（1.武汉大学 物理科学与技能学院，湖北 武汉430072；2.武汉烽火通信科技株式会社微电子部，湖北 武汉430074）
基于0.18 μm BiCMOS工艺设计了一个事情速率为10 Gb/s的跨阻放大器。为理解决温度变革对放大器性能的影响，引入了与温度变革有关联的电流（温度电流），从而锁存成与温度有关联的电压给跨阻放大器供电，使得放大器增益在频带内平坦和带宽变革减小。为了扩大输入旗子暗记的动态范围，引入了可变MOS电阻来实现AGC功能，使得放大器可以事情在较大的输入功率。为了提高增益，引入了两级差分放大电路，同时采取电容简并的方法来进一步扩展带宽。版图后仿真结果表明，跨阻放大器电路差分跨阻增益为9 kΩ，-3 dB带宽为8.7 GHz，等效输入电流噪声为17 pA/√Hz，灵敏度为-20 dBm，输入饱和光电流为2 mA，功耗为66 mW，电源噪声抑制比为-16 dB，放大器核心电路版图面积为94 mm×63 mm，整体版图面积为937 mm×828 mm，知足商业运用的哀求。
温度补偿；温度电流；AGC；跨阻放大器；宽动态输入电流；电容简并
中图分类号：TN929.1
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.013
中文引用格式：陈伟，黄启俊，何进，等. 带温度补偿和AGC功能的10 Gb/s跨阻放大器设计[J].电子技能运用，2017，43(4)：51-54.
英文引用格式：Chen Wei，Huang Qijun，He Jin，et al. Design of 10 Gb/s transimpedance amplifier with temperature compensation and AGC circuit[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：51-54.
0 弁言
光通信系统的光吸收机中前置放大器的性能决定了吸收端旗子暗记的通信质量，一样平常哀求高跨阻增益，低输入参考噪声，宽的动态范围和高的电源噪声抑制比等。随着通信速率的升高，跨阻放大器以低的输入噪声和更宽的带宽成为了设计首选。光吸收机中前置跨阻放大器哀求永劫光连续事情，因此事情环境温度的变革不可避免的对芯片性能造成影响。为此，必须对放大器进行一定的温度补偿。在光吸收机中，输入光功率和PD二极管的相应度决定了输入电流，在输入电流过大的时候，自动使得跨阻增益减小，从而达到输入范围扩大的目的。
虽然目前CMOS工艺的跨阻放大器能够达到很高的事情速率[1]，但是在通信速率为10 Gb/s的节点上，CMOS前置放大器芯片每每会花费更大的功耗，有更高的噪声[2]，为提高带宽而采取无源电感[3]或者变压器[4]不仅霸占更大的面积，乃至导致功耗进一步增大。比较CMOS工艺而言，BiCMOS SiGe工艺器件有着更高的截止频率和相对低的器件噪声[5]，这意味着稳定良好的芯片性能和更小的芯片面积符合商用芯片的哀求。
1 前置放大器电路设计
光吸收机端一样平常由跨阻放大器、限幅放大器、时钟规复电路和解复用器电路组成[6]，跨阻放大器位于吸收机的最前端，其性能好坏对全体光吸收机有决定性的影响。
本文设计的跨阻放大器如图1所示。个中输入级电路将PD输入的光电流转换成输出电流，实现跨阻放大的浸染；自动增益掌握电路在输入光电流较大时将跨阻减小，从而扩展输入动态范围；温度补偿电路对输入级电源电压进行补偿，从而使得增益在带内保持平坦和足够的带宽；两级差分放大电路将输入级输出的电压旗子暗记进一步放大的同时，也进行阻抗变换来驱动输出缓冲电路；输出缓冲电路匹配外部负载50 Ω；带隙偏置电路为核心电路供应稳定的供电电压，同时供应与温度关联的、用来进行温度补偿的电流（温度电流）；PD偏置电压为PD光电二极管供应稳定的反偏电压。
1.1 输入级电路设计
本文采取的输入级电路构造如图2(b)所示，比较于图2(a)中一样平常的共射组态构造，放大器采取共射组态和射随器级联的办法，反馈电阻在射随器N2管的发射级。其电路方便直流事情点的选取，Vout点的电压为2Vbe，可以直接驱动后级差分放大电路，而图2(a)中，Vout约为Vbe1的电压，很难驱动后级电路，须要进一步的共模电平转换。图2(b)的另一个很大的优点在于其对付后级噪声有很强的减弱浸染，可以看出，后级输入噪声要经由一个N1管等效到输入，即减小了gm1R1倍，而图2(a)中，后级输入噪声直接通过反馈电阻Rf等效到输入，其噪声将会很大，跨阻放大器的灵敏度将会很低。图2(b)的小旗子暗记模型如图2(c)所示。个中Vreg是由温度补偿模块产生，来补偿温度对输入级跨阻和带宽的影响。
从图2(c)中可以得出输入级电路的传输函数，-3 dB带宽，低频输入阻抗分别为：
式中gm1，gm2为N1管和N2的跨导，Ro1和Ro2为N1管和N2管的发射极与集电极之间的电阻，Cin为输入总电容，Cout为输出端总电容。
1.2 温度补偿电路设计
为了抑制温度变革对电路性能的影响，需引入温度补偿电路，且哀求电路构造要只管即便不影响输入级的构造和花费太大的功耗。仿真结果表明，Vreg电压可以很好地掌握电路的增益和-3 dB带宽，为此，可以产生一个与温度有关系的Vreg电压来补偿输入级构造和后级电路的温度特性。Vreg电压的产生电路如图3(a)所示,可以表示为ItempR+Vbe1+Vbe2。
从图中可以看出，输入是一个与温度变革有关系的电流Itemp(Itemp由带隙基准构造产生)，从而产生一个与温度有关系的电压Vreg，这个电压经由一个运算放大器锁存后供给输入构造，实现带负载能力。引入了与温度有关系的Vreg电压后，全体放大器的的-3 dB带宽如图3(b)所示。从比拟中可以创造，温度补偿可以很好地掌握放大器的带宽，使得带宽随温度变革较小。
