可控增益光电集成光接收机设计

谢 生，邱博文，毛陆虹，谷由之，武 懿

可控增益光电集成光接收机设计

谢 生1，邱博文1，毛陆虹2，谷由之1，武 懿1

(1. 天津大学微电子学院，天津 300072；2. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

光电集成；增益自动控制；硅锗双极CMOS；光接收机

随着无人驾驶、远程医疗、大数据、云计算等领域的飞速发展，5G技术正逐步渗透到日常生活中，一个万物互联的时代即将到来．然而，绝大多数的应用场景都对新一代移动通信技术提出了高速率、低延时和广连接的要求，也为光通信及光互连领域带来了新的挑战[1-2]．光接收机作为数据传输的中转站，需实现光纤通路中光电信号的相互转换，是提升通信质量和速度的重要一环[3-6]．

传入光接收机的信号因激光器功率、中间损耗等因素而产生波动，使电路无法一直保持高质量的信号传输，甚至引起电路失效[7-9]．引入自动增益控制模块的光接收机则可接收一定范围内的输入信号，并将输出摆幅锁定在一个小的波动范围内，保障传输的稳定性．光接收机的自动增益控制功能可通过模拟电路或数字电路实现[10-11]．就模拟电路而言，目前已报道的文献大多利用直流偏移消除电路的峰值检测功能来为自动增益控制模块提供峰值电压，而缺少电容放电复位的功能[12-13]．这种方式的缺点在于需选取十分精确的电容值使两次采样时间具有较大的间隔，可能严重影响直流偏移消除的效果，导致差分电路的直流电平偏移，电路直流工作点不稳定，输出眼图抖动严重．

针对上述问题，本文采用具有复位功能的自动增益控制模块，并选取结构灵巧的直流偏移消除电路，在保障良好的直流偏移效果的同时实现对增益的自动控制．同时，本文应用改进型Cherry-Hooper限幅放大器结构并引入负电容补偿技术，全方位提升光接收机的带宽．基于IHP 0.25μm SiGe BiCMOS工艺对所设计的电路结构进行性能优化和版图绘制，应用IHP工艺提供的波导型PIN光电探测器，设计出一款增益可自动控制的高速光电集成光接收机．

1 电路整体结构

光接收机包含光电探测器、模拟放大电路和数字处理电路3部分．IHP工艺库中提供了已经商用的波导型PIN光电探测器[14]，其响应度为1A/W，带宽为60GHz．本文利用该探测器，设计了如图1所示的光电集成光接收机．光电探测器接收光纤中的光信号并将其转化成微弱的光电流，再经过一级跨阻放大器(TIA)和两级增益放大器(Amp)将光电流转化为可供后端数字电路处理的电平信号，最后通过输出缓冲级(Buffer)完成与后端电路的阻抗匹配．同时，本文还引入了直流偏移消除(DOC)和自动增益控制(AGC)两个功能模块来保证信号传输的稳定性．直流偏移消除电路用于消除因多级级联而造成的直流工作点偏移，自动增益控制模块用来避免过大的光电流波动而造成的波形失真．

图1 电路整体结构

2 电路设计及分析

2.1 跨阻放大器

本文设计的跨阻放大器电路如图2所示，采用差分型带射随器反馈的共射极放大器结构．与单端跨阻放大器相比，可以更好地抑制共模噪声、减小光电探测器与跨阻放大器间的寄生效应对信号传输质量的影响．共射极放大器的基极输入光电流经过并联分流反馈，通过反馈电阻f被馈送到射随器共射管3的发射极，3的基极与1的集电极相接，通过这条有源反馈通路，减小了电路的输入阻抗．同时，本设计将射随器的基极作为输出，与发射极作为输出的结构相比，可为后级电路提供更高的直流电平，保证后级电路稳定在最佳的直流工作点上．

图2 跨阻放大器电路

由于晶体管的基极-发射极电阻以及集电极-发射极电阻阻值较高，基极-集电极电容与基极发射极电容相比数量级很小，因此在小信号模型中可忽略这些参数．跨阻放大器的半边小信号模型如图３所示．由小信号模型分析可知，放大器的跨阻增益为

