1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205
【目的】为了应对不断增长的超千兆需求，从千兆走向万兆，从第五代固定网络（F5G）走向高级第五代固定网络（F5.5G），50 Gbit/s无源光网络（PON）被认为是F5.5G的重要组成部分。故文章针对当前接入网络发展状况，对50 Gbit/s PON技术进行了深入研究。
【方法】文章首先介绍了实现50 Gbit/s PON高灵敏度面临的困难，并提出了解决方案。方案中，50 Gbit/s的非归零（NRZ）信号通过雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）探测器，在强电场的作用下形成可被检测到的宏观电流，该电流通过跨阻放大器（TIA）放大并转换成电压输出。对其进行均衡处理，采用光数字信号处理（oDSP）芯片的前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）对脉冲信号的拖尾现象进行补偿后，再通过DFE将码间干扰的影响降到最低。接着重点分析了APD、TIA和oDSP等关键技术，并采用25与50 Gbit/s APD对接收性能进行比较。
【结果】两组实验测试结果显示，第1组实验25 Gbit/s APD在测试时间4 min内接收信号无误码，接收光功率为－8.48 dBm，当误码率（BER）为2.78e－2时，接收光功率达－26.61 dBm；在使用50 Gbit/s APD的情况下，4 min内接收信号无误码时，接收光功率为－8.97 dBm。当BER为2.78e－2时，接收光功率达到－27.05 dBm，第2组数据50 Gbit/s APD-2也达到了同样的实验效果。
【结论】50 Gbit/s APD接收灵敏度更高，性能更好，更适合使用在50 Gbit/s PON光模块中实现高性能接收。最后文章针对未来降成本方案在均衡技术与APD上的应用提出了可行性分析。
50 Gbit/s无源光网络 雪崩光电二极管 光数字信号处理 跨阻放大器 高性能接收 50 Gbit/s PON APD oDSP TIA high sensitivity reception 光通信研究
2024, 50(1): 23015001
【目的】针对400 Gbit/s双偏振（DP）-16正交幅度调制（QAM）相干光接收机应用的核心线性跨阻放大器（TIA）实现问题。
【方法】文章基于先进锗硅异质结双极型互补氧化物半导体（SiGe BiCMOS HBT）工艺实现了一种64 GBaud双通道差分线性TIA。芯片核心由两路完全相同的信号放大通道组成，以输入放大相干接收的I和Q分量。信号放大通道电路采用全差分电压并联负反馈结构作为核心TIA，采用两级差分可变增益放大器（VGA）级联结构实现进一步信号放大，单端输出阻抗50 Ω的电流模逻辑（CML）缓冲器作为输出级。在输入两端，分别引入了独立的直流恢复（DCR）环路以消除输入信号直流分量及差分输出直流失调，并引入了全差分直流失调消除（DCOC）以消除工艺失配产生的输出直流失调，提高电路线性度。为了提高输入动态线性范围，引入了自动增益控制（AGC）电路以自动根据输入信号强度调节TIA跨阻及VGA增益，避免信号饱和失真；为了优化输出阻抗匹配，减小静电放电（ESD）二极管寄生电容影响，输出级采用了三端口桥式－T网络（T-Coil）电感峰化负载结构，以改善输出回损，提高带宽。芯片采用先进SiGe BiCMOS HBT工艺设计制造，裸片尺寸为1.6 mm×1.8 mm，通道间距为625 μm。芯片搭配结电容Cpd=50 fF的光电二极管（PD）及相干接收光路元器件封装成集成相干接收机（ICR）组件进行测试。
【结果】封测结果表明，该芯片小信号跨阻增益为差分5 kΩ，3 dB带宽为32 GHz，总谐波（THD）小于2%，饱和输入功率达到3 dBm，整个芯片由3.3 V单电源供电，静态功耗仅为250 mW。
【结论】芯片可用于64 GBaud的相干接收应用，配合DP-16QAM调制，可实现单波400 Gbit/s传输应用。
64 GBaud 差分线性跨阻放大器 可变增益放大器 三端口桥式－T网络 锗硅异质结双极型互补氧化物半导体 64 GBaud differential linear TIA VGA T-Coil SiGe BiCMOS HBT
1 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
2 中国电子科技集团公司 第四十四研究所, 重庆 400060
