CMOS工艺限幅放大器集成电路设计

论文总字数：29898字

摘 要

Abstract 2

第一章 概述 3

1.1 本课题研究的背景及意义 3

1.2 光纤通信的介绍 3

1.3 光纤通信的发展 5

1.3.1 光纤通信整体发展历程 5

1.3.2 国内光纤通信的发展 5

1.4 短距离光纤传输系统简介 6

1.5 工艺选择 7

1.6 设计流程 8

1.7 论文组织 9

第二章 Cadence软件的介绍和学习 10

2.1 Cadence 软件介绍 10

2.2 环境搭建和工程建立 10

2.3 AC仿真 13

2.4 DC 仿真 16

2.5 瞬态仿真 17

第三章 前端放大器的分析 19

3.1 引言 19

3.2 光检测器 19

3.2.1 光检测器简介 19

3.2.2 光电二极管的各项性能指标 19

3.2.3 光电二极管的噪声特性 21

3.2.4 光电二极管的等效电路模型 22

3.3 主放大器类型选择 22

3.3.1 自动增益控制（AGC）放大器和限幅放大器的对比 22

3.3.2 限幅放大器 23

第四章 10Gb/sCMOS限幅放大器的设计 28

4.1 10Gb/sCMOS限幅放大器的设计技术指标 28

4.2 三级三阶有源负反馈放大电路 28

4.2.1 DC仿真 30

4.2.2 AC仿真 30

4.2.3瞬态仿真 31

4.2.4 仿真结果与技术要求的比较 33

4.3 四级四阶有源负反馈放大电路 33

4.3.1 DC仿真 34

4.3.2 AC仿真 35

4.3.3 瞬态仿真 36

4.3.4 仿真结果与技术要求的比较 37

4.4 问题与分析 38

第五章 总结 39

致谢 40

参考文献 41

摘要

随着社会的发展，信息交换量与日俱增。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通信异军突起，发展十分迅速，已成为信息高速公路的主体。光纤通信具有容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国信息化建设具有重大意义。

在用于光纤传输系统的几个功能电路中，构成光接收机前端放大电路的前置放大器和主放大器是两个关键电路。而主放大器电路是本论文介绍的重点，主放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器和限幅放大器。由于限幅放大器具有设计简单、功耗低、芯片面积小和外接元件少的优点，我们选择采用限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。限幅放大器的宽带放大单元采用四级三阶有源负反馈放大电路。

该放大电路是基于TSMC018CMOS工艺库。在不使用无源电感的情况下，得到了足够的带宽以及频率响应平坦度。使用Cadence软件仿真对电路进行仿真，结果表明，该电路可以在10Gb/s的速率下工作，其小信号增益为59.85dB，3dB带宽为8.385GHz，输出电压摆幅为1.72V,该电路在1.8V的电源电压下直流功耗为71.59mW。

关键词： 0.18μm CMOS 限幅放大器 有源负反馈 TSMC工艺库

Abstract

With the rapid development of telecommunication networks, computer networks and Internet, it is urgent to build information super-highway. Optic-fiber communication systems are the principal parts of information super-highway for its merits such as great capacity, long transmit distance, economizing energy source, anti-interference and anti-radiation etc. Thus, it is very important to design high speed integrated circuits for optical transmission systems with independent property.

In the building blocks of an optical transmission system, the pre-amplifier and the main amplifier are the critical parts. The task of this project is to design a main amplifier for SDH STM-64 optical receiver using 0.18 µm CMOS technology.

An auto Gain Control (AGC) amplifier or a limiting amplifier is generally used to realize the main amplifier. The latter one was chosen to realize the main amplifier in our design since it has the feature such as simple topology, few external components and fast responsibility. A four-cascade three-order active negative feedback amplifier is used as the basic wide-band amplification cell to achieve a higher gain-bandwidth product.

Using TSMC 0.18μm CMOS process, a 10Gb/s limiting amplifier is realized. Without any inductors, the bandwidth of the amplifier is effectively increased while maintaining a flat frequency response by using four-cascade three-order active negative feedback. The post-simulation indicates that it can work at 10Gb/s, and has a small-signal gain of 59.85dB, a -3dB bandwidth of 8.385GHz. It can achieve a output swing of 1.72V and the circuit consumes a DC power of 71.59mW from a 1.8V supply voltage.

[keyword] 0.18μm CMOS technology, limiting amplifier, active negative feedback, TSMC process

第一章 概述

1.1 本课题研究的背景及意义

1965年，英特尔（Intel）公司的创始人戈登·摩尔提出著名的摩尔定律（Moore’s Law），其指出：当集成电路总成本不变时，电路上可放置的元器件数目，每隔就会增加一倍，整个集成电路的性能也会提升一倍。这一定律揭示了信息技术发展的速度之快，同时你 也在过去的五十年间得到的最好的印证。目前，随着半导体工艺（尤其是CMOS工艺）的技术迅猛发展，CMOS工艺不断向亚微米以及深亚微米的方向发展，计算机的高速多核的处理器的应用也是越发广泛，所以芯片上以及芯片间的数据传输速率的大幅度提高也将是未来发展的必然趋势。然而现如今，计算机和通信产业发展所遭遇的问题就是芯片规模的发展速度与芯片封装技术和芯片上芯片间数据传输速度的不匹配，芯片规模的发展如今已经使得封装技术与片上与片间数据传输速度相对滞后，所以提升芯片上与芯片间数据传输速度以及改善芯片间传输数据结构是未来计算机和通信行业发展的关键。

