红外探测器中一种电容式反馈跨阻放大器的设计

放大器电路对提高红外成像技术中红外探测器的读出精度,是至关重要的。针对电容式反馈跨阻放大器的设计进行了研究,提出了一种在反馈回路中用晶体管代替反馈电阻的新的拓扑结构。对于所提出的拓扑结构,提出并分析了与系统稳定性相关的诸如截止频率和衰减比等的总体频率响应和设计参数,从而获得高直流输入动态范围。此外,还讨论了在直流反馈回路中加入额外的电容以确保系统的稳定性。分析、仿真和实验结果的良好一致性验证了所提出的CF-TIA方案的有效性,而且所提出的电路设计在正常或低直流输入下的整体噪声性能方面相比于传统的CF-TIA方案更具优势。尽管本文中的电路采用分立元件实现,但提出的频率响应模型和稳定性分析适用于所有CF-TIA应用和CMOS芯片设计。

应用于脉冲ToF激光雷达接收器的宽带高增益跨阻放大器

设计了一款应用于脉冲飞行时间(ToF)激光雷达(LiDAR)接收器的宽带高增益跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)。该TIA由跨阻预放大器、后级电压放大器、增益补偿放大器和输出缓冲器组成。跨阻预放大器采用改进型RGC电路实现;后级电压放大器采用有源反馈电路,以提升带宽;具有有源峰值电感的增益补偿放大电路用来消除大尺寸输出缓冲器对TIA整体带宽的影响。提出的TIA电路采用0.18μm标准CMOS工艺设计。在电源电压为3.3 V条件下,TIA总消耗功率约168 mW,差模跨阻增益为106 dBΩ,-3 dB带宽约为300 MHz,输入参考噪声电流谱密度为6.8 pA/√Hz,当SNR=5时,能够检测的最小光电流约为0.7μA,动态范围为83 dB。

一种采用单运算跨阻放大器实现的模拟乘法器

针对广泛应用于核电子技术领域的模拟乘法器进行了研究,提出了一种采用单运算跨阻放大器实现的模拟乘法器。首先基于运算跨阻放大器的基本结构和输入输出关系,提出了基于单OTRA的基本乘法器电路。然后,为了消除OTRA的有限跨阻增益对乘法器的影响,提出了在直流偏置下叠加小信号的实现方案和基于MOS的乘法器结构,以实现对高频应用的补偿。还讨论了其作为平方器和振幅调制器的应用。最后通过PSPICE仿真验证了提出的理论设计,表明仿真结果与理论设计吻合得很好。

跨阻放大器低温性能及其对THz光电信号的放大应用

随着太赫兹技术、低温电子学和射电天文学的发展,对可低温环境下工作的集成封装式跨阻放大芯片的需求增加。本文针对一种Ge-Si基底型跨阻放大器,主要研究了其深低温环境下的电学性能,获得了8 K温度下放大器芯片的典型端口电流-电压特性曲线和增益曲线,得到了在0.1~3 GHz频带内较为平坦的增益效果;为了验证其对太赫兹光电信号的放大功能,将该跨阻放大器与太赫兹量子阱探测器集成封装,并搭建了太赫兹脉冲激光探测系统,在8 K温度下实现了对脉宽2μs太赫兹光电探测信号的有效放大,跨阻增益约560Ω,电流放大增益为1.78 mA/V。上述研究成果首次验证了商用跨阻放大器在深低温环境下应用的可行性,为太赫兹高速探测与高频通信领域的集成跨阻放大提供了一种有效技术手段。

一种64 GBaud双通道差分线性跨阻放大器

【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50Ω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625μm。芯片搭配结电容C_(pd)=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。

一种基于90 nm SiGe BiCMOS工艺的4×112 Gbit/s PAM-4跨阻放大器

基于90 nm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种高速(4×112 Gbit/s)四阶脉冲幅度调制跨阻放大器电路。为了兼顾高带宽和低噪声,采用了并联反馈架构的输入级电路。提出一种新颖的基于双吉尔伯特单元的可变增益放大器结构来适应宽动态范围的输入电流。电路利用射级退化技术来提高带宽和改善线性度。芯片测试结果表明,光接收前端链路可以实现最大74 dBΩ的跨阻增益,带宽为32 GHz,输入参考噪声电流密度为5.6 pA·Hz^(-1/2),高至3 mA的输入电流峰峰值下总谐波失真小于5%。跨阻放大器芯片进一步集成至400G QSFP-DD模块,测试结果表明,模块性能满足400G以太网FR4标准的灵敏度和传纤距离要求。

2.5Gb/s低噪声差分交叉耦合跨阻放大器的设计与实现

本文基于UMC 0.18 μm CMOS工艺,设计了一款低噪声交叉耦合结构的跨阻放大器.该电路由优化的调节型共源共栅(RGC)结构和输出缓冲级构成,其中采用两级共源放大器作为RGC结构的辅助放大器,用于提升电路的等效跨导和带宽.此外,通过优化电路参数以及在输入端引入阶梯型无源匹配网络来进一步拓展带宽和降低电路噪声.测试结果表明,在探测器等效电容为300pF时,所设计跨阻放大器芯片的-3d B带宽为2.2GHz,跨阻增益为61.8d B?,平均等效输入噪声电流谱密度仅为9 pA/(Hz)^(1/2),成功实现了2.5Gb/s的传输速率.在1.8V电源电压下,芯片功耗为43m W,包括焊盘在内的芯片总面积为1×1mm^2.