设计了一种基于0.18 μm BCD工艺的全差分TIA电路和光隔离IGBT驱动系统。分析了共模瞬态干扰对光隔离驱动系统的影响，提出了一种可以提高共模瞬态抗扰度(CMTI)的全差分TIA结构。TIA的差分输入端分别接一个遮光的PD和一个透光的PD，TIA的差分输出端做电平比较。只有一个TIA的输入能够接收光信号，产生差分增益，但是共模瞬态在隔离层的干扰却能耦合到TIA的两个输入端，因此共模瞬态的干扰作用将会被差分电路的共模抑制比(CMRR)减弱。且加入了窄脉冲滤波电路可滤掉共模瞬态干扰引起的短脉冲误差信号，进一步提高CMTI。所设计的TIA电路的仿真结果显示，CMRR达到105.4 dB，CMTI可以达到325 kV/μs。
全差分TIA电路 共模瞬态抗扰度 光耦隔离 栅驱动 fully differential TIA circuit common mode transient immunity optocoupler isolation gate driver
在高速接口电路中，接收机通常采用连续时间线性均衡器(Continuous-Time Linear Equalizer，CTLE)消除符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)对信号传输的影响。为提高CTLE电路的高频增益和减少芯片面积，基于UMC(United Microelectronics Corporation)28nm工艺，设计了一款最大速率为50Gbps的CTLE电路，其主体电路由跨导级联跨阻抗(Trans-Admittance Trans-impedance，TAS-TIS)结构和前馈路径的两级CTLE电路构成。在传统CTLE的基础上，使用有源电感做负载，以反相器为基础构建跨阻放大器和在输入管增加前馈通路等方式，有效地扩展了电路的工作频率。仿真结果显示，均衡后40Gbps PAM4(4-Level Pulse Amplitude Modulation)信号、50Gbps PAM4信号和28Gbps NRZ(Non Return Zero Code)信号的眼图眼宽分别达到了0.68，0.5，0.92个码元间隔(UI)，可满足后级电路对于输入信号的要求，对提升整体传输数据速率具有重要的意义。
连续时间线性均衡器 跨导级联跨阻抗 跨阻放大器 前馈通路 continuous-time linear equalizer (CTLE) trans-admittance transimpedance (TAS-TIS) transimpedance amplifier (TIA) feed-forward path
1 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
2 中国电子科技集团公司 第二十四研究所, 重庆 400060
基于0.13 μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种25 Gbit/s的光接收机前端放大电路单片集成的放大电路。该电路实现了光接收机前端放大电路的单片集成,并采用带反馈系统的跨阻放大器、电感峰化、自动增益控制电路等设计有效提高了增益、带宽和系统稳定性。经仿真与测试,该设计增益达到69.9 dB,带宽为19.1 GHz,并在工业级芯片工作温度(-40 ℃~+85 ℃)下带宽误差不超过0.1%。该芯片工作时需要的供电电流为45 mA,功耗为81 mW,信号抖动RMS值为5.8 ps,具有良好的性能和稳定性。本设计提供了一种能够适用于100 Gbit/s(25 Gbit/s×4线)光互连系统的设计方案,具有广泛的应用前景。
SiGe BiCMOS工艺 光接收机 跨阻放大器 光通信 SiGe BiCMOS process optical receiver transimpedance amplifier (TIA) optical communication
1 长沙理工大学 物理与电子科学学院, 长沙 410114
2 柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室, 长沙 410114
为进一步实现激光回波脉冲处理电路的高增益、高带宽基本要求, 对CMOS集成电路结构设计进行了深入研究: 采用改进型RGC跨阻放大器、自动增益控制Cherry-Hooper级联结构、与双端输出源极跟随器分别作为前置放大器、电压宽带放大器与缓冲环节构成激光脉冲信号的接收通路; 利用MOS_L等效并联电感峰化技术实现电路带宽拓展。在0.5μm的CMOS工艺条件下, 对其电路性能进行了仿真检测。结果表明: 该信号处理电路的信号带宽、增益、输入阻抗与输出电压的响应幅度分别为100MHz, 141dB, 117Ω和1V。最后对其电路提出具体的版图设计与测试方案等。
