rgc结构光接收机模拟前端电路的优化设计

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1、RGC结构光接收机模拟前端电路的优化设计OptimizationandDesignofOpticalReceiverAnalogFrontEndCircuitofRGCConfiguration学科专业：微电子学与固体电子学研究生：陶希子指导教师：谢生副教授天津大学电子信息工程学院二零一五年十二月摘要随着信息技术的不断发展，人们对通信速率要求越来越高，光通信系统目前已将其应用领域扩展到互连系统中。光接收机作为通信系统的核心模块之一，尽管在混合集成方面取得一定的进展，但仍然存在体积大、成本高、可靠性

2、差等问题。因此，将光子器件和电子电路集成在同一衬底的单片光电集成芯片依然是当前的热点和难点。作为限制光接收机性能的关键部分，跨阻放大器（TIA）性能的提升必然是光接收机的研究重点。在众多跨阻放大器结构中，调节型共源共栅（RGC）结构以其优异的带宽特性而得到广泛应用。当今，RGC已发展衍化出多种改进结构，使得跨阻放大器的整体性能得到大大提升。鉴于RGC结构的优异性能，以及潜在的改进空间，本文比较分析了RGC的各种改进技术，并基于改进技术设计了两款光接收机模拟前端电路。本文的主要研究工作总结如下：1、

3、整理归纳了RGC的各种改进技术，将其划分为四类：辅助放大器改进技术、输入端网络匹配技术、电流增强技术和零极点抵消技术，并对不同改进技术的结构特点和性能优劣做了对比分析。2、基于对比分析结果，采用UMC0.18μmCMOS工艺设计了两款RGC跨阻放大器。首先，采用多级共源（CS）级联技术增强辅助放大器的增益，设计了一款高带宽差分交叉耦合RGC跨阻放大器，其中使用并联式有源电感实现最佳频率补偿。其次，采用辅助放大器改进技术和输入端网络匹配技术，设计了一款高增益、低噪声RGC跨阻放大器。为了提升电路的整

4、体性能，本文还提出了一种最佳偏置技术，使RGC主放大器和辅助放大器同时工作在最佳状态。3、采用并联式有源电感对传统限幅放大器（LA）进行了完善，并基于所设计的两款RGC跨阻放大器，提出两种光接收机模拟前端电路——基于交叉耦合的全差分光接收机模拟前端电路和基于最佳偏置的单端光接收机模拟前端电路。仿真结果表明，交叉耦合的全差分光接收机模拟前端电路的跨阻增益为81dBΩ，-3dB带宽为3.7GHz，对应的噪声电流谱密度为38pA/Hz1/2，眼图结果表明所设计电路可用于5Gb/s传输系统。基于最佳偏置的

5、单端光接收机模拟前端电路的仿真结果表明，光接收机电路的跨阻增益为92dBΩ，-3dB带宽为3.7GHz，对应的噪声电流谱密度为11.4pA/Hz1/2，5Gb/s速率的眼图清晰。以上结果表明，本文设计的光接收机电路能够实现5Gb/s通信速率。关键词：RGC改进技术多级CS级联辅助放大器并联式有源电感最佳偏置ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofinformationtechnology,therequirementsofhighspeedcommunicationinc

6、reasedcontinuously.Uptonow,opticalcommunicationhasbeenappliedtoopticalinterconnectionsystem.Asoneofkeymodulesinopticalcommunicationsystem,althoughtheopticalreceiversintegratedbyhybridmodehaveachievedmuchprogress,therearestillmanyproblemsneedtobesolved

7、,suchaslargevolume,highcost,andpoorreliability.Therefore,themonolithicallyintegratedoptoelectroniccircuitincorporatingphotoreceptorandelectroniccircuitonthesamesiliconsubstrateisstillachallenge.Asakeymoduleofopticalreceiver,thetransimpedanceamplifier(

8、TIA)isakeyfactorlimitingtheperformanceofopticalreceiver,sotheperformanceimprovingforTIAisstillaresearchfocusinthefieldofopticalcommunication.Duetotheexcellentcharacteristics,regulatedcascade(RGC)configurationusedforTIAdesignhasbeenstudiedexten