摘要：采用SMIC 0.35μm CMOS混合信号工艺来设计开发一款适用于SDH STM-16的光接收机前端限幅放大器芯片。该限幅放大器的设计采用了电容中和技术来实现带宽的扩展，可满足2.5Gbps速率要求，芯片电路拥有信号丢失检测和自动静噪功能。芯片版图的参数提取仿真表明：芯片最小输入动态范围可达2mV，50Ω负载上的双端输出摆幅约为1400mVpp，在3.3V供电下静态功耗仅为66mW，动态功耗为105mW，有实际推广价值。
关键词：限幅放大器；电容中和；CMOS工艺
A Wideband Limiting Amplifier design of Basing on CMOS Technics
WANG Wei-ming1，YANG Tao1，GAO Ming-kun1，WANG Yun-feng2，GUO Don-hui1,2,3
(1.Department of Physis,Xiamen University, Xiamen 361005, China;
2. Department of Electronic Engineering ,Xiamen University, Xiamen 361005, China;
3 Xiamen Rich IT Microelectronic Technologies LTD, Xiamen 361005,china)
Abstract：A 2.5Gbps limiting amplifier was realized in SMIC 0.35μm CMOS mixed signal process for optical receiver’s front end. This limiting amplifier uses capacitance neutralization technology to improve bandwidth and can satisfy 2.5 Gbps requirement for SDH STM-16 system. The chip also includes detecting lost signals and automatic squelch module. The post-simulation results show that this chip offers an input dynamic range as small as 2 mV, and provides a constant double-end output of 1.4 Vpp over a 50 Ω load. The static power dissipation is only 66 mW and dynamic power dissipation is 105 mW with the supply voltage of 3.3 V.
Keywords: limiting amplifier; capacitance neutralization; CMOS technology
1引言
目前宽带通讯接入方式主要有xDSL、Cable Modem和FTTx（即光纤接入）三种[1]， 与xDSL、Cable Modem相比，FTTx具有明显的通讯带宽优势。随着互联网应用的普及，特别是人们对多媒体通讯的需求越来越广泛，在不久的将来，FTTx接入必然占统治地位。现阶段光纤通信收发系统成本偏高是推广FTTx接入的主要障碍，如何降低光纤通信收发系统成本已成为人们需要解决的一个重要问题。其中，限幅放大器作为光收发系统的核心器件之一，其主要功能是将前置放大器输出的较小幅度的电压放大到一个恒定的幅度，以满足后续数据判决和时钟恢复电路对输入电平的需求，因此设计出低成本、高性能的限幅放大器是当前研究的热点。
相较以昂贵的SiGe、GaAs、双极工艺，低成本、低功耗的CMOS工艺经过几十年的发展已经广泛用于光通信系统的各个方面[2]。因此本论文采用基于SMIC 0.35μm CMOS工艺进行限幅放大器的设计。为了实现2.5Gpbs速率级，使用常规的电路技术已经不能满足这样高速率的要求，因此必须使用带宽拓展技术来实现。常用的拓展频带技术主要有：反比例级联技术[3、4]、电容或电感峰值技术[2、3、5、6]，分布式技术[2、3、7]、Cherry-Hooper技术[2、8]、FT倍频器[2、3]和电容中和技术[3]等等。在文献[9]中详细介绍了反比例级联、电感峰值、分布式技术等频带拓宽技术的优点及不足之处；而文献[9]应用的电容峰值技术需要将尾电流源分拆成两个，降低了差分放大器对衬底噪声抑制能力和共模抑制比；Cherry-Hooper技术则需要使用双电流漏，降低电压裕度[2]。
为此，综合考虑所采用CMOS标准工艺的特点及各种带宽拓展技术，本文选择使用电容中和技术设计放大电路以获得带宽的拓展。在第二节将具体分析电容中和技术的电路设计原理，第三节介绍限幅放大器整体电路的设计与仿真结果，而版图设计结果和验证分析在第四节介绍，最后给出设计总结。
2宽带放大器的电路设计原理
放大器电路的带宽大小主要取决于可能存在的寄生电容问题，因此，设计宽带放大器所采用的带宽拓展技术主要是可以通过设计抵消寄生电容的电容中和技术来实现。其电路拓扑如图1（a）所示，C1为节点X上的寄生电容，Cc为引入的中和电容。由米勒效应原理[10]可知电容CC在X节点上的等效电容等于（1-AV）CC，即在X节点上的等效因此，宽带放大器的增益电路可以按如图2（a）所示来设计，其中：差分对M1、M2和负载电阻R1、R2构成了FT倍频放大器，电容C1、C2用于中和输入差分对M1、M2的栅漏、栅源寄生电容。其差分对单端等效电路图如图2（b）所示，Cgd1 、Cgs1分别为M1的栅漏、栅源寄生电容，其在输入节点INP的等效电容为Cgs1+（1+gmRL）栅漏、栅源电容，实现电容相消，从而拓展放大器电路的带宽。