一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计

作为激光近炸引信中探测与目标识别核心元件的光电探测器,其性能取决于光电二极管和相应的放大电路。针对引信、制导应用对光电探测器的要求,提出一种新型高增益、大带宽跨阻放大器设计。该跨阻放大器由两级放大电路构成,第1级由两个对称的RGC(Regulated Cascode)结构组成,消除光电二极管漏电流对直流工作点影响,隔离光电二极管寄生电容提升工作带宽;第2级放大电路由3个级联的反相放大器构成,是跨阻放大器的主要增益级;最后以射级跟随器输出,为后续系统提供足够的电压摆幅。该电路基于SMIC 0.35μm标准CMOS工艺设计,仿真结果表明:跨阻增益为110.2 dBΩ,带宽为46.7 MHz,40 MHz处的等效输入噪声电流低至1.09 pA/(Hz)^(1/2),带宽内等效输出噪声电压为5.37 mV。测试结果表明,跨阻放大器增益约为109.3 d BΩ,输出电压信号上升时间约为7.8 ns,等效输出噪声电压大小为6.03 mV,功耗约为10 mW,对应芯片面积为1 560μm×810μm。

带温度补偿和AGC功能的10Gb/s跨阻放大器设计

基于0.18μm BiCMOS工艺设计了一个工作速率为10Gb/s的跨阻放大器。为了解决温度变化对放大器性能的影响,引入了与温度变化有关联的电流(温度电流),从而锁存成与温度有关联的电压给跨阻放大器供电,使得放大器增益在频带内平坦和带宽变化减小。为了扩大输入信号的动态范围,引入了可变MOS电阻来实现AGC功能,使得放大器可以工作在较大的输入功率。为了提高增益,引入了两级差分放大电路,同时采用电容简并的方法来进一步扩展带宽。版图后仿真结果表明,跨阻放大器电路差分跨阻增益为9 kΩ,-3dB带宽为8.7GHz,等效输入电流噪声为17 pA/√Hz,灵敏度为-20 dBm,输入饱和光电流为2 mA,功耗为66 mW,电源噪声抑制比为-16 dB,放大器核心电路版图面积为94 mm×63 mm,整体版图面积为937 mm×828 mm,满足商业应用的要求。

跨阻放大器的带宽扩展技术

提出了一种针对CMOS跨阻放大器的带宽扩展技术.基于此技术,采用应用于0.18μm 1.8V CMOS工艺,设计了一个RGC结构的跨阻放大器.仿真结果表明,该放大器具有66dB的跨阻增益,4.49GHz的带宽,输入等效噪声电流平均值为11.5pA/(Hz)～(1/2),该电路的功耗仅为15.4mW.

基于InGaAs/InP SHBT技术的10Gb/s单片跨阻放大器研究

介绍了采用传统的三台面工艺,利用湿法选择腐蚀形成发射极-基极自对准的InGaAs/InP单异质结双极性晶体管(SHBT)技术实现传输速率为10Gb/s跨阻放大器。其中SHBT获得了在Ic=10mA,Vce=2V时,fT和fmax分别为60、75GHz,电流密度为100kA/cm2,击穿电压大于3V;跨阻放大器的跨阻增益为58dBΩ,灵敏度为-23dBm,3dB带宽为8.2GHz。该单片跨阻放大器可广泛应用于光纤通信。

一种宽输入动态范围跨阻放大器的设计

利用对数放大的增益可变性特点,设计出基于对数放大的跨阻放大器,克服了采用传统AGC调整跨阻的复杂性和低可靠性;同时,避免了采用肖特基二极管箝位方法的工艺局限性,有效扩展了跨阻放大器的输入动态范围。在详细分析跨阻动态特性及温度特性的基础上,分析了电路噪声性能,并进行了仿真验证。试验样片的测试结果进一步证明所提出的方法是有效的。

