自1976年美國在亞特蘭大（Atlanta）現(xiàn)場試驗(yàn)了世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)以來，光纖通信在商業(yè)應(yīng)用中已有三十多年的發(fā)展歷程。而我國在此領(lǐng)域的所用芯片基本依靠進(jìn)口，所以研制高性能的通信芯片對我國通信行業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

    對于光接收機(jī)前端電路，由于其跨阻前置放大器具有低的輸入/輸出電阻、高帶寬和低噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此一直受到電路工程師們的青睞[1]。但前置放大器的設(shè)計(jì)需要在帶寬、增益、噪聲、電源電壓和功率損耗等因素之間進(jìn)行有效的折中，在一定程度上給設(shè)計(jì)者帶來了困難。為了解決高跨阻與寬帶寬的矛盾，此次設(shè)計(jì)采用RGC(Regulated Cascode)輸入級以拓展帶寬。同時(shí)，為了解決輸入動(dòng)態(tài)范圍與高跨阻、低噪聲的矛盾，采取了自動(dòng)增益控制技術(shù)。
1 電路設(shè)計(jì)與性能參數(shù)分析
1.1 整體電路設(shè)計(jì)
    圖1是一個(gè)傳統(tǒng)的跨阻放大器，M1和RD構(gòu)成共源級，M2共漏結(jié)構(gòu)構(gòu)成源跟隨器，Rf是接到輸入端與輸出端的反饋電阻，Iin是光檢測器的輸出電流，CD為放大器的輸入電容（包括光檢測器的結(jié)電容、放大器的輸入電容和節(jié)點(diǎn)的寄生電容）。

1.2 電路性能分析
    RGC組態(tài)最顯著的特征是高輸出阻抗和寬輸出電壓范圍。此外，其高速度、低噪聲的特征（當(dāng)輸入晶體管被一個(gè)電流源取代時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生虛地輸入阻抗）對前置放大器的設(shè)計(jì)是有用的[4-6]。圖2中光電二極管的功能是將光纖傳輸過來的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。這一光電流在晶體管M1的漏極被放大為電壓信號。而晶體管M2和電阻R3在輸入級起本地反饋?zhàn)饔谩Ｋ裕瑴p小輸入阻抗是通過自身電壓增益的大小而決定的。
    根據(jù)小信號分析，RGC電路的輸入電阻由下式給出：
    
     圖2中的第三級是單端轉(zhuǎn)差分級，輸入端接放大級的輸出信號，Vout1和Vout2為差分輸出。其工作原理為：直流時(shí)，電容相當(dāng)于開路，使得差分放大器的兩個(gè)放大管具有相同的直流偏置；高頻時(shí)，電容相當(dāng)于短路，差分放大器單端輸入、雙端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了單端到雙端的轉(zhuǎn)換。這里，由R7和C1組成的低通濾波器提取出放大器輸出的直流電平，并將該信號送至M7的柵極。因?yàn)閂X-VY呈現(xiàn)出一個(gè)零平均值，所以差分對的輸出也是沒有偏移量的。圖2中的結(jié)構(gòu)起到了一個(gè)高通濾波器的作用：在足夠低的頻率下，X節(jié)點(diǎn)和Y節(jié)點(diǎn)的信號是相等的，從而產(chǎn)生了零輸出。只有高通傳遞函數(shù)的低轉(zhuǎn)角頻率降低到幾十千赫茲以下時(shí)，時(shí)間常數(shù)R7C1才會(huì)達(dá)到幾十微秒，因此這個(gè)方法常需要一個(gè)大的外置電容。
2 模擬結(jié)果
    本設(shè)計(jì)基于SIMC 0.18 μm工藝模型，在1.8 V電源電壓下，對所設(shè)計(jì)的前置放大器進(jìn)行了模擬仿真。此跨阻放大器的幅頻特性曲線如圖3所示。當(dāng)光檢測器的寄生電容CD為典型值0.5 pF時(shí)，低頻跨阻增益Arf為72.8 dBΩ，3 dB帶寬為3.06 GHz。跨阻增益被限制在數(shù)百歐姆范圍內(nèi)，結(jié)果滿足系統(tǒng)的高速率（10 Gb/s）、低電源電壓（1.8 V）要求。

    一般地，高性能TIA的總噪聲電流的變化范圍為0.5 ?滋Arms~2 ?滋Arms，并且噪聲隨著頻率的增大而增強(qiáng)。從圖4所示的等效電流輸入電流功率譜密度Seq曲線可以看出，此跨阻放大器的電流噪聲為108.36 nA，具有較低的噪聲。

    本文基于0.18 μm CMOS工藝，用Cadence軟件設(shè)計(jì)了一種帶自動(dòng)增益控制(AGC)的RGC輸入跨阻放大器，最后選用SIMC 0.18 μm CMOS工藝庫對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，當(dāng)輸入的光功率為-10 dBm、電源電壓為1.8 V、設(shè)定光檢測器的寄生電容為0.5 pF時(shí)，所設(shè)計(jì)的放大器具有良好的幅頻特性和等效電流輸入曲線。
參考文獻(xiàn)
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