此外，在差分对放大器电路后插入源级跟随器，用于电平转移和降低差分对的电容负载[2]，以进一步拓展放大器电路的带宽。
3限幅放大器的设计与功能仿真
在光接收系统中，低噪音前置放大器输出的毫伏级信号需要放大到一个恒定幅度的电信号，即需要限幅放大器，其工作原理是当输入信号幅度较小时，限幅放大器工作在线性区域,当输入信号幅度超过一定值时，限幅放大器进入非线性工作区域，使得输出信号幅度保持恒定。此外，所设计的限幅放大器要求在较大动态范围输入的情况下具有宽频带、高增益的特性。对于SDH STM-16光接收系统，通常要求限幅放大器具有约为1.8G的增益带宽[11]，增益约为40dB[5]。
为了满足实际应用要求，本文所设计限幅放大器的总体电路结构如图3所示，主要由增益单元，输出缓冲，直流失调反馈补偿回路以及信号丢失检测和自动静噪模块组成。其中，A模块为如图2所示的限幅放大器的增益单元，根据对增益、带宽、功耗等的折衷本文最终采用7级增益电路单元串接级联的结构；OBuf模块为限幅放大器的输出缓冲，用于实现输出阻抗匹配，提高驱动能力；DC offset模块为直流失调反馈补偿模块，用于补偿由于版图不对称可能引起的直流失调，实现输入阻抗匹配；LostDetect模块为信号丢失检测和自动静噪模块，主要功能是用于检测限幅放大器的输入信号幅度。
OBuf模块的电路结构如图4所示。R1、R2为片内集成电阻，R3、R4为片外精确电阻，以满足同时实现50Ω和75Ω负载匹配的应用需求。片内集成电阻R1、R2阻值为100Ω，片外电阻R3、R4的阻值可以根据两种不同的负载要求取不同阻值，50Ω阻抗匹配时R3、R4取值为100Ω，75Ω阻抗匹配时R3、R4阻值取300Ω。通过外接精确电阻可以提高输出电阻与传输线的匹配精度。
DC offset模块的电路结构如图5所示。电阻R1、R2的阻值为50Ω，用于实现输入50Ω阻抗匹配。电阻R3、R4、C1组成低通滤波器，用于实现直流失调补偿，低通滤波器的截止频率应尽可能小，一般为几十KHz左右[5]。
LostDetect模块主要是用来检测输入信号幅度是否满足设定的输入信号门限要求。当输入信号幅度小于设定的门限值时，关断增益电路单元和输出电路单元，屏蔽输出信号降低芯片的静态功耗，并发出告警信号。其电路结构如图6所示，主要由整流电路、放大电路、比较与驱动电路三部分组成。
限幅放大器电路的整体电路经Hspice仿真结果如图7所示。图7（a）表明芯片的整体增益约为57dB，带宽为3.1GHz，满足STM-16速率级的带宽要求。图7（b）表明芯片最小输入动态范围为2mV。图7（c）表明芯片处于工作状态下其动态功耗为109mW；在输入信号低以设定的门限值，电路自动关断增益电路单元和输出电路单元，芯片功耗仅为60mW，明显降低芯片的信号静态功耗。
4版图设计与验证分析
本限幅放大器的电路版图是采用SMIC 0.35μm的PDK套件来设计的，其中电路版图的核心部分即差分对电路是采用共质心版图设计技术实现的。这是由于差分放大器需要更严格的匹配，而共质心版图设计[12]是目前PDK套件所能使用的最佳匹配的技术，它可以同时抵消X方向和Y方向上的工艺梯度。最终设计出来的限幅放大器整体电路版图如图8所示，版图面积仅为0.4×0.5mm。
在版图设计过程中，由于各电路单元的布局、器件兑现的方式、电路器件间的隔离与连线、输出引脚的PAD设计和ESD保护等都可能产生寄生器件参数的影响，因此，高频的集成电路设计均需要版图寄生参数的提取和后仿真。通过对图8所示的版图寄生参数提取，得到版图的电路网表，同样使用Hspice进行仿真，其仿真结果如图9、10所示。
如图9（a）所示，限幅放大器增益为56dB，带宽降低为1.9GHz，相对于前端仿真结果，芯片的带宽下降的比较厉害，这主要是由PAD、ESD、连接线等的寄生电容引起的，但仍然满足STM-16速率级的带宽要求。图9（b）表明芯片的最小输入动态范围仍然可达2mV，与前端仿真比较结果变化不是很大。图9（c）表明芯片动态功耗约为105mW，静态功耗约为66mW，与前端仿真比较结果变化不大。
图10为在2.5Gbps的速率下，输入幅度分别为2mV和1V伪随机码的情况下得到的双端输出信号眼图，可以看出结果较为理想，满足设计要求。
5结论
本文基于SMIC 0.35μm CMOS混合信号工艺制程实现了一款限幅放大器芯片设计。芯片利用电容中和技术，在不增加功耗的情况下拓展了增益单元的带宽；芯片拥有自动静噪功能，能够在芯片不工作和输入信号幅度低于阈值幅度的情况下关闭部分电路，极大降低了芯片功耗。通过后仿真表明，本文设计的限幅放大器芯片可用作SDH STM-16光接收机的限幅放大器，具有实际推广价值。
参考文献
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（下转第48页）
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作者简介
王伟明，厦门大学硕士研究生，研究方向为集成电路；
郭东辉，厦门大学教授。
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