基于CMOS工艺限幅放大器设计

论文总字数：10777字

摘 要

限幅放大器作为光纤通信光接收机中的重要组成部分，它的性能直接影响了光接收机的接收信号的性能，本文设计介绍了一种高增益高带宽的限幅放大器。该设计基于TSMC 0.18µm CMOS工艺，限幅放大器由输入匹配级、增益级，输出级以及直流失调消除反馈电路组成。增益级采用有源电感结构实现了电感并联峰化，拓展了带宽。采用Cadence软件对所设计的电路进行了仿真验证，仿真结果表明，设计的限幅放大器增益为55dB，带宽为7.2GHz。输入信号速率为10Gbit/s，眼图张开高，抖动小。

关键词:CMOS工艺，限幅放大器，有源电感，并联峰化，直流失调

Abstract：As an important part of optical receivers for optical fiber communication, the performance of limiting amplifier directly affects the performance of optical receivers. In this paper, a high gain and high bandwidth limiting amplifier is designed. The design is based on the CMOS process of TSMC 0.18µm. The limiting amplifier consists of input matching stage, gain stage, output stage and DC offset elimination feedback circuit. The gain stage uses active inductor structure to realize inductor parallel peaking, which expands the bandwidth. The circuit is simulated and validated by Cadence software. The simulation results show that the gain of the limiting amplifier is 55 dB and the bandwidth is 7.2 GHz. The input signal rate is 10 Gbit/s, the eye diagram opens high, and the jitter is small.

Key words: CMOS technology, limiting amplifier, active inductor, parallel peaking, DC offset

目录

1.绪论 3

1.1研究的意义和背景 3

1.2 CMOS工艺 5

1.3 Cadence的设计环境 6

2.LA设计总体概述 7

2.1 LA的工作原理 7

2.2限幅放大器的性能指标 8

3.限幅放大器电路设计 9

3.1输入缓冲 9

3.2 LA的放大单元 10

3.3输出缓冲电路 13

3.4直流偏置电路 13

3.5失调电压补偿回路 14

4.限幅放大器的物理实现及其模拟结果 14

4.1时域仿真 14

4.2频域的仿真 14

4.3 LA完整电路仿真 14

结论 15

致谢 16

参考文献 17

1. 绪论

1.1 研究的意义和背景

在研究电磁波的发展历史中，人们对于电磁波的改进一直都致力于增加其频带宽度，为了增大通信容量，人们渐渐用微波和毫米波等频带较宽的波取代了中波等波形。光波本质上是极高频电磁波，因此，使用光波作为信息载体具有非常大的容量，这是当前通信模式的一万倍以上。光通信将会是科学发展的最终方向。

与电缆通信、微波通信相比，光纤通信的模式最为先进，微波通信是通过微波作为介质的，光纤通信选用光，其传播速度，还有通信容量不可同日而语。另外，和传统的通信方式相比，光纤通信具有许多的优点：

(1)频率带宽范围广，通信的容量也非常大；

(2)光纤的传输损耗是非常低的，适合远距离的传输；

(3)光纤尺寸小，重量轻，灵活的线圈容易缠绕；

(4)输入和输出由电隔离，能不受电磁干扰，防闪电以及雷击；

(5)几乎没有信号遗漏和串扰，它是安全可靠的，并且有严格的机密性；

(6)耐腐蚀性，耐酸性和耐碱性；

(7)节能；

(8)资源丰富，可以被保存；

现如今，光纤通信技术的应用场景越来越广泛，2.5Gb/s的光纤通信系统已经得到广泛的应用，10Gb/s速率的超高速光纤将成为未来高速通信的主流，并且光纤通信系统正在逐渐地得到更深一步的推广。在光纤通信的演变过程中，大致有这几个过程：

第一代光纤通信系统使用了二十世纪七十年代后期投入采用的850mm波长段的多模光纤系统操作，且传输比特率在20-100M/s之间的操作。

第二代光纤通信系统诞生于第一代十年之后，波长段增加了460mm，并且将最大传输速率提高到1.7GB / s时，甚至更高的速度。

第三代光纤通信系统五年后取代了第二代光纤通信，波长为1550nm，速度相较于第二代光纤通信系统的基础上又提高了0.8GB / s，可用于同步数字系统。

第四代光纤通信系统同时采用了波分复用以及频分复用，并且正式采用了光电放大器，因此传输速率得到了有效地提高，使得单信道的传输速率为25Gb/s。十年之后，第五代光纤通信系统也开始出现了。

如今，技术进步和工业水平的提高，是的光纤的生产成本得以降低，与此同时，光纤通信渐渐的走入了人们生活中的各个场景。光纤通信已经渐渐取代了其他通信方式，成为了人民生活和工业化发展不可或缺的组成部分。光纤通信各种应用可概括如下：

(1)通信网，用户之间沟通；

(2)电脑之间互联网的通信；

(3)有线电视网络分布；

(4)局域网等其他服务的通信。

图 1-1光接收机的构成系统

应用越来越广泛的光纤通信使光传送网作为下一代宽带通信网成为可能。我国是一个拥有光纤通信系统的大国，目前需求量很大，但是集成电路几乎都是从国外购买的，所以自主知识产权的开发和用于光纤传输的高速集成电路的发展对我国信息高速公路的建成具有重要意义。

1.2 CMOS工艺的介绍

CMOS是互补金属-氧化物半导体的英文缩写名称，在日常的数字电路中，利用CMOS工艺能够实现数字电路的集成度高、功耗低。对于模拟的集成电路来说，CMOS工艺能够提供各种有源器件和无源器件的良好组合，因此CMOS工艺技术现在已经成为实现集成电路的一种主要的方式。

CMOS工艺的出现，实现了用独立的模拟电路不能够实现的电路的复杂性以及电路对速度和精度的要求，也实现了包含百万以上元器件的模拟，以及数字混合信号的电子产品的出现。CMOS工艺的制造成本较低并且工艺技术更新很快，所以在日常的电路工艺中常常选用CMOS工艺。

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