一种宽动态范围跨阻放大器的设计

针对光电探测器的光电流信号弱、变化范围大的特点,设计了一种全新的检测光电流信号的跨阻放大器(TIA)电路结构,其检测电流信号范围为1.6μA^1.6mA,动态电流检测范围达到60dB。通过在电路内部设计出两个增益可调、增益段不同的TIA,分别处理光电流的小电流段(1.6~50μA)和大电流段(50μA^1.6mA),增益可调范围为56~96dBΩ;通过外置输出电压饱和检测信号,选择所需工作的TIA及其增益段。该电路采用0.18μm标准CMOS工艺的PDK进行电路设计、版图设计和仿真验证等。测试结果表明:在检测电流为1.6μA时,输出电压为95mV;检测电流为1.6mA时,输出电压为915mV,与仿真结果相一致。电路瞬态特性良好,上升时间为5~10ns,3.3V电压下功耗小于2mW,各指标满足设计要求。

2.5Gb/s CMOS低噪声有源电感反馈跨阻放大器

分析各种结构前置放大器性能的基础上,给出了一个应用于2.5 Gbit/s光纤通信系统的,基于CMOS工艺的共栅结构跨阻放大器。为了减小输入等效噪声电流和提高带宽,采用了有源反馈和有源电感代替传统结构中的电阻反馈。测试结果表明,该电路具有61.8 dB的跨阻增益,2.01 GHz的带宽,输入等效噪声电流为9.5 pA/Hz～(1/2),核心电路功耗仅为3.02 mW。

光接收机中前置跨阻放大器的设计

利用0.6μm CMOS工艺设计了一种用于光纤通信的跨阻前置放大器。电路采用推-挽反相器级联形式的结构,本身能够自偏压,不需设计偏压电路,减少了芯片面积,同时它的输出可以端到端地满摆幅工作,而且只要放大部分的2个MOS管都处在饱和区,就能得到最大的电压增益;利用SmartSpice软件对电路进行仿真,结果表明在+5 V电源电压作用下,该放大器的增益为78.9 dbΩ,3 db带宽为540 MHz。

基于负阻抗电路的跨阻放大器的设计

对基于负阻抗电路技术的跨阻放大器的带宽性能进行了理论分析与仿真.仿真结果表明,在具有相同的跨阻增益条件下,基于0.18μm CMOS工艺下shunt-feedback型跨阻放大器无负阻抗电路时,其-3 dB带宽约为3.1 GHz,而具有负阻抗电路时,其-3dB带宽约为4.3GHz,两者相比带宽性能约提高了40%.该方案可以提高跨阻放大器带宽并避免因引入电感而增加芯片面积,在实践上具有一定的可行性.

光通信系统中前置跨阻放大器的研究和设计

本文介绍了前置跨阻放大器在光通信中光接收机上的应用及其发展方向 ,提出了一种新型的前置跨阻放大器电路结构 ,即在普通跨阻结构上适当地加了有源反馈的电路结构 ,并对它们进行了理论分析 ,最后用BSIM 3v3模型 ,0 3 5μm工艺 ,Cadence仿真器工具对它们进行仿真 ,结果很好 ,带宽从 1GHz增加到 2 15GHz。

CMOS RGC低噪声跨阻放大器

光纤通信系统接收端前置放大器的性能很大程度上决定着整个光纤通信系统的性能.基于CMOS工艺,给出了一个RGC结构的,应用于2.5Gbit/s光纤通信系统的低噪声跨阻放大器的实现方式.RGC结构具有极低输入电阻特性,同时,为了减小输入等效噪声电流和提高-3dB带宽,采用了跨导增大技术和感性峰值技术.采用SMIC的0.18μm CMOS工艺的仿真结果表明该电路具有61.23dB的跨阻增益,2.09GHz的带宽,输入等效噪声电流为9.4pA/(Hz)^(1/2),电路功耗仅为16.2mW.

制造工艺低相关的AGC跨阻放大器

文章提出了一种速率为622Mbit／s的带自动增益控制（AGC）和自动偏移补偿（AOC）的光通信用跨阻集成放大器电路。本设计采用了中芯国际0．25μm 1P3M的标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺。HSPICE仿真结果表明，在各种偏差最大的工艺条件下。跨阻放大器初始增益的浮动区间为-10．2％-9．7％，而AGC的初始偏置电压的浮动区间为-0．384％-0．307％。

CMOS有源反馈跨阻放大器

高性能接收端前置放大器的实现在光纤通信系统中起着至关重要的作用,前置放大器的性能指标,如,噪声、带宽、增益等,在很大程度上影响着光纤通信系统的性能。在分析了各种结构前置放大器性能的基础上,给出了一个基于CMOS工艺的、RGC结构的,应用于2.5Gbit/s光纤通信系统的低噪声跨阻放大器的实现方式。为了减小输入等效噪声电流和提高带宽,采用了有源反馈代替电阻反馈。采用SMIC的0.18μmCMOS工艺仿真结果表明该电路具有60.18dB的跨阻增益,2.13GHz的带宽,输入等效噪声电流为8.9pA/Hz,电路功耗仅为15.3mW。