一種基於標準cmos工藝全集成光電轉換接收機的製作方法

2023-04-26 22:44:31

專利名稱：一種基於標準cmos工藝全集成光電轉換接收機的製作方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，涉及ー種光電轉換接收機，尤其涉及ー種基於標準CMOSエ藝全集成光電轉換接收機。
背景技術：
如今，隨著各種通信協議速率的不斷提升，10Gb/s將要成為了有線互聯發展的主流趨勢，而最近面向40Gb/s速率一些關鍵電路模塊也開始湧現，而面向單通道至少IOOGb/s以上是發展的必然趨勢。但是隨著速率的不斷提升，電互連本身的發展也受到信道傳輸的限制(高頻衰減及接ロ反射)而步履維艱。這時候晶片間的光互連就越發有吸引力，也是發展的必然趨勢。
因為晶片間的光互聯存在以下優勢不存在接ロ反射、信道衰減較小、不存在綁線電感、省去接ロ的ESD、便於多晶片集成，但是當前技術發展也存在以下尚待解決的問題目前矽基標準CMOS光電探測器不能同時達到高速光通信所要求的高本徵帶寬和高響應度這兩個要求、對高調製光發射機難以通過標準エ藝實現、需要改變傳輸介質等等。儘管如此，採用矽基標準CMOSエ藝來實現光接收機的單片集成仍是ー個具有重要價值的研究方向和發展趨勢。由於標準CMOS光電集成接收機與已大規模商業化應用的標準CMOSエ藝是完全兼容的，因其成本很低，對於實現短距離和甚短距離光通信網絡的大規模商業化應用具有強大的推進作用，具備廣闊的商業化應用前景和潛在的巨大經濟效益。矽基標準CMOSエ藝來實現光接收機的單片集成也面臨著ー些挑戰和問題基於標準CMOSエ藝的光電探測器的響應度不足，需要從電路設計的角度來對光電探測器的頻率進行補償。而現有技術由於模擬均衡器電路過於複雜，不僅犧牲了相當大的增益和晶片面積，會引入較大的插入損耗，導致信噪比下降，而且無法實現自適應的補償。此外，均衡電路中採用了片外電容，這與單片集成的概念發生了矛盾。由於襯底中的慢光生載流子的作用，光電探測器(PD)的本徵帶寬被限制在數MHz，所以目前的普通矽基標準CMOSエ藝的光電探測器響應度和本徵帶寬均無法實現在高速率下工作(lGb/s及以上)。為了抵消上述襯底慢生載流子的作用，目前通常所採用的辦法為部分遮光的辦法(SML結構)來實現，通過全差分電路結構，用光電探測器被遮擋部分所產生的襯底電流信號與不被遮擋的光電探測器中產生的襯底電流信號進行消除，從而使數據有效工作帶寬能夠達到lGb/s及以上，這樣基本實現不包含襯底的PN結來構造有效探測高速光信號的高本徵帶寬光電探測器。但是僅採用上述辦法，其光電接收機的性能又會受限於光電探測器(PD)的本徵帶寬，所以還需要採取額外的電路補償辦法來補償其本徵帶寬限制所導致的頻率響應的不足，與電路中的極點頻率響應曲線下降速率相比(典型值為-20dB/dec)，光電探測器的光頻響應曲線的下降速度要慢的多，一般在-3dB/dec到-5dB/dec (如圖I所示)。因此之前電路中常用的零點/極點頻率補償技術不再適用於光電探測器頻率響應的補償。

發明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供ー種基於標準CMOSエ藝全集成光電轉換接收機。本發明的基於標準CMOSエ藝全集成光電轉換接收機，包括光電探測器、跨導放大器、均衡器、多級限幅器、DCOC處理電路、輸出緩衝器、斜率探測器、誤差放大器；所述光電探測器的P端接地、N端與所述跨導放大器輸入端連接，所述跨導放大器經一高通電路與所述均衡器的差分輸入端連接，所述均衡器輸出端經所述多級限幅器與所述輸出緩衝器的差分輸入端連接；限幅器a的ー輸出端、限幅器b的ー輸出端分別經一所述斜率探測器與所述誤差放大器的輸入端連接，所述誤差放大器的輸出端與所述均衡器的反饋控制端連接；所述輸出緩衝器的差分輸入端經所述DCOC處理電路與所述均衡器的輸出端連接；其中，所述限幅器a、限幅器b為所述多級限幅器中鄰近兩級限幅器。