一种带自动带宽调整的10 Gbps跨阻放大器的研究与设计

郑 薇，任 军，刘 浩，尹 浩

（成都嘉纳海威科有限责任公司，四川 成都610000）

0 引 言

社会的快速发展带来了信息交换量的爆炸式增长。光纤通信因为传输速度快，信道容量大，体积小，重点轻等优点成为热门研究方向。随着技术的进步，下一代接入网将以10 Gbps速率为主。作为关键部件之一的光接收机的第一级即为跨阻放大器，它与光电二极管相连，对其最重要的要求是较高的灵敏度以适应长距离通信的要求和较大的动态范围以适应各种通信距离的要求。如何在保证带宽的情况下，实现较高的灵敏度和较大的动态范围一直是近年来跨阻放大器研究的重难点。本文基于65 nm CMOS工艺，设计了一种用于10 Gbps光接入网的跨阻放大器芯片。

1 电路设计

本文所研究的10 Gbps跨阻放大器的系统架构如图1所示，主要由跨阻放大器、单转双电路、输出驱动级、自动增益控制电路、自动带宽控制电路、直流失调消除电路、带隙基准源和稳压电路组成。以下将对跨阻放大器核心电路，自动带宽控制电路及自动增益控制电路进行详细研究。

图1 跨阻放大器系统框图

1.1 跨阻放大器（Transimpedance Amplifier TIA）核心电路

跨阻放大器核心电路位于整个跨阻放大器的第一级，其最关键的指标为－3 dB带宽和输入噪声电流。本文所设计的TIA核心电路图如图2所示，输入级采用共源共栅结构。反馈电阻Rf跨接在输入和输出之间，在小信号情况下，输入级增益约为Rf。负载端采用有源电感L1拓展带宽，为了避免R1消耗过大的电压空间，采用了一个电流抽取结构，输入管M1中的电流大部分从该电流抽取结构中流走，由此可以使负载电阻R1的取值尽量大，保证输入级的增益足够大，从而减小了由R1引起的噪声。

图2 跨阻放大器核心电路示意图

1.2 自动增益控制电路（Auto Gain Control AGC）

TIA直接与APD相连，放大光电流。该光电流的变化范围较大，典型值从5μA～2 mA变化，为了处理变化范围如此宽的电流信号，设计了自动增益控制AGC环路对跨阻放大器核心电路中的增益进行调整，当输入电流达到一定量时，AGC开启，产生一个与输入信号有关的控制信号Uac，将TIA核心电路的增益降低，保证电路在大信号时仍能正常工作。

AGC环路的电路拓扑结构如图1中自动增益调整模块所示。该AGC环路的原理是通过峰值检测电路，检测信号通路第二级单转双电路的输出信号幅度，得出一个电压；该电压与参考电压Uref进行比较，通过积分器产生一个与输入幅值成比例能够连续变化的电压Uac；将Uac用来控制TIA核心电路中与输入管相并联的MOS管Mf1的栅极和与Rf并联的MOS管Mf2，在小信号情况下，AGC环路未开启，此时 Mf1、Mf2管处于亚阈区，整个TIA的增益约为跨阻Rf。大信号情况下，这两个MOS管开启后均工作在线性区，其导通电阻为

Mf1和Mf2设计为不同的尺寸，通过改变其导通电阻可以有效的改变TIA输入电路的增益，使得输入TIA在较大输入电流下，输出波形保持不失真。

1.3 自动带宽控制电路（Auto Bandwidth Control）

带宽是跨阻放大器中极为重要的一个指标，通常情况下，当工作温度变化，芯片的生产工艺角有偏差时，芯片的带宽均会有明显的变化。当带宽变大时，会引入更多的噪声，从而恶化灵敏度；当带宽变小时，会引入更多的码间干扰（ISI）。本文设计了一种自动带宽调整电路（ABC），在芯片内部根据各种因素引起的带宽变化进行自动调整，保持带宽的恒定。该自动带宽调整电路拓扑图如图1中自动带宽调整电路框图所示。

自动带宽调整电路主要由三个部分组成，时钟产生电路、自动带宽控制信号产生电路、TIA复制电路。其工作原理为：由时钟产生电路产生一个一定频率的时钟信号；该信号通过时钟整形电路后同时送入比较器和TIA复制电路中；该复制电路与TIA核心电路具有相同的结构，在各种工艺角和温度下，它的增益、带宽与TIA核心电路具有相类似的变化趋势。

时钟信号经过复制电路得到一个信号，该信号可以准确的反映跨阻放大器电路的工艺角和温度情况，该信号与时钟整形信号做比较，然后送到积分器中得到一个控制电压Ubc。该控制电压随工艺角、温度的变化而变化，将该控制电压用来控制跨阻放大器核心电路中与负载阻抗相并联的MOS管的栅极，通过控制该MOS管的开启程度来实现自动调整TIA核心电路的带宽。

2 测试结果

跨阻放大器芯片采用65 nm CMOS工艺进行加工和生产。将裸芯片与APD以TO－CAN的形式封装进行测试，实物如图3所示，其中图片虚线框内的芯片即为所设计的跨阻放大器芯片。

图3 跨阻放大器TO－CAN封装实物图

对输出信号眼图进行了测试，如图4所示，输入信号为10 Gbps，231－1的伪随机码信号，在灵敏度和过载光功率附近，跨阻放大器芯片眼图均张开良好，图形较对称，上升较快，抖动较小。

实测的关键性能指标如下：工作电压：3．3 V；工作 电 流：29 mA；－3 dB带 宽：7．5 GHz；差 分 跨 阻：5．2 kΩ；动态范围：33 dB；等效输入噪声：850 nA。

灵敏度：－33 dBm＠ APD ER＝8．2 dB BER＝10－3PRBS＝231－1；

过载：－2 dBm ＠ APD ER＝8．2 dB BER＝10－3PRBS＝231－1。

图4 输出信号眼图

3 结 论

本文采用65 nm CMOS芯片设计并实现了一种10 Gbps跨阻放大器芯片。实测结果表明，该芯片可达到－33 dBm的10－3码灵敏度，0dBm过载功率，33 dB动态范围，5．2 kΩ跨阻增益，7．5 GHz的－3 dB带宽，采用3．3 V单电源供电，静态功耗为95．7 mW，完全满足10 Gbps光通信接收机的要求。