1.3 AGC电路设计
AGC电路的设计思路是在输入级电路中电阻 Rf并联了一个MOS管，当输入电流较大时，Nf管开启，处于三极管区，使得与 Rf并联的全体跨阻减小。而当输入电流较小时，Nf管关闭，处于截止区，使得全体跨阻最大，如图 4(a)所示， Vagc产生电路如图 4(b)所示。
V2p和V2n电压取自差分放大第二级的输出，两个电压经由低通滤波器之后输入到放大器A0中，放大器的输出电压经由低通滤波器之后掌握后级MOS管中电流分配，从而产生AGC掌握电压Vagc。假设V2p电压上升，经由放大器A0之后，Voffset电压上升，从而导致M1和M2中电流上升。M1中的电流经由PM1镜像到PM2中，也使得电阻上的电流增加，从而导致Vagc电压上升，开启图 4(a)中的Nf管，实现AGC的浸染。值得把稳的是，在AGC电路中，为了不使得Vagc电压上升的过快，加入了M3管，当Vagc电压上升到一定电压的时候，会导致M3管开启并处于三极管区，与Rc2并联后，会导致全体电阻减小，从而一定程度上减小了Vagc电压。其比拟结果如图5所示。可以看出，M3的引入使得Vagc掌握电压上升的更加缓慢，对输入电流的调控范围更大，但是引入M3管并没有改变AGC电压启动点。
1.4 中间差分放大级电路和输出缓冲电路设计
输入级产生的跨阻增益是有限的，中间差分放大器进一步将输入旗子暗记进行放大，其电路构造采取共射放大器和射随器相连的构造，如图 6(a)所示。在共射放大器中，利用了电容简并来补偿由前级产生的增益滚降。利用半边等效电路观点，其等效构造如图6(b)所示。
其等效跨导为：
可以看出，Gm中包含一个零点和一个极点，分别为1/(Rs1Cs1)和(1+gm1Rs1)/(Rs1Cs1)，而在N1管的集电极又包含一个极点为1/(R1CL)，如果集电极极点和等效跨导中的零点相抵消，则可以扩展放大器的带宽。但这因此降落低频增益和引入电阻Rs1的热噪声为代价的，须要不断优化和折中选择。
射随器电路除了完成了直流电平转换之外，也将输出电阻减小到了1/gm，提高了放大器的带负载能力；输出缓冲电路一样平常哀求CML电平输出，同时要匹配和驱动外部50 Ω电阻，其构造如图7所示，在设计中R1和R2为50 Ω。为了知足一定的输出幅度以驱动下一级限幅放大器，输出缓冲电路的电流一样平常比较大，在本次设计中输出缓冲电路尾电流源设计为8 mA，这样可以产生400 mV的差分输出电压。
2 版图和后仿真结果
整体电路版图采取0.18 μm BiCMOS SiGe工艺设计，其供电电压为3.3 V，芯片面积为937 mm×828 mm。互换仿真建立在得当的直流事情点之上，本文设计的跨阻放大器的跨阻增益和等效输入噪声仿真结果如图8所示。从仿真结果中可以看出，放大器的单端跨阻增益为73 dBΩ，-3 dB带宽在8.7 GHz，在10 G处等效输入噪声为17 pA/√Hz，从而得到跨阻放大器的灵敏度为-20 dBm。
当输入电流较大的时候，AGC掌握电压就会上升，使得跨阻增益减小，其变革曲线如图9所示。可见，当输入电流为40 μA的时候，AGC电压开始开启输入级跨阻上的可变MOS管电阻，减小跨阻增益。
在高速通信系统中，眼图是不雅观察通信质量最直不雅观的方法。本设计版图后仿真的瞬态眼图如图 10所示。
从仿真眼图中可以看出，“眼睛”伸开较大，上升和低落沿有一定的过冲，解释带宽足够，且输出关于零电平对称。“眼皮”厚度较小，解开释大器有比好的抗噪声性能。跨阻放大器的紧张性能汇总如表1所示。
3 结论
本文采取0.18 μm BiCMOS工艺实现了10 Gb/s跨阻放大器设计。为了得到带内平坦的增益和较大的输入动态范围，引入了温度电流和AGC模块。全体放大器的差分跨阻增益为9 kΩ，带宽为8.7 GHz，灵敏度为-20 dBm，芯片正在流片中，从版图后仿真结果来看，其芯片性能指标完备可以利用在10 Gb/s的光通信领域。
参考文献
[1] GALAL S，RAZAVI B.40-Gb/s amplifier and ESD protection circuit in 0.18-μm CMOS technology[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2004，39(12)：2389-2396.
[2] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].McGraw-Hill，Inc.2001.
[3] 孙洋，黄启俊，王豪，等.用于平衡探测器的5 Gb/s前置放大器设计[J].半导体光电，2014(6)：1062-1066.
[4] HAN J，CHOI B，SEO M，et al.A 20-Gb/s transformer-based current-mode optical receiver in 0.13-μm CMOS[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs，2010，57(5)：348-352.
[5] MAXIM A.A 10 Gb/s SiGe transimpedance amplifier using a pseudo-differential input stage and a modified Cherry-Hooper amplifier[C].Symposium on VLSI Circuits.2003：404-407.
[6] RAZAVI B.Design of integrated circuits for optical communications[M].Asia：McGraw-Hill Education，2005.