南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院, 南京 210023
基于65 nm CMOS工艺设计了一种56 Gbit/s PAM4 光接收机前端放大电路。前级为差分形式的跨阻放大器, 采用共栅前馈型结构降低输入阻抗, 并在输入端串联电感, 有效提高了跨阻放大器的带宽和灵敏度。后级放大器采用具有线性增益控制的多级级联可变增益放大器, 实现对输出摆幅的自动控制。输出缓冲器采用源极退化技术来拓展带宽。后仿真结果表明, 在100 fF光电二极管的寄生电容条件下, 所设计的光接收机前端电路的-3 dB带宽为24.4 GHz, 最大增益达到66 dBΩ, 等效输入噪声电流为17.0 pA·Hz-1/2。在输入电流变化及不同工艺角下, 输出眼图抖动较小且张开度良好。当电源电压为1.2 V时, 不同工艺角下的平均功耗为42.5 mW。
光接收机前端 跨阻放大器 自动增益控制 可变增益放大器 PAM4 PAM4 optical receiver front-end TIA AGC VGA
1 武汉大学 物理科学与技术学院, 武汉 430072
2 武汉飞思灵微电子技术有限公司, 武汉 430200
基于55nm CMOS工艺, 设计了一种具有宽动态范围的2.5Gb/s光接收机模拟前端电路。作为光接收机的输入级电路, 为了获得低噪声和高灵敏度性能, 跨阻放大器(TIA)基于三级反相器级联结构, 同时采用双自动增益控制(DAGC)电路来扩大输入信号的动态范围。为了提高增益, 引入后置放大器, 包括电平转换电路和三级差分放大电路, 同时利用电容简并的方法来进一步拓展带宽, 最后进行缓冲器输出。测试结果表明, 在误码率为10-12的情况下, 光接收机的输入灵敏度为-26dBm, 过载光功率为3dBm, 动态范围达到29dBm。光接收机在3.3V供电电压下, 电流功耗为36mA, 整体芯片面积为1176μm×985μm。
光接收机 跨阻放大器(TIA) 双自动增益控制 动态范围 电容简并 optical receiver TIA dual AGC dynamic range capacitance degeneration
为满足CMOS图像传感器(CIS)图像数据高速输出的需求, 提出一种适用于CIS的片上高速低电压差分信号（LVDS）驱动电路结构。首先介绍了CIS高速数据传输接口的常见类型、LVDS接口技术的起源和特点; 接着根据CIS的需求特点确定了LVDS驱动电路的设计思路和结构; 最后给出了驱动电路设计原理图和仿真结果, 以及接收端眼图仿真结果。仿真结果表明,该LVDS驱动电路, 数据传输速率可以达到500Mb/s, 所有参数均满足TIA/EIA644A接口标准的需求, 接收端眼高为310mV, 眼宽为0.9UI。
CMOS图像传感器 LVDS驱动电路 TIA/EIA644A接口标准 眼图 CMOS image sensor LVDS driver circuit TIA/EIA644A standard eye diagram
四川大学 物理科学与技术学院 微电子系, 微电子技术四川省重点实验室, 成都 610064
针对生物信号微弱、变化范围大等特点设计了一种用于检测微弱电流的全差分跨阻放大器(TIA)电路结构。不同于传统电路的单端输入, 该结构采用高增益的全差分两级放大器实现小信号输入及轨到轨输出。基于CSMC 0.18μm CMOS工艺, 采用1.8V电源电压对设计的电路进行了仿真, 仿真结果表明：TIA输入电流动态范围为100nA~10μA, 最大跨阻增益达到104.38dBΩ, -3dB带宽为4MHz, 等效输入噪声电流为1.26pA/Hz。对电路进行跨阻动态特性仿真表明, 在输入电流为100nA时, 输出电压的动态摆幅达到3.24mV, 功耗仅为250μW, 总谐波失真(THD)为-49.93dB。所设计的高增益、低功耗、宽输入动态范围TIA适用于生物医疗中极微小生物信号的采集, 可作为模块电路集成在便携设备中。
生物信号采集 健康监测 宽输入动态范围 高增益 跨阻放大器 biological signals collection health monitoring wide input dynamic range high gain TIA
