可控增益光电集成光接收机设计

基于IHP 0.25μm SiGe BiCMOS工艺,利用工艺库提供的分束器将入射光信号能量均分给差分电路两侧的Ge波导耦合型探测器,设计了一款应用于高速光通信和光互连领域的增益自动可控型光电集成光接收机.整体电路包括光电探测器、跨阻放大器、两级增益放大器、输出缓冲级、直流偏移消除模块和自动增益控制模块.为解除利用直流偏移消除电路检测峰值电压这种传统方案对消直流电容容值的限制,电路设计了同时具有峰值检测和增益控制功能的自动增益控制模块,并引入放电复位电容来控制采样时间.为了稳定差分电路的直流工作点,并避免引入过多功能模块对电路噪声的恶化,设计了结构灵巧的直流偏移消除电路.同时,为了提升电路带宽,还设计了带射随器反馈的共射跨阻放大器、带简并电容的Cherry-Hooper增益放大器以及可有效降低输入电容对级联电路带宽限制的f_T倍频器.仿真结果表明,在电源电压为3.3 V、输入光功率-10 d Bm的情况下,所设计的光接收机电路增益为80.2 dB?,-3 dB带宽为34.8 GHz,带宽范围内等效输入噪声电流小于35 pA/■.输入光功率在-15～-3 dBm范围内,电路可实现对增益的自动控制,输出摆幅约500 mV,波动小于10%.在40 Gb/s的传输速率下,电路眼图清晰方正,无明显的欠冲与过冲,交叉点清晰,张开度良好,有望用于高速单片集成光接收机中.     

基于SiGe BiCMOS工艺的高速光接收机模拟前端电路

基于IBM 0.18,μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一款12.5,Gb/s的全差分光接收机模拟前端电路.该电路由跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除电路和输出缓冲级组成.为获得更高的带宽,本文对Cherry-Hooper结构进行了改进,设计出一种三级级联的限幅放大器,而直流偏移消除电路则使用了差分有源密勒电容(DAMC)来替代传统的片外大电容,提高了电路集成度和稳定性.版图后仿结果表明,在探测器等效电容为300,f F的情况下,光接收机前端电路的跨阻增益为97,d B,-3,d B带宽为11.7,GHz,等效输入噪声电流小于14.2,pA/Hz~(1/2),芯片核心面积为720,μm×700,μm.     

2.5 Gbit/s无电感高灵敏度宽动态范围前置放大器设计

基于0.18μm RF CMOS工艺设计一种应用于无源光网络光接收机的无电感型2.5 Gbit/s前置放大器。该前置放大器主要包括跨阻放大器、单端转差分运算放大器和输出级电路。跨阻放大器基于3级推挽反相器结构,具有高增益和低噪声的特点,提高前置放大器的灵敏度;分析零点补偿原理,设计位于反馈环路之中的虚零点,提高跨阻放大器的工作速率,增加稳定性。提出一种新的具有自适应功能的自动增益控制技术,使得跨阻放大器在不同光输入功率下保持带宽不变,环路稳定,具有宽动态范围特性。研究结果表明:在误码率为10-10,传输速率为2.5 Gbit/s时,该前置放大器的接收光灵敏度高达-29 d B·m,输入最大光功率为2 d B·m,动态范围达31 d B·m;在1.8 V的电源电压下,芯片功耗为30 m W,芯片总面积为1×0.7 mm2。     

10Gb/s CMOS工艺光接收机前端放大器的设计

本文采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了一种应用于SDH系统STM-64(10Gb/s)光接收机的前端放大器。在跨阻放大器中,在共栅前馈结构的基础上加入有源电感,设计了一种宽带的跨阻输入级;跨阻放大器的增益级和限幅放大器核心单元采用三阶交叉有源反馈结构来扩展带宽。     

一种基于BCD工艺的850 nm光接收芯片的研制

采用0.5 μm BCD工艺研制了一种850 nm光接收芯片,包括光电探测器、跨阻前置放大器及后续处理电路.通过器件模拟设计并分析了基于BCD工艺的光电探测器的结构及其特性;设计光接收芯片的增益约为43.23 kΩ,上限截止频率为700 MHz.测试结果表明,探测器暗电流为pA量级,响应度为0.08 A/W.光接收芯片功耗约为100 mW,电噪声为4 nW;在输入313 Mbit/s非归零伪随机二进制序列调制的信号及无误码的情况下,灵敏度为-13.0 dB·m;该光接收芯片速率可达622 Mbit/s.     