式中：in为放大器的等效输入电容；out为放大器的等效输出电容；m1为晶体管的跨导；为电阻的阻值．放大器的-3dB带宽为

由式(1)、(2)可知，为了获得良好的增益，可采用较大的f，但同时会带来带宽特性的恶化．因此，本文采用增大1跨导及电阻1阻值的方法优化带宽和增益特性，但需保证输出端的直流电平可使后级电路工作在正常状态下．

图3 跨阻放大器半边小信号模型

根据式(1)可知，跨阻放大器的低频跨阻增益近似等于反馈电阻f的阻值．因此，可以通过控制反馈电阻f的大小来实现对跨阻放大器增益的调控．这为增益自动控制功能的实现带来了便利．

图4 跨阻放大器幅频特性和等效输入噪声电流

2.2 增益放大器与直流偏移消除电路

增益放大器的作用是通过多级级联的放大器将跨阻放大器输出的电压信号继续放大，达到数据判决电路可以处理的水平．本文采用两级级联的改进型Cherry-Hooper放大器来进行增益放大，单级电路如图5所示．基础结构为两级级联的共射极放大器，这种结构的缺陷在于级联节点处存在一个低频的极点，严重制约放大器的带宽特性．而Cherry-Hooper型结构则在两级共射极放大器之间引入一个射极跟随器作为反馈通路，使1、2两个低频极点形成共轭极点，减小级联点电容效应对带宽的影响．为了进一步提升带宽，本文还引入了简并电容L，并联接入第2级共射放大器的输出端，引入新的零点来补偿低频极点.

图5 单级增益放大器

忽略晶体管的基极-集电极电容及基极发射极电阻，改进型Cherry-Hooper增益放大器的半边小信号模型如图6所示．

单级增益放大器的传输函数为

其中

引入简并电容后两级级联的改进型Cherry-Hooper放大器与传统两级Cherry-Hooper放大器幅频响应对比如图7所示，改进后的两级增益放大器 -3dB带宽为52.6GHz，电压增益约为30dB．另外，本文对两级增益放大器给予了不同的反馈值，将各级电路的共轭极点错开，减缓带宽特性因级联而造成的恶化[15]．

图7 单级增益放大器幅频特性

多级级联的增益放大器存在一个缺陷，一旦某个直流工作点的电平发生变化，后级电路将会不断放大这个变化，使部分晶体管改变工作状态，导致波形失真，电路功能失效．为了提升电路的稳定性，本文引入直流偏移消除电路，同时考虑到引入过多的功能结构会产生较大的噪声，本文采用了如图8所示结构灵巧的电路．电阻DOC和电容DOC形成了一个简单的高频滤波器，电容上仅存储直流电平，再通过MOS管反馈到第1级增益放大器的输入端，稳定各级的直流工作点．

图8 直流偏移消除电路

2.3 自动增益控制电路

由第2.1节对跨阻放大器的分析可知，可通过调节反馈电阻f的阻值来控制放大器增益的大小．因此，在反馈电阻的两端并联了一个NMOS管来调控反馈电阻的大小．正常工作状态下，MOS管的栅极电压小于开启电压，MOS管工作在截止状态下，电阻可视为无穷大，反馈电阻值近似等于f；当光接收机的输入电流剧增时，MOS管的栅极电压达到开启点，MOS管导通，工作在三极管区，此时反馈电阻值减小，放大器的增益也随之降低．MOS管的栅端控制电压由图9所示的自动增益控制电路提供．

