的输入信号来自跨阻放大器的输出端,它与图中下方RC 网络的输出信号一同构成相位分裂端的两个具有相同直流电平的输入。
并联峰化是一种能够满足大带宽低成本的技术[8],该技术是在负载上另外附加电感,也就是引入一个零点,这样就弥补了电容下降的阻抗,从而使带宽增大。
图3(a)中虚线框部分为本设计中的用有源电感实现并联峰化技术的限幅放大器单元电路。
其等效小信号模型如图3(b)所示,由图知:I D =g m V GS +V DS -V GSR(4)V DS -V GSR =s CV GS(5)因此等效输出阻抗为:Z equal =V DS I D =1+s CR g m +s C(6)从前面推出的式子可以得到其等效阻抗具有一个零点和一个极点,分子等效一个电感L=RC ,从而大大提高了相位分裂的带宽。
考虑到栅源电容比较小,所以在电路中又外加一个电容,从而有效增大了带宽。
模拟结果表明,选择合适的电感值可使基本差分对的带宽扩展约70%,而不会在频响曲线上引入尖峰。
信号经相位分裂后再经过电平移位电路,在这里同时完成共模反馈功能。
输出缓冲级电路的作用是提供合适的输出阻抗,以和50 的标准传输线匹配[9]。
4 仿真及结果分析采用CSMC 0.6 m 工艺库仿真,电源电压3.3V,采用hspice 仿真器对版图提取数据进行后仿真。
6 2008年王进祥等:带有AGC 的622M bps 光纤前置放大器响应度计算公式为: Input P o w er =10log (i in ∀(r e +1)2∀!∀(r e -1)∀1000)dBm(7)其中!是以A /W 为单位的光电二极管响应度,i in 是以安培为单位的输入电流,r e 为消光比。
例如当光电二极管响应度为0.9A /W ,消光比10dB ,输入电流为1 A 时,输入光功率为-32dBm 。
此时后仿真得到的结果输出幅度为32mV,信号带宽为461MH z 。
同样计算可得对应3mA 输入电流的等效光功率为+3dBm ,其输出幅度为620mV 。
对于系统噪声特性,关心的是等效输入电流噪声,在速率为622M bps 时的等效输入电流噪声为4.34pA H z ,满足系统对噪声的要求。
当输入信号从-32dB m 到+3dBm 变化时,跨阻增益变化曲线如图4所示。
图4 跨阻增益随输入信号变化曲线5 结束语设计了一种622M bps 的光纤接收前置放大器,供电电源电压是3.3V;带有自动增益功能,具有较宽的动态接收范围(-32dBm ~+3dBm );输入小信号时跨阻增益可达22.2K (即86.9dB );基于并联峰化技术的有缘电感使传输函数引入了附加零点,有效提高了输出信号的带宽约70%;等效输入噪声在pAH z 量级。
目前此设计已采用CS M C0.6 m C MOS 工艺投片。
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