所述跨導放大器與所述均衡器為三級架構電路結構；其中，所述跨導放大器為第ー級電流電壓轉換電路，所述均衡器包括第二級電壓放大電路和第三級均衡補償電路；所 述電流電壓轉換電路經所述高通電路與所述電壓放大電路的差分輸入端連接，所述電壓放大電路輸出端與所述均衡補償電路的差分輸入端連接，所述均衡補償電路的反饋控制端與所述誤差放大器的輸出端連接。 所述均衡補償電路包括MOS管M7和MOS管M8，MOS管M7的柵極、MOS管M8的柵極為與所述誤差放大器的輸出端連接的反饋控制端，MOS管M7的源端、MOS-MS的源端與電源電壓端連接，MOS管M7漏端經ー電感LI與一 MOS管M5的漏端連接，MOS管M8的漏端經ー電感L2與一 MOS管M6的漏端連接，MOS管M7的漏端經ー電容與MOS管M8的漏端連接；M0S管M5源端與MOS管M6源端經ー電流源與地線連接；M0S管M5柵極與MOS管M6柵極分別為所述均衡補償電路的差分輸入端。所述第一級電流電壓轉換電路的電源電壓端的電壓為2. 5 3. 3V ;所述第二級電壓放大電路的電源電壓端的電壓為I. 2 I. 8V ;所述第三級均衡補償電路的的電源電壓端的電壓為I. 2 I. 8V。所述斜率探測器包括一高通濾波器和一整形器；所述高通濾波器的輸出端與所述整形器的輸入端連接。所述輸出緩衝器的兩輸出端ロ分別與ー電阻連接。所述光電探測器的接光面一側設有一金屬層，用於遮擋部分入射光。本發明提出根據ro頻率衰減的特點，設計出符合其光電探測器頻譜特點的補償辦法，能夠適應於更高數據率傳輸，改善Jitter和誤碼率井能夠實現自適應調節。用LC諧振網絡補償的辦法來較好的補償了光電探測器的頻響曲線，並通過調整電感Q值(用線性區電阻)，來實現自適應補償，以覆蓋溫度及外界環境變化對H)的影響。圖2給出了本發明所提出的光電接收機的架構，此架構採用了全差分的電流結構，採用了 PN型光電探測器的前端架構，其中光電探測器一半被金屬層遮擋另一半未被金屬層所遮擋，經過850nm光源照射之後，會產生光電流信號給入到跨導放大器(TIA)中，之後信號經過交流耦合後進入均衡器(Equalizer)中，光電探測器的高頻分量的衰減被均衡器所補償，從而使整個接收機的帶寬被拓展，補償之後經過多級限幅器(LA)進行信號放大，最終送到輸出級。另ー方面，由於多級LA輸入信號可能存在的直流偏移，需要採用直流消除技術(DCOC)進行消除。另外，此補償採用的是自適應補償方案，其反饋分量是經過比較臨近輸出級的兩個信號的斜率，能夠提供反饋控制電壓，來調節反饋控制分量。圖3給出了 TIA與均衡器的電路結構，採用三級的架構。TIA作為電路架構第一級採用較高電壓VCC (如2. 5V 3. 3V)，使信號輸入端有較大的電壓，從而提高光電ニ極管PN結的反向電壓，保證光電管產生足夠大的光電流信號；均衡器作為電路架構後兩級採用較低電壓VDD (如I. 2V I. 8V)。前兩級主要用來提供TIA的跨阻增益，第三級的電容和電感用於產生諧振，使TIA幅頻曲線在5GHz點有ー個峰，用於環路的反饋均衡 ，第一級與第二級間用一個ー階高通電路進行隔直，為後兩級提供正確的差分電平。斜率探測器有多種實現結構，圖4給出了ー種電路實現辦法，此方案採用了將輸入信號先經過高通濾波器，之後再進行整形器(Rectifier)即可得到含有頻率信息的反饋控制分量。圖5給出了本光電接收機反饋補償前後輸出眼圖的變化。與現有技術相比，本發明具有以下優點 本發明提出根據ro頻率衰減的特點，設計出符合其光電探測器頻譜特點的補償辦法，能夠適應於更高數據率傳輸，改善Jitter和誤碼率井能夠實現了自適應調節。用LC諧振網絡補償的辦法來較好的補償了光電探測器的頻響曲線，並通過調整電感Q值(用線性區電阻)，來實現自適應補償，以覆蓋溫度及外界環境變化對PD的影響。