图9 自动增益控制电路

实现自动增益控制的模块需要具备两个功能：一是对峰值电压的检测；二是利用检测到的峰值电压对增益进行自动控制．MOS管p1、p2、n1、n2、n3构成一个差动对来为峰值存储电容充电，其中p1、p2代替电阻结构形成有源电流镜．当差分输入端存在电压差时，差动对会在输出节点1产生一个电流，再由电流镜p3、p4将该电流复制到节点2为电容充电，使得节点2保持电容存储的电压，实现峰值检测功能．同时，峰值存储电容两端并联了一个提供放电功能的MOS管n4，当节点2的电压提升到一定值时，n4导通，使电容上存储的电荷被迅速释放，实现了复位功能．MOS管n5的栅端接收检测峰值电压，产生源漏电流，并由电流镜p5、p6将该电流镜像到o端，与电阻1、2、3产生输出电压，控制并联在跨阻放大器反馈电阻两端的控制管的工作状态．其中，MOS管n6和三极管1用于扩展实现增益自动控制的输入电流范围．n6导通时会迅速拉低电阻支路的阻值大小，三极管1可对控制管开启后的电阻支路进行分流，两种结构都可降低输出电压o的值，实现动态范围的扩展．

图10、图11分别为加入自动增益控制电路后光接收机增益和输出电压摆幅随输入电流变化的曲线．在探测器响应度为1A/W，且忽略耦合损耗的情况下，电路可接收功率为-15～-3dBm的光信号，经探测器转换为30～500μA的光电流，在此输入范围内，电路可实现自动增益控制功能，获得约500mV的输出摆幅，摆幅波动小于10%．

图10 增益随输入电流变化曲线

图11 输出电压摆幅随输入电流变化曲线

2.4 输出缓冲级

为了匹配后端数字电路50Ω的阻抗，同时保证模块间的最大传输功率，本文采用T倍频器结构作为输出缓冲级．在保证与传统差分对结构增益相同的前提下，输入电容仅为该结构的1/2，因此具有良好的带宽特性．因前级放大器已提供了足够的增益来满足输出摆幅的指标，T倍频器的增益仅1dB左右．同时，因为工艺的便利，仅需很小的尺寸和偏置即可达到要求．

3 仿真结果

图13 光接收机的幅频特性和等效输入噪声电流

传输速率为40Gb/s，输入光功率分别为-15dBm、-10dBm和-3dBm时的光接收机眼图如图14所示．光接收机正常工作状态下可接收的最小光功率为-15dBm，此时眼图质量良好，摆幅约为505mV，因噪声影响导致眼皮较厚；正常工作状态下，光接收机接收功率为-10dBm的光信号，此时眼图清晰方正，眼皮较薄，交叉点清晰、张开度良好，无明显的欠冲与过冲，输出摆幅约为490mV，实现了高质量的数据传输；500μA是电路可以处理的极限输入电流，此时输出摆幅约为460mV，眼图依旧清晰，虽出现了轻微的欠冲，但依然满足数据传输的要求．各输入功率下的眼图均未出现明显抖动，且交叉点出现在0mV附近的位置上，证明电路的直流偏移消除效果良好，直流工作点稳定，差分电路两侧未出现明显的电平偏移，增益自动控制范围内的传输信号稳定．

图14 眼图

表1总结了本文设计电路的性能，并与其他已报道的BiCMOS工艺光接收机进行了比较．由表1可见，本文设计的电路结构在综合特性，尤其是带宽方面表现出了较为显著的优势．

表1 BiCMOS工艺光接收机的性能对比

Tab.1 Performance comparison of BiCMOS optical re-ceivers reported in the literature

4 结 语

［1］ Keogh B，Zhu A. Wideband self-interference cancellation for 5G full-duplex radio using a near-field sensor array[C]// 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on 5G Hardware and System Technologies(IMWS-5G). Dublin，Ireland，2018：1-3.

［2］ 孙 洋，黄启俊，王 豪，等. 5Gbps全差分双端光接收前置放大器设计[J]. 红外与激光工程，2015，44(7)：2137-2142.

Sun Yang，Huang Qijun，Wang Hao，et al. 5Gbps fully differential dual-ended optical receiving preamplifier design[J]. Infrared and Laser Engineering，2015，44(7)：2137-2142(in Chinese).

［3］ Xu Jian，Yu Jiekui，Hu Qianggao，et al. 50G BPSK，100G SP-QPSK，200G8QAM，400G 64QAM ultra long single span unrepeatered transmission over 670.64km，653.35km，601.93km and 502.13km respectively[C]//2019 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition(OFC). San Diego，CA，USA，2019：1-3.