采用红外通信的智能化抄表器电路设计

基于红外通信原理,设计智能电表的红外通信抄表器电路.在其发射电路中,采用两个红外发射管串联,以减小红外发射电路中的反馈电阻和并联一个小电容的方法来增大发射强度;而在其接收电路中,PIN型光电二极管接收光信号后直接进入带通滤波器,然后依次进入限幅放大器和前置放大器,以避免周边环境光使前置放大器进入饱和区或者截止区,增大红外传输距离.测试结果表明:红外通信距离在5m内,抄表数据的相对误差低于0.85%.     

宽带电流模形式PHEMT前置放大器设计

设计并实现了基于0.2 μm PHEMT工艺的宽带电流模形式前置放大器.前置放大器将光电二极管产生的电流信号放大并转换为差分电压信号.电路为共栅结构,输入电阻小,减小了光检测器寄生电容对电路带宽的影响.设计时采用了电容峰化技术,可获得比普通共栅结构更宽的带宽.后仿真结果为,在单电源5 V,输出负载50 Ω的条件下,该前置放大器的跨阻增益为1.73kΩ,带宽可达到10.6 GHz,同时具有低噪声和较宽的线性范围,芯片面积为607 μm×476 μm.测试结果表明,此前置放大器可以很好地工作在10 Gbit/s速率上.     

基于CMOS工艺的全集成高线性度可重构全球卫星导航系统射频接收机

介绍采用CMOS工艺设计全球卫星导航系统(GNSS)中射频接收机的可重构方法与高线性度技术.为完成多模多频接收,系统采用双通道结构,同时独立地接收两个不同频段的导航信号;针对不同导航系统的信号特征,接收机带宽可自由配置.此外,针对复杂环境下GNSS接收机高线性度要求,采用将混频器作为射频接收机第1级的系统结构,旁路低噪声放大器,从而提高系统线性度.GNSS射频接收机在0.18μm CMOS工艺下流片测试,工作频率在1.2/1.57GHz,噪声系数为2.5/2.7dB,镜像抑制比为28dB,最大电压增益110dB,增益动态范围73dB.采用高线性度结构后,输入1dB压缩点由-58dBm提高为-3dBm,接收机线性度显著提高.     

光接收机的宽带前置放大器

在光接收机中,人们通常把用作检测光缆传来的高频光信号的光检测器(由PIN管或者雪崩光电二极管组成)和前置放大器设计在一起。为了保证宽频带光信号的接收,就要求这种放大电路具有频带宽、线性好、增益高和信噪比亦高的特性。目前,性能最好的一种电路结构是:用雪崩光电二极管作光检测器,以砷化镓场效应管作前置放大器,并把电路设计为互阻抗放大器的形式。然而,雪崩光电二极管价格昂贵,场效应管,特别是低容值的砷化镓场效应管     

基于白光LED的可见光通信接收机专用集成电路设计

可见光通信接收机集成电路采用UMC 180 μm标准CMOS工艺设计,与传统光纤通信接收机不同,发射端基于白光LED.接收机电路使用有源电感、后均衡和负米勒电容技术以提升带宽,采用直流偏移消除反馈网络稳定电路直流电平.仿真结果表明,电路-3 dB带宽大约为436.5 MHz,输出稳定增益50 dB,功耗为7.06mW.对比传统分立元件搭建的电路系统,集成光接收机不仅功耗和便携性上有优势,带宽提升也有潜力.     

