一種用于cmos光接收機的高速全差分噪聲降低裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信系統(tǒng)以及光互連領域，尤其涉及一種用于CMOS光接收機的高 速全差分噪聲降低裝置。
【背景技術】
[0002] 在網絡與信息技術飛速發(fā)展的當今時代，以電互連為主要連接方式的短距離網絡 通信技術逐漸顯現(xiàn)出難以避免的缺點，主要表現(xiàn)在速度低、串擾大、功耗大等方面。而光纖 通信技術以其高速、無串擾及保密性好的特點可以彌補電互連的這一缺陷。因此，近年來光 纖通信技術在短距離和甚短距離網絡通信的應用受到廣泛關注。例如，機柜間、電路板間及 芯片間，甚至芯片內部的遠距離電路模塊之間。
[0003] 盡管基于硅基標準CMOS工藝的光接收機取得很大的進展，然而由于硅材料本身性 質及工藝條件限制，基于標準CMOS工藝光接收機的靈敏度偏低，難以達到真正實用化要求。
[0004] 發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術中至少存在以下缺點和不足：
[0005] 作為光接收機的關鍵參數(shù)之一，靈敏度與模擬前端電路的噪聲密切相關，所以研 究高速光接收機的噪聲降低技術同等重要，但現(xiàn)有技術中尚未有較好的應用在CMOS光接收 機上的降低噪聲裝置，無法滿足實際應用中對靈敏度的要求。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于CMOS光接收機的高速全差分噪聲降低裝置，該噪聲降低裝 置采用三種帶寬提升技術來換取增益的提升，可以有效地減小電路的等效輸入噪聲電流， 詳見下文描述：
[0007] -種用于CMOS光接收機的高速全差分噪聲降低裝置，所述噪聲降低裝置包括：
[0008] 低噪聲跨阻放大器，用于將光電探測器輸出的電流信號轉化為電壓信號，并進行 初步放大，且跨阻放大器具有較低的等效輸入噪聲電流；
[0009] 單端轉差分電路，用于實現(xiàn)單端向差分輸出的轉換，同時提升電路帶寬，進一步放 大電壓信號，并有效降低后端電路引入的等效輸入噪聲電流、消除由電源等引入的共模噪 聲；
[0010] 兩級采用交錯式有源反饋和電容簡并電路的三階差分限幅放大器，用于將電壓信 號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0011]輸出緩沖級，用于將輸出的差分電壓信號轉換成單端輸出的電壓信號，提升光接 收機前端電路的驅動能力。
[0012] 其中，所述低噪聲跨阻放大器由共柵級放大電路、帶電感的共源共柵級支路和高 通濾波器組成。
[0013] 其中，所述共源共柵級支路通過引入一個電感，以及輸入端引入一個電感，與電路 中的電容或寄生電容構成兩個JT型寬帶匹配網絡。
[0014] 進一步地，所述單端轉差分電路通過引入電感，與電路中的寄生電容構成一個π型 寬帶匹配網絡。
[0015] 為了取得更好的降噪效果，所述輸出緩沖級優(yōu)選使用雙端轉單端電路結構。
[0016] 本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是：
[0017] 1、在跨阻放大器電路中，將RGC共源級結構改為共源共柵結構，一方面增大TIA的 等效跨導;另一方面可以屏蔽米勒效應，提升跨阻放大器的帶寬。
[0018] 2、采用π型寬帶匹配網絡技術，在RGC電路中引入兩個電感，與電路中的寄生電容 構成兩個η型寬帶匹配網絡。通過這兩個η型寬帶匹配網絡，可以即將RGC結構中的大部分寄 生電容與兩個電感發(fā)生諧振，降低各點阻抗，將極點推向高頻，從而有效擴展帶寬。
[0019] 3、在跨阻放大器的輸出端引入一個電感，與電路中的寄生電容形成一個π型寬帶 匹配網絡，從而進一步提升帶寬。
