文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)06-0037-03
自1976年美國在亞特蘭大（Atlanta）現場試驗了世界上第一個光纖通信系統以來，光纖通信在商業應用中已有三十多年的發展歷程。而我國在此領域的所用芯片基本依靠進口，所以研制高性能的通信芯片對我國通信行業的發展具有極其重要的意義。
對于光接收機前端電路，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點，因此一直受到電路工程師們的青睞[1]。但前置放大器的設計需要在帶寬、增益、噪聲、電源電壓和功率損耗等因素之間進行有效的折中，在一定程度上給設計者帶來了困難。為了解決高跨阻與寬帶寬的矛盾，此次設計采用RGC(Regulated Cascode)輸入級以拓展帶寬。同時，為了解決輸入動態范圍與高跨阻、低噪聲的矛盾，采取了自動增益控制技術。
1 電路設計與性能參數分析
1.1 整體電路設計
圖1是一個傳統的跨阻放大器，M1和RD構成共源級，M2共漏結構構成源跟隨器，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（包括光檢測器的結電容、放大器的輸入電容和節點的寄生電容）。
1.2 電路性能分析
RGC組態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（當輸入晶體管被一個電流源取代時，將會產生虛地輸入阻抗）對前置放大器的設計是有用的[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作用。所以，減小輸入阻抗是通過自身電壓增益的大小而決定的。
根據小信號分析，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，電容相當于開路，使得差分放大器的兩個放大管具有相同的直流偏置；高頻時，電容相當于短路，差分放大器單端輸入、雙端輸出，從而實現了單端到雙端的轉換。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。因為VX-VY呈現出一個零平均值，所以差分對的輸出也是沒有偏移量的。圖2中的結構起到了一個高通濾波器的作用：在足夠低的頻率下，X節點和Y節點的信號是相等的，從而產生了零輸出。只有高通傳遞函數的低轉角頻率降低到幾十千赫茲以下時，時間常數R7C1才會達到幾十微秒，因此這個方法常需要一個大的外置電容。
2 模擬結果
本設計基于SIMC 0.18 μm工藝模型，在1.8 V電源電壓下，對所設計的前置放大器進行了模擬仿真。此跨阻放大器的幅頻特性曲線如圖3所示。當光檢測器的寄生電容CD為典型值0.5 pF時，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百歐姆范圍內，結果滿足系統的高速率（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。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軟件設計了一種帶自動增益控制(AGC)的RGC輸入跨阻放大器，最后選用SIMC 0.18 μm CMOS工藝庫對設計結果進行了仿真。結果表明，當輸入的光功率為-10 dBm、電源電壓為1.8 V、設定光檢測器的寄生電容為0.5 pF時，所設計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
[1] 王志功.光纖通信集成電路設計[M].北京：高等教育出版社，2003.
[2] 謝嘉奎，宣月清，馮軍.電子線路（線性部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.
[3] RAZAVI B.Design of integrated circuits for optical communications[M].胡先志，胡佳妮，譯.北京：人民郵電出版社，2008.
[4] PARK S M，YOO H J.1.25-Gb/s regulated cascode CMOS transimpedance amplifier for Gigabit Ethernet applications[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2004，39 (1)：112-121.
[5] PARK S M，TOUMAZOU C.A packaged low-noise highspeed regulated cascode transimpedance amplifier using 0.6 μm N-well CMOS technology[C].Proc.Eur.Solid-State Circuit Conf.(ESSCIRC)，2000：432-435.
[6] SACKINGER E，GUGGENBUHL W.A high-swing，high impedance MOS cascode circuit[J].IEEE J.Solid-State Circuits，1990，25(1)：289-298.