一种新颖的高速预放大器和采样器

介绍了一个用于高速串行通信中的新颖的高速预放大器和采样器.们负责对接收到的信号进行预放大和采样.其中,预放大器中设计了一个简单新颖的电路,利用前馈均衡来进一步消除信号的码间串扰,提高接收器的灵敏度.接收采样器采用SCFL结构,能够达到很高的工作速度.电路采用0.13μm CMOS工艺制造,工作电压为1 V,接收信号速率最高可达5 Gb/s.测试表明,接收预放大器功耗6 mW,采样器功耗2 mW.接收器输入信号差分峰-峰值150 mV条件下接收误码率小于10-12.     

基于RSOA的时分复用无源光网络上行信号光功率均衡器

为降低局端光接收机的复杂度,提高光网络可利用频宽,利用反射式半导体光放大器的增益饱和特性对时分复用无源光网络上行信号进行光功率均衡,并测试光功率均衡器对上行光信号传输品质的影响.结果表明,光功率均衡器可使上行光功率由-15~-25 dB·m的功率变化转换成约3 dB功率变化量输出,并可大幅改善上行光信号品质.     

基于55 nm CMOS工艺的可变增益放大器

为了实现5G通信系统中高数据传输速率的要求,满足宽带条件下接收信号幅度的大动态范围变化,基于Global Foundries 55 nm CMOS工艺提出一种宽带且增益大范围线性变化的可变增益放大器.在该可变增益放大器中,采用改进型Cherry-Hooper放大器结构使其动态范围和电路带宽有效扩展,并利用晶体管的可调谐特性,在不使用附加电路的前提下使增益变化具有良好线性,解决了CMOS电路中放大器增益与控制电压非线性变化的难题,同时添加低截止频率的高通滤波器,消除可变增益放大器的直流偏移,并降低其误码率.版图仿真结果表明,在-33.4～46.9 dB的超宽动态范围内实现增益线性变化,3-dB带宽对应的频率达到1.89 GHz(0.000 12～1.9 GHz),可变增益放大器芯片(核心区域,不含焊盘)面积仅为0.006mm~2.该可变增益放大器指标完全满足目前5G宽带通信系统的要求.     

CMOS RGC低噪声跨阻放大器

光纤通信系统接收端前置放大器的性能很大程度上决定着整个光纤通信系统的性能.基于CMOS工艺,给出了一个RGC结构的,应用于2.5Gbit/s光纤通信系统的低噪声跨阻放大器的实现方式.RGC结构具有极低输入电阻特性,同时,为了减小输入等效噪声电流和提高-3dB带宽,采用了跨导增大技术和感性峰值技术.采用SMIC的0.18μm CMOS工艺的仿真结果表明该电路具有61.23dB的跨阻增益,2.09GHz的带宽,输入等效噪声电流为9.4pA/(Hz)~(1/2),电路功耗仅为16.2mW.     

低功耗、高线性CMOS可编程放大器

针对接收机前端中可变增益放大器需要高线性处理大信号的问题,分析了使用源极退化电阻以及跨导增强电路的放大器线性度;设计了使用改进型跨导增强电路的放大器。它具有更强的跨导增强能力,同时减小了输入M O S管跨导由于漏源电压变化产生的非线性失真。提出了一种对称的可变电阻结构,它降低了M O S管开关带来的非线性。仿真结果表明,放大器在3.3V电源电压下直流功耗为1.5mW,在1~10MH z带宽、3~24 dB增益范围内,差分输出信号峰峰值为3.3V时,总谐波失真低于-60 dB。     

一种新型电流镜运算跨导放大器的设计

针对传统低压微功耗电流镜运算跨导放大器存在低增益和小摆率的缺陷,设计了一款新型电流镜运算跨导放大器。在不影响电路的静态功耗和稳定性的基础上,该运算跨导放大器采用增益提高(gain-boosting, GB)结构,增大了电路的小信号增益;引入开关型摆率增强(switched slew-rate enhancement, SSRE)结构,提高了电路的大信号摆率。基于UMC 0.11μm标准CMOS工艺进行电路设计和仿真。仿真结果表明：在1.2 V电源电压和10 pF负载电容下,与传统电流镜运算跨导放大器相比,设计的新型电流镜运算跨导放大器的增益提高了47 dB,正摆率提高了11.2倍,负摆率提高了12.4倍。     

