光纤接收器转阻放大器的设计优化外文翻译资料

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Circuits Syst Signal Process (2015) 34:2785–2800 DOI 10.1007/s00034-015-0002-z

光纤接收器转阻放大器的设计优化

Claudio Talarico · Gaurav Agrawal ·

Janet Wang-Roveda · Hani Lashgari

Received: 20 August 2014 / Revised: 4 February 2015 / Accepted: 4 February 2015 /

Published online: 14 February 2015

copy; Springer Science Business Media New York 2015

摘要：本文介绍了一种优化框架，用于优化光纤收发器中使用的低功耗、低噪声的宽带转阻放大器。该设计使用180nm的六层导线数字CMOS工艺实现，并用1.8V电压供电。性能上增益达到78.34dBOmega;，带宽达到2.21GHZ，输入参考电流噪声低至11.91pA/HZ^1/2以及13.5mW的低功耗。

关键词：CMOS；设计优化；光纤收发器；纳米技术；转阻放大器

1 介绍

转阻放大器是任何光纤数据接收器的关键部件：它显著影响着速度、信噪比和灵敏度方面的成本和性能。

Part of the present paper was presented at the 18th International Conference on Circuits: Advances in Robotics, Mechatronics and Circuits, EUROPMENT, Santorini, Greece (2014) [11].

C. Talarico (B) · H. Lashgari

Department of Electrical and Computer Engineering, Gonzaga University, Spokane, WA, USA e-mail: talarico@gonzaga.edu

H. Lashgari

e-mail: hlangari@zagmail.gonzaga.edu

G. Agrawal

Google Inc., Mountain View, CA, USA

e-mail: chipguy@google.com

J. Wang-Roveda

Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Arizona, Tucson, AZ, USA e-mail: meilingw@email.arizona.edu

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转阻放大器的设计需要对包括增益，带宽，噪声和功耗在内的大量冲突性能指标进行仔细优化。纳米级技术的进展使得设计出符合前端光学收发器应用所需的高性能的CMOS互阻抗放大器在经济上是可行的。遗憾的是，精确描述纳米级CMOS晶体管行为所需模型的复杂性阻碍了闭式解析表达式的推导，而这些表达式在电路设计优化中是十分高效的，即便是最简单的电路。通常，缺少闭式解析表达式会导致设计过程需要多次迭代并在收敛到工作电路之前“手动”调整晶体管的大小。本文的主要贡献在于开发纳米​​模拟集成电路的系统设计和优化框架，使设计人员能够避免多次迭代和“手动”调整晶体管大小。所提出的框架通过将其应用于采用18纳米标准CMOS技术的高速、高增益、低噪声和低功耗转阻放大器的设计进行了验证。结果表明，使用该框架后，就每个功耗的增益带宽而言，可以胜过其他几种最先进的转阻放大器设计。框架使用MATLAB实现，并基于g_m/I_D方法。并用HSPICE进行电路仿真和技术表征。

跨导g_m与偏置电流I_D之间的比率是测量晶体管将电流（功率）转换为跨导（增益）的能力的品质因数。使用基于g_m/I_D的方法的主要优点是能够为MOS晶体管的所有操作区域保持统一的方法。采用从强逆转到弱逆转的系统设计使g_m/I_D方法成为晶体管大小优化的理想工具。这是由于充分利用中间逆转区来优化速度-功率的相互作用是可行的。图1说明了晶体管的速度（晶体管的瞬态频率f_T）与其功率效率（g_m/I_D）之间的关系。提出的框架的目标是开发系统设计优化方法，以用于缺少封闭形式MOSFET方程的地方。

本文的其余章节安排如下：第2节描述了转阻放大器拓扑以及用于预测、优化性能的等式和近似值。第3节描述了用于设计转阻放大器的优化策略。第4节讨论实验结果并将其与理论预期和其他先进的设计进行比较。最后，第5节总结了我们的工作成果并提供了结论。

2 转阻放大器电路描述

2.1 转阻放大器拓扑

制约转阻放大器设计的主要部分是光电二极管与光纤和通信系统接收端的接口电容。 光电二极管电容会显著影响带宽和信噪比。

Fig. 1 Relationship between f_T g_m / I_D and g_m / I_D for nMOS transistors with channel length L varying from 0.18 to 0.4 micro;m

Fig. 2 Typical optical communication (OC) system

图2描绘了典型的光学通信系统的总体结构。 OC系统的目标在于远距离传输和接收大量数据。典型的OC系统由三部分组成：发射机，光纤和接收机。发射机由将多个数据流聚合成单个流的多路复用器，驱动器以及以光学信号转换成电信号的光电转换器组成。光纤将激光产生的光线从发射端传输到接收端。接收机由感测来自光纤的光信号并将其转换成电信号形式的光电探测器，转阻放大器和一个将数据分解成多个流的分路器组成。

设计转阻放大器时面临的主要挑战是要设计一种电路拓扑结构，以便放宽由放大器输入节点处的光电二极管电容引起的限制。图3给出了光电二极管的全信号等效电路。目前已经提出了几种电路技术。最常用的技术包括电容峰化，电感峰化，共栅输入配置和公共漏极配置。在本文中，转阻放大器是通过三个阶段的级联实现的。

为了最大限度地减少由光电二极管引起的大输入电容的影响，输入级被设计成一个通过PMOS电流注入来提升g_m的公共栅级，中间级为一个公共源，输出级为一个缓冲源。这种拓扑提供了低输入阻抗、高增益以及驱动小型负载的能力。

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Fig. 3 Photodiodersquo;s

small-signal equivalent circuit

尽管公共栅极有提升g_m的技术，采用0.18mu;m CMOS技术g_m可达到的级别仍不足以实现光通信所需的带宽。为了克服这一挑战，转阻放大器的三个基本阶段被全局并联分流电阻反馈所包围。如预测的那样，反馈会导致放大器的频率响应出现峰值;利用所提出的拓扑结构可以改善转阻放大器的闭环稳定性并且通过使用反馈零补偿技术消除尖峰。 转阻放大器以差异化形式实施。差分转阻放大器具有两个主要优点：（I）系统的信噪比（SNR）实际上增加了一倍。 （2）通用源级可以实现为差分对，因此偏置要简单得多。图4说明了转阻放大器的拓扑结构。

2.2 转阻放大器电路分析

所提出的拓扑结构的主要瓶颈是公共源的频率响应差。这是由于公共源级的输入处的大时间常数tau;₂。为了减少tau;₂的影响，公共源级是级联的。 级联提供了两个主要优点：（I）它减少了栅极 - 漏极电容的密勒倍增和（2）它增加了该级的固有增益。这些优点是以较低的电压摆幅为代价的。幸运的是，对于目前的应用而言，大信号摆动不是问题。图5显示了转阻放大器的完整电路。图6显示了偏置电路的细节。光电二极管由输入电流信号输入和寄生电容C_pa和C_pb建模。图7显示了转阻放大器的电流减半等效电路。 电流减半等效电路包含反馈负载，并被所有影响频率响应的电容标注。

用于分析转阻放大器性能的表达式来自电流减半等效电路。半电路的转阻正向增益为：