圖I、PN架構的ro結構及頻率響應曲線；(a) PN架構的H)結構，(b)PN架構的頻率響應曲線；圖2、本發明提出的光電接收機架構；圖3、本發明TIA與均衡器的電路架構；圖4、本發明所使用的Slope Detector電路結構；圖5、頻率補償前後眼圖變化；(a)補償前，(b)補償後。其中1_光電探測器，2-跨導放大器(TIA)，3-均衡器(Equalizer)，4_限幅器(LA)，5-DC0C處理電路，6-輸出緩衝器，7-斜率探測器，8-誤差放大器(EA)。
具體實施例方式下面本發明將結合附圖中的實施例作進ー步描述首先介紹ー下主要電路模塊PD :光電探測器(圖2中的模塊I)TIA :跨導放大器，主要實現電流到電壓的轉換(圖2中的模塊2)Equalizer :均衡器，實現信號高頻分量的補償(圖2中的模塊3)LA 限幅器，將信號放大(圖2中的模塊4)DCOC :直流偏斜消除模塊(圖2中的模塊5)OutputBuffer :輸出緩衝器(圖2中的模塊6)Slope Detector :斜率探測器，將交流信號變為直流信號(圖2中的模塊7)，採用如圖4所示電路結構實現，將輸入信號先經過高通濾波器，之後再進行整形器(Rectifier)得到含有頻率信息的反饋控制分量。EA :誤差放大器，將得到的反饋控制分量給入到均衡器實現自適應(圖2中的模塊8)本發明所提出的光電接收機的架構如圖2所示，該架構採用了全差分的電流結構，採用了 PN型光電轉換器的前端架構，其中光電探測器I的接光面一半被金屬層遮擋，另一半未被金屬層所遮擋，將PN型光電探測器的P端接地，N端接到跨導放大器的差分輸入端上。經過850nm光源照射之後，光電探測器會產生光電流信號給入到跨導放大器(TIA) 2中，實現電流到電壓的轉換，TIA的輸出端經過交流耦合後進入均衡器(Equalizer」的差分輸入端上，從而使光電探測器的高頻分量的衰減被均衡器所補償，使整個接收機的帶寬被拓展，均衡器得到的均衡後的輸出信號其接到多級限幅器的差分輸入端上面，此補償之後經過多級限幅器(LA) 4進行信號放大，多級限幅器的輸出端接到輸出緩衝器6的差分輸入端上。另ー方面，由於多級LA輸入信號可能存在的直流偏移，需要採用直流消除技術(DC0C)5 進行消除。另外，反饋分量是利用斜率探測器7測量鄰近兩限幅器4輸出的兩個信號的斜率，經過處理後得到的信號加在誤差放大器(EA)S的兩輸入端，整個反饋控制電路通過多級限幅器的輸出端和中間某級波形斜率/高頻分量的區別，經過斜率探測器7加在誤差放大器(EA)S的輸入端，再將EA輸出的電平(VC)加在均衡器(Equalizer) 3的反饋控制端上，實現反饋均衡；此補償是採用的自適應補償方案，其反饋分量是經過比較臨近輸出級的兩個信號的斜率，能夠得到反饋控制電壓，來調節均衡器進行信號的高頻分量補償。本實施方式的光電接收機反饋補償前後輸出眼圖的變化如圖5所示。
權利要求