协作通信中一种高性能空时二维RAKE接收算法

将空时二维RAKE接收机理引入异步协作通信系统,提出了一种高性能RAKE接收算法.首先利用该接收机对发送信息进行粗估计,并判决获得估计结果,给出发射信号的各条多径分量;然后将多径分量依次从接收信号中抵消,以消除所接收信号中由多径衰落产生的符号间干扰,从而获得所期望的直达路径分量.对直达路径分量按照空时分组码的合并译码准则进行空时合并,获得空间分集增益.在此基础上通过判决反馈、循环迭代进一步降低误码率.仿真结果表明,当信噪比高于5,dB后,新算法可显著提高传统空时RAKE接收机的性能.     

可见光MIMO通信中金字塔型接收机角度分集优化

为增强室内可见光多输入多输出(MIMO)通信系统的空间复用增益并降低信道相关性,提出一种优化的金字塔型角度分集接收模型.首先采用光线追踪分析方法建立室内系统模型及码间干扰模型,分析了MIMO系统接收平面码间干扰(ISI)以及光功率分布.在此基础上,对接收机分集维度、旋转角、倾斜角以及发光二极管(LED)和光电检测器(PD)的空间布局等参数通过控制变量法进行了优化.数值仿真结果表明,最佳的分集维度是4×4结构;同时,对于传输速率为100 Mbps的4×4 MIMO系统而言,当水平旋转角为45°,倾斜角为50°和LED间距为1.7 m时,系统可获得最大信道容量.通过对分集参数的优化,可有效增强信道分集增益,减少码间干扰,提升接收系统整体性能.     

应用于无线体域网2.4 GHz超低功耗唤醒接收机的设计

实现了一个基于不定中频结构的唤醒接收机,其中本振信号由环形振荡器产生,高Q值滤波匹配网络由外接电容和电感组成.本接收机采用工作于亚阈值区的MOS器件大幅降低电路总功耗,实现超低功耗;采用不定中频技术降低对本振信号的精度要求,从而降低振荡器的设计复杂度和功耗;采用双栅结构合并射频放大器和混频器,简化射频前端的设计并降低功耗.4级差分放大器电路作为中频放大器,在34μA低电流下实现了50 dB以上的增益和60MHz以上的-3 dB带宽,实现了对中频信号的滤波和放大.本接收机采用SMIC0.13μm工艺,开关键控调制,采用0.9V电源供电,功耗不到130μW,在100 kbps传输速率和10-3差错率下,灵敏度达到-60 dBm,核心芯片面积小,仅160×232μm2,满足通信频繁的无线体域网应用中对超低功耗及短延时、快速响应的要求.     

基于CMOS工艺的并联双反馈跨阻放大器的设计与实现

针对传统调节型共源共栅(RGC)跨阻放大器在带宽和增益方面的不足,提出1种可拓展带宽和优化平坦度的并联双反馈结构的全差分跨阻放大器.另外,采用反相器替代共源极辅助放大器来提高增益,减小等效输入噪声电流.输出缓冲级的输入端引入无源电感形成π型网络,以抵消其寄生电容.基于UMC 0.18μm CMOS工艺,制备出所设计的跨阻放大器芯片,并将其压焊在FR-4基材的印刷电路板上.测试结果表明,差分跨阻放大器的-3 d B带宽为3.5 GHz,总跨阻增益达60 d BΩ,工作频带内的群延时波动小于25 ps,平均等效输入噪声电流密度为18.72 pA/√Hz.在1.8 V工作电压下,芯片功耗为32.4 mW,裸片面积为800μm×600μm.