而如今通信领域的一个重要研究方向就是片上光互连，这种技术可以实现高性能微处理器间高速率、低功耗、抗干扰的数据传输，以达到高速处理器的数据传输速度的要求，这种技术的运用，将大大缩小芯片规模与芯片间数据传输速度的巨大差距，是解决未来通信以及计算机行业发展瓶颈的重要一环。而短距离光纤通信系统正是并行高速光互连系统的代表技术应用。我国国土辽阔，对光纤通信系统的需求十分巨大，目前2.5Gb/s速率的高速干线系统在我国已经得到了广泛的应用，是我国干线系统的中流砥柱，未来10Gb/s的超高速干线系统也将得到推广和应用，在不久的将来也必将成为我国信息高速公路的主干系统。然而目前我国的情况是系统所采用的高速集成电路的专利权基本是国外的，我国在高速集成电路领域的创新性远远落后于发达国家水平，所以我国必须在未来重视集成电路方面自主创新能力的培养，自主开发光纤传输系统将是我国计算机以及通信行业未来发展的重中之重。

1.2 光纤通信的介绍

随着信息化社会的高速发展，人们对于通信网的带宽需求也越来越大，速度更快、传输带宽更宽的“信息高速公路”将在未来的通信市场所占份额将越来越大并最终占据主导地位。而近年来光纤通信迅速起步，已经渐渐成为现代通信的重要支柱之一，在现在通信网的整体系统中起到了举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，是以光波为信息载体、以光导纤维为传输介质的一种先进通信手段，是当前构建“信息高速公路”基础通信传输网的主要技术。目前光纤通信方式运用广泛，从核心通信网到局域网甚至到用户的接入网，基本都是采用光纤通信的方式来实现，世界信息传输网中的业务大多由光纤通信完成。光纤传输系统近年来的迅速崛起可以称得上是计算机以及通信行业的一大奇迹，也是继蒸汽机、电动机和集体管之后有一大世界新技术革命的重要标志。

随着信息技术传输速度日益更新并不断加快，光纤技术已经得到足够的重视。光纤通信的应用相当广泛，在很多领域都能有着极佳的应用。比如在通信领域，众所周知，身处信息化时代的人们离不开高速方便快捷的通讯，而在因特网、有线电视以及电话的应用中，光线由于其抗干扰能力强、原料来源广泛、传输速度快和信息传输量大等优点取代了传统铜线，成为当今社会通信发展的最主要通信传输方式，而我国大多数地区的电力系统已经逐步完成由传统主干线到光纤的转换，而我国电力系统的光纤通信网已经发展成为我国规模最大最为完善的专用通信网，承载着电力系统中语音，图像以及其他数据传输的电信电力业务，是整个电力系统中不可或缺的重要环节。在医学医疗领域，光纤也有着很大的用武之地。光纤因为其柔软灵活可任意弯曲的优势可制成光导纤维胃镜，可插入心脏和大脑测量心脏血压以及监测血液中所含氧气的浓度，光纤还可制成内窥镜帮助医生检查病人的胃和食道等部位并传输胃和食道内部图像给医生，方便医生进行诊断。

从实质来看，光纤是频率极高的电磁波，光纤通信是以光波为载波，光纤为传输介质的一种超高速数据传输方式。因为光波的容量极大，是现有通信方式的万倍以上，所以用光波作为载波进行通信是极其理想的。光纤通信与现行通信方式包括电缆通信和微波通信相比的话，具有一系列明显的优越之处：保密性强、抗辐射能力强、抗腐蚀能力强，可以应用在军事或者特殊环境下；抗电磁干扰，绝缘而且导光；因为原料为硅，也就是石英，使传统通信方式中大量运用的铜、铝、铅等金属的消耗量大大降低，对于环保也是有一定贡献；光纤载线的直径较细、重量轻便，比有色金属铜线要轻得多，特别适用于导弹、舰艇以及飞机这些设备的通信系统；中继距离比现有通信手段要长得多，对于中继器的数量大为下降，节约了成本，并且在传输过程中的损耗很低，它的低窗口损耗在0.2dB/km，在100GHz的工作带宽中，可以无中继的情况下传输100km，而电缆通信在100MHz的同等情况下只能传输5km；最为关键的是光纤传输具有通信容量大，传输频带高的特点，光纤通信的工作频率量级为10¹⁴ Hz，而电缆通信为10⁵-10⁹Hz，微波通信为10⁹Hz，对比十分明显，而带宽方面，光纤通信的通信容量是微波通信的10万倍以上，是电缆通信的100万倍以上，相比较而言，光纤通信更适于满足当前的通信需要。

光纤通信与现行电缆通信和微波通信相比，显示出诸多优越性，主要表现在以下几个方面：

(1)频带宽，通信容量大，传输距离远，损耗低；

(2)光纤尺寸小，可绕性强，便于运用到实际工程中；

(3)抗电磁干扰能力强，防闪电雷击效果好，传输质量佳；

(4)几乎无漏信号和串音，安全可靠，无辐射，难于窃听；

(5)光缆适应性强，耐用；

(6)材料来源丰富，有利于节约大量有色金属。

1.3 光纤通信的发展

1.3.1 光纤通信整体发展历程

纵观整个光通信技术的发展过程，目前光通信已经达到40Gb/s甚至更高的速率，而20世纪70年代光纤通信刚刚兴起的时候才有20-100Mb/s的速率，这标志着光纤通信已经获得了极大的发展和成功。现在技术和工艺手段的不断发展和创新，工业规模的不断扩大，光纤的价格也不像初期那么高昂，而它的应用范围却是与日俱增。目前生产光纤通信产品的行业在许多发达国家中已经占据了举足轻重的地位。

光纤通信系统的发展也经历了逐步推广到深入人心及后面的成为主流趋势这样一个过程，它的发展过程可以总体上分为以下几个阶段：

第一代：它开始于上世纪70年代后期，采用的工艺为850nm波长的多模光线系统，它的传输速率为20-100Mb/s之间。

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