CMOS工艺前置放大器集成电路设计

论文总字数：30144字

摘 要

社会的发展已经越来越快，信息量也随着社会发展愈加庞大，交换速度也越来越快。这几年下来，载体为光波，传输媒质为光纤的光纤通信发展十分迅速，已经成为了当前信息发展高速公路的主要承载体。对于一般的信息传输载体来说，传输容量大、距离远、能耗低、抗干扰性强、抗辐射性强等特性是光纤通信的优胜之处。所以目前世界各国都在极力研究和发展光纤通信技术和光纤传输的高速集成电路，以期在通信领域中能先人一步。我国在光纤通信技术的研究上也投入了巨大的人力、物力。

光接收机的前端放大器电路在光纤传输系统中占据着重要位置，发挥极其关键的作用。它有两个部分组成：前置跨阻放大器、主放大器。而光纤接收机的性能指标在很大程度上取决于前端放大器电路的性能。

在整个光接收机的作用过程中，其几个重要部位分别进行不同的工作。第一部分是光检测器，它的主要作用是传输通道中的光信号转换成极其微弱的电流信号，然后将电流信号传给第二部分——前置跨阻放大器，它的主要作用就是放大光检测器传输过来的电流信号并且把它转换成电压信号，然后传给主放大器，然后再由主放大器再放大传输给下一个部分。而本次毕业设计所涉及到的光接收机的部分是第一部分——前置跨阻放大器。另外因为前置放大器输入信号十分微弱，所以需要所设计的前置放大器具有较高的增益、较高的灵敏度和将大的带宽，而这三个指标在一定程度上是相互矛盾的，所以如何设计出在一定程度上满足这三个条件的放大器是本次毕业设计的难点，此次设计中采用了自动增益控制（AGC）放大器的结构来完成前置工艺放大器的设计。

关键词：光纤通信，前置跨阻放大器

Abstract

With the development of the society，the capacity of information exchange grows rapidly day-to-day. In recent years, Optic-fiber communication systems became the key part of information super-highways for its merits such as large capacity, long transmit distance, economizing energy source, anti- interference and anti-radiation etc. Thus, it is very important to design high speed integrated circuits for optical transmission systems with independent property.

In the blocks of an optical transmission system, the front-end-amplifier is a critical part. Its performance has a great effect on the performance of the optical receiver.

Transimpedance preamplifiers (TIA) are used to amplify the weak optical detector output current signal and convert it into voltage signal. The modified RGC (Regulated Cascode) mode transimpedance preamplifier is chosen because of its small input impedance and broad bandwidth and good performance at low voltage supply situation. Several techniques such as shunt peaking and intersecting active feedback are exploited to achieve a challenging bandwidth. An Automatic Gain Control (AGC) amplifier or a limiting amplifier is generally chosen to realize the main amplifier. Due to the features of simple topology, small area and low power consumption, the latter one is chosen in this design. Shunt peaking, negative capacitance, two-order and three-order active feedback techniques are used to expand the bandwidth.

Key words: Optical fiber communication, The pre transimpedance amplifier

目录

摘要 I

Abstract III

目录 V

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1关于光纤通信 1

1.1.2光纤通信的研究与发展历程 2

1.1.3 国内光纤通信的发展 3

1.1.4 光纤传输系统 3

1.2 光接收机 3

1.2.1 光接收机系统结构 3

1.2.2 光接收机的性能指标 4

1.3 工艺选择 4

1.4参数要求 5

1.5论文组织 6

第二章 前置放大器基本理论概述 7

2.1 引言 7

2.2 光检测器 8

2.2.1 光检测器简介 8

2.2.2光检测器的工作原理 8

2.2.3PD的各项性能指标 10

2.2.3.1光检测器的光电转换效率 10

2.2.3.2 光检测器的暗电流 11

2.2.3.3光检测器的波长响应 12

2.2.3.4 响应时间 12

2.2.3.5 PD的噪声特性 12

2.2.4 PD的等效电路模型 13

2.3 光接收机中的前置放大器 14

2.3.1 前置放大器概述 14

2.3.2 前置放大器的基本指标要求 14

2.3.3 放大器的类别及性能分析 15

2.4 前置放大器的选择 17

2.5 本章小结 17

第三章 前置放大器电路设计及分析 18

3.1 设计电路和参数 18

3.2 接收电路的设计 26

3.3 参数要求 26

3.4 电路图和仿真结果 27

3.5本章小结 35

第四章 总结 37

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1关于光纤通信

社会的发展愈来愈快，信息量的交换也越来越大。通信网作为人们日常生活中不可或缺的一部分，其提供的带宽需求也是不断增长。为了满足人们的日益增加的通信需求，“信息高速公路”将变得速度更快、通信带宽更高，这是它的必然趋势。目前，以光波为信息载体的光纤通信是一种传输介质为光导纤维的高级通信手段，是“信息高速公路的”当前的构建基础，是目前通信传输网的主要技术。目前用户的接入网到城域网以及更基础的骨干通信网所采用的方式都是光纤通信技术来实现的。60%-80%的世界信息传输网的业务目前已经由光纤通信来承载。

光波在实质上来讲是一种电磁波，只不过它的频率极高。所以用光波作为载波进行通信传输的话，它的传输容量是现有通信方式的万倍以上，容量极其惊人。人们一直追求的目标就是光纤通信，作为已知速度最快的电磁波——光波，用其来作为通信载体也是通信技术发展的必然趋势。光纤通信与现行通信方式包括电缆通信和微波通信相比的话，具有一系列明显的优越之处：保密性强、抗辐射能力强、抗腐蚀能力强，可以应用在军事或者特殊环境下；抗电磁干扰，绝缘而且导光；因为原料为硅，也就是石英，使传统通信方式中大量运用的铜、铝、铅等金属的消耗量大大降低，对于环保也是有一定贡献；光纤载线的直径较细、重量轻便，比有色金属铜线要轻得多，特别适用于导弹、舰艇以及飞机这些设备的通信系统；中继距离比现有通信手段要长得多，对于中继器的数量大为下降，节约了成本，并且在传输过程中的损耗很低，它的低窗口损耗在0.2dB/km，在100GHz的工作带宽中，可以无中继的情况下传输100km，而电缆通信在100MHz的同等情况下只能传输5km；最为关键的是光纤传输具有通信容量大，传输频带高的特点，光纤通信的工作频率量级为1014 Hz，而电缆通信为105-109Hz，微波通信为109Hz，对比十分明显，而带宽方面，光纤通信的通信容量是微波通信的10万倍以上，是电缆通信的100万倍以上，相比较而言，光纤通信更适于满足当前的通信需要。

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