［4］ Mostafa G A，Tam N H，Christopher W，et al. 34 GBd linear transimpedance amplifier for 200Gb/s DP-16-QAM optical coherent receivers[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2019，54：834-844.

［5］ Sakamoto T，Mori T，Wada M，et al. Strongly-coupled multi-core fiber and its optical characteristics for MIMO transmission systems[J]. Optical Fiber Technology，2017，35：8-18.

［6］ Chen S，Wade M T，Lee Y，et al. Single-chip microprocessor that communicates directly using light[J]. Nature，2015，528(7583)：534-538.

［7］ Wang J C，Chen X F，Hu S，et al. A fully-integrated 25Gb/s low-noise TIA＋CDR optical receiver designed in 40nm-CMOS[C]// 2018 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference(A-SSCC). Tainan，China，2018：67-68.

［8］ Awny A，Nagulapalli R，Kroh M，et al. A linear differential transimpedance amplifier for 100Gb/s integrated coherent optical fiber receivers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2017，66(2)：1-14.

［9］ Bhagavatheeswaran S，Cummings T，Tangen E，et al. A 56 Gb/s PAM-4 linear transimpedance amplifier in 0.13μm SiGe BiCMOS technology for optical receivers[C]//2017 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium(CSICS). Miami，FL，USA，2017：2374-8443.

［10］ Deng S，Cleary E，Mcauliffe M A，et al. Design of an auto-gain control transimpedance amplifier for optical sensing applications[C]// 2016 27th Irish Signals and Systems Conference(ISSC). Londonderry，UK，2016：738-742.

［11］ Lee B S，Tan Y S，Thangarasu B K，et al. An inductorless variable-gain transimpedance amplifier design for 4GHz optical communication using 0.18µm CMOS[J]. Advances in Computer Science Research，2016：2352-2361.

［12］ Xue Z，He J，Fang Y，et al. A 10Gb/s inductorless optical receiver in 0.18μm SiGe BiCMOS[J]. Microelectronics Journal，2019，86：34-39.

［13］ Yu G，Zou X，Zhang L，et al. A low-noise high-gain transimpedance amplifier with high dynamic range in 0.13mm CMOS[C]// 2012 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT). Singapore，2012：37-40.

［14］ Lischke S，Knoll D，Mai C，et al. High bandwidth，high responsivity waveguide-coupled germanium p-i-n photodiode[J]. Optics Express，2015，23(21)：17-18.

［15］ Xie Sheng，Wu Yi，Wu Sicong，et al. An inductorless CMOS limiting amplifier with stream-mode active feedback[J]. IEICE Electronics Express，2018，15(17)：20180640-1-20180640-11.

［16］ 谢 生，谷由之，毛陆虹，等. 基于SiGe BiCMOS工艺的高速光接收机模拟前端电路[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2018，51(1)：57-63.

Xie Sheng，Gu Youzhi，Mao Luhong，et al. High-speed optical receiver analog front-end circuit based on SiGe BiCMOS process[J]. Journal of Tianjin Univer-sity：Science and Technology，2018，51(1)：57-63(in Chinese).

［17］ Jung H Y，Lee J M，Lischke S，et al. A 25Gb/s monolithic optical receiver with improved sensitivity and energy efficiency[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2017，29(17)：1483-1485.

Optoelectronic Integrated Optical Receiver with Automatic Gain Control

Xie Sheng1，Qiu Bowen1，Mao Luhong2，Gu Youzhi1，Wu Yi1

(1. School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

opto-electronic integration；gain automatic control；SiGe BiCMOS；optical receiver

the National Natural Science Foundation of China(No. 61474081，No. 61774113)，Opening of National Key La-boratory of Integrated Optoelectronic(No.IOSKL2017KF07).

10.11784/tdxbz201907069

TK433

A

0493-2137(2020)08-0833-07

2019-07-25；

2020-01-06.

谢 生（1978—  ），男，博士，副教授，xie_sheng06@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

邱博文，tju_qbw@163.com.

国家自然科学基金资助项目(61474081，61774113)；集成光电子学国家重点实验室开放课题资助项目(IOSKL2017KF07)．

(责任编辑：王晓燕)