[发明专利]一种用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信系统以及光互连领域，尤其涉及一种用于CMOS光接收机的高 速全差分噪声降低装置。

背景技术

在网络与信息技术飞速发展的当今时代，以电互连为主要连接方式的短距离网络 通信技术逐渐显现出难以避免的缺点，主要表现在速度低、串扰大、功耗大等方面。而光纤 通信技术以其高速、无串扰及保密性好的特点可以弥补电互连的这一缺陷。因此，近年来光 纤通信技术在短距离和甚短距离网络通信的应用受到广泛关注。例如，机柜间、电路板间及 芯片间，甚至芯片内部的远距离电路模块之间。

尽管基于硅基标准CMOS工艺的光接收机取得很大的进展，然而由于硅材料本身性 质及工艺条件限制，基于标准CMOS工艺光接收机的灵敏度偏低，难以达到真正实用化要求。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

作为光接收机的关键参数之一，灵敏度与模拟前端电路的噪声密切相关，所以研 究高速光接收机的噪声降低技术同等重要，但现有技术中尚未有较好的应用在CMOS光接收 机上的降低噪声装置，无法满足实际应用中对灵敏度的要求。

发明内容

本发明提供了一种用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置，该噪声降低装 置采用三种带宽提升技术来换取增益的提升，可以有效地减小电路的等效输入噪声电流， 详见下文描述：

一种用于CMOS光接收机的高速全差分噪声降低装置，所述噪声降低装置包括：

低噪声跨阻放大器，用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，并进行 初步放大，且跨阻放大器具有较低的等效输入噪声电流；

单端转差分电路，用于实现单端向差分输出的转换，同时提升电路带宽，进一步放 大电压信号，并有效降低后端电路引入的等效输入噪声电流、消除由电源等引入的共模噪 声；

两级采用交错式有源反馈和电容简并电路的三阶差分限幅放大器，用于将电压信 号放大到数字处理单元所需电压水平；

输出缓冲级，用于将输出的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，提升光接 收机前端电路的驱动能力。

其中，所述低噪声跨阻放大器由共栅级放大电路、带电感的共源共栅级支路和高 通滤波器组成。

其中，所述共源共栅级支路通过引入一个电感，以及输入端引入一个电感，与电路 中的电容或寄生电容构成两个π型宽带匹配网络。

进一步地，所述单端转差分电路通过引入电感，与电路中的寄生电容构成一个π型 宽带匹配网络。

为了取得更好的降噪效果，所述输出缓冲级优选使用双端转单端电路结构。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、在跨阻放大器电路中，将RGC共源级结构改为共源共栅结构，一方面增大TIA的 等效跨导；另一方面可以屏蔽米勒效应，提升跨阻放大器的带宽。

2、采用π型宽带匹配网络技术，在RGC电路中引入两个电感，与电路中的寄生电容 构成两个π型宽带匹配网络。通过这两个π型宽带匹配网络，可以即将RGC结构中的大部分寄 生电容与两个电感发生谐振，降低各点阻抗，将极点推向高频，从而有效扩展带宽。

3、在跨阻放大器的输出端引入一个电感，与电路中的寄生电容形成一个π型宽带 匹配网络，从而进一步提升带宽。

4、为了实现单端向全差分输出的转换，引入一种新型的单端转差分电路，在实现 全带宽差分转换的同时，还可减小芯片面积，提升带宽和增益。

由于本发明的主要目的是降低噪声，因此通过前三种技术将提升的带宽转化成增 益的提升，进而降低噪声。第四种技术，主要为了消除由电源等引入的共模噪声。另外还引 入了其他三种降低噪声的技术：

5、输入端引入电感可以抑制探测器寄生电容引起的高频噪声，因此减小等效输入 噪声电流。

6、采用高通滤波器给晶体管M₃₁提供最佳直流偏置，让共栅级电路拥有最佳幅频响 应，保持带宽不变的条件下，通过提高电阻值来降低电路噪声。

7、在低噪声跨阻放大器的输出端引入一个电感，可以有效降低后端电路引入的等 效输入噪声电流。

8、限幅放大器(LA)取为两级三阶，并且引入交错式有源反馈电路和电容简并结 构，有效抑制电路带宽的下降。