[0020] 4、為了實現(xiàn)單端向全差分輸出的轉換，引入一種新型的單端轉差分電路，在實現(xiàn) 全帶寬差分轉換的同時，還可減小芯片面積，提升帶寬和增益。
[0021 ]由于本發(fā)明的主要目的是降低噪聲，因此通過前三種技術將提升的帶寬轉化成增 益的提升，進而降低噪聲。第四種技術，主要為了消除由電源等引入的共模噪聲。另外還引 入了其他三種降低噪聲的技術：
[0022] 5、輸入端引入電感可以抑制探測器寄生電容引起的尚頻噪聲，因此減小等效輸入 噪聲電流。
[0023] 6、采用高通濾波器給晶體管M31提供最佳直流偏置，讓共柵級電路擁有最佳幅頻響 應，保持帶寬不變的條件下，通過提高電阻值來降低電路噪聲。
[0024] 7、在低噪聲跨阻放大器的輸出端引入一個電感，可以有效降低后端電路引入的等 效輸入噪聲電流。
[0025] 8、限幅放大器(LA)取為兩級三階，并且引入交錯式有源反饋電路和電容簡并結 構，有效抑制電路帶寬的下降。
[0026] 綜上所述，通過采用本發(fā)明提出的高速全差分噪聲降低裝置提高了 CMOS光接收機 的靈敏度。
【附圖說明】
[0027] 圖1給出了本發(fā)明所設計的用于CMOS光接收機的高速全差分噪聲降低裝置的結構 框圖；
[0028] 圖2給出了傳統(tǒng)RGC跨阻放大器的電路圖；
[0029] 圖3給出了帶有單端轉差分電路的低噪聲改進型RGC TIA的電路圖；
[0030] 圖4給出了兩級三階限幅放大器(LA)的電路圖；
[0031 ]圖5給出了輸出緩沖級(Buf fer)的電路圖。
[0032] 附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0033] 1:低噪聲跨阻放大器； 2:單端轉差分電路；
[0034] 3:兩級三階差分限幅放大器；4:輸出緩沖級。
【具體實施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0036] 實施例1
[0037] 用于CMOS光接收機的高速全差分噪聲降低裝置，參見圖1，該噪聲降低裝置包括：
[0038] -個低噪聲跨阻放大器I(TIA)，用于將光電探測器輸出的電流信號轉化為電壓信 號，并進行初步放大，且該跨阻放大器具有較低的等效輸入噪聲電流；
[0039] -個單端轉差分電路2,用于實現(xiàn)單端向差分輸出轉換，在提升電路帶寬和放大電 壓信號的同時，該結構可有效降低后端電路引入的等效輸入噪聲電流；
[0040] -個兩級三階差分限幅放大器3,該限幅放大器采用交錯式有源反饋和電容簡并 電路，用于將電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0041] -個輸出緩沖級4,用于將兩級三階差分限幅放大器3輸出的差分電壓信號轉換成 單端輸出的電壓信號，并提供驅動能力。
[0042]其中，本發(fā)明實施例采用帶電感的調節(jié)型共源共柵(RGC)電路作為跨阻放大器的 基本結構，有效降低輸入阻抗和屏蔽米勒電容，提升跨阻放大器的帶寬。
[0043]為了進一步展寬跨阻放大器的帶寬，在RGC電路中引入兩個電感，與電路中的電容 構成兩個η型寬帶匹配網絡。通過這兩個η型寬帶匹配網絡，使RGC結構中的大部分寄生電容 與兩個電感發(fā)生諧振，降低各點阻抗，將極點推向高頻，有效擴展帶寬。
[0044] 為了降低跨阻放大器的等效輸入噪聲，需要犧牲上述技術提升的帶寬來換取增益 的提升，進而能有效降低等效輸入噪聲，另外還采用高通濾波器給M 31提供最佳直流偏置，讓 共柵級電路擁有最佳幅頻響應。
[0045] 在保持帶寬不變的條件下，通過提高電阻阻值來降低電路噪聲。同時，輸入端引入 的電感可以減小等效輸入噪聲電流，而輸出端引入的電感可以減小后端電路產生的等效輸 入噪聲電流，以及采用差分模式，消除電源等引入的共模噪聲。
[0046] 考慮系統(tǒng)功耗、多級級聯(lián)引起的寬帶變窄和噪聲累加效應，本發(fā)明實施例只用兩 級三階交錯式有源反饋限幅放大器