1.一種基於標準CMOS工藝全集成光電轉換接收機，其特徵在於包括光電探測器、跨導放大器、均衡器、多級限幅器、DCOC處理電路、輸出緩衝器、斜率探測器、誤差放大器；所述光電探測器的P端接地、N端與所述跨導放大器輸入端連接，所述跨導放大器經一高通電路與所述均衡器的差分輸入端連接，所述均衡器輸出端經所述多級限幅器與所述輸出緩衝器的差分輸入端連接；限幅器a的一輸出端、限幅器b的一輸出端分別經一所述斜率探測器與所述誤差放大器的輸入端連接，所述誤差放大器的輸出端與所述均衡器的反饋控制端連接；所述輸出緩衝器的差分輸入端經所述DCOC處理電路與所述均衡器的輸出端連接；其中，所述限幅器a、限幅器b為所述多級限幅器中鄰近兩級限幅器。
2.如權利要求I所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述跨導放大器與所述均衡器為三級架構電路結構；其中，所述跨導放大器為第一級電流電壓轉換電路，所述均衡器包括第二級電壓放大電路和第三級均衡補償電路；所述電流電壓轉換電路經所述高通電路與所述電壓放大電路的差分輸入端連接，所述電壓放大電路輸出端與所述均衡補償電路的差分輸入端連接，所述均衡補償電路的反饋控制端與所述誤差放大器的輸出端連接。
3.如權利要求2所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述均衡補償電路包括MOS管M7和MOS管M8，M0S管M7的柵極、MOS管M8的柵極為與所述誤差放大器的輸出端連接的反饋控制端，MOS管M7的源端、MOS管M8的源端與電源電壓端連接，MOS管M7漏端經一電感LI與一 MOS管M5的漏端連接，MOS管M8的漏端經一電感L2與一 MOS管M6的漏端連接，MOS管M7的漏端經一電容與MOS管M8的漏端連接；M0S管M5源端與MOS管M6源端經一電流源與地線連接；M0S管M5柵極與MOS管M6柵極分別為所述均衡補償電路的差分輸入端。
4.如權利要求2或3所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述第一級電流電壓轉換電路的電源電壓端的電壓為2. 5 3. 3V ;所述第二級電壓放大電路的電源電壓端的電壓為I.2 I. 8V ;所述第三級均衡補償電路的的電源電壓端的電壓為I. 2 I. 8V。
5.如權利要求I或2或3所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述斜率探測器包括一高通濾波器和一整形器；所述高通濾波器的輸出端與所述整形器的輸入端連接。
6.如權利要求5所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述輸出緩衝器的兩輸出埠分別與一電阻連接。
7.如權利要求I所述的光電轉換接收機，其特徵在於所述光電探測器的接光面一側設有一金屬層，用於遮擋部分入射光。
全文摘要
本發明涉及一種基於標準CMOS工藝全集成光電轉換接收機。包括光電探測器、跨導放大器、均衡器、多級限幅器、DCOC處理電路、輸出緩衝器、斜率探測器、誤差放大器；所述光電探測器的P端接地、N端與所述跨導放大器輸入端連接，所述跨導放大器經一高通電路與所述均衡器的差分輸入端連接，所述均衡器輸出端經所述多級限幅器與所述輸出緩衝器的差分輸入端連接；所述輸出緩衝器的差分輸入端經所述DCOC處理電路與所述均衡器的輸出端連接。能夠適應於更高數據率傳輸，改善Jitter和誤碼率並能夠實現了自適應調節。可廣泛應用於通信技術領域。
文檔編號H01L27/144GK102832992SQ20111015796
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者廖懷林, 侯中原, 沈靈, 葉樂, 張興 申請人:北京大學