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前均衡CMOS光电集成接收机的理论研究与设计

作　者: 余长亮
导　师: 毛陆虹
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 前均衡 CMOS 光电集成接收机 峰化技术 高灵敏度 高速
分类号: TN851
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


与混合集成光接收机相比,单片CMOS光电集成接收机不仅可以大大降低接收机的成本,而且最大限度地消除封装和模块间互连所产生的寄生元件及外界环境的电磁干扰和噪声,提高了接收机的性能。但由于标准CMOS技术的限制,使得与标准CMOS工艺兼容的单片光电集成接收机的实用化应用仍有许多问题尚待解决。针对通常的跨阻前置放大器结合后均衡器的光接收机的电路结构复杂、功耗和面积大、插入损耗大等缺点,本文创新地提出了一种解决CMOS光电集成接收机灵敏度和速度问题的新方法—前均衡,即在接收放大电路的前端对传输信号进行频率补偿,并提出了相应的前均衡光电集成接收机的系统结构和设计方法。对于前均衡CMOS光电集成接收机的各个模块,论文分别进行了理论分析及结构和电路设计:研究了硅基高速光电探测器的结构,并采用MOSIS 0.35μm标准CMOS工艺实现了一种频率响应带宽达1.1GHz的插指型P+/N阱/P型衬底双光电探测器;研究了前均衡器的理论,并设计了三种前均衡器,即并联谐振回路前均衡器、三次阶梯网络前均衡器和高通滤波器前均衡器;研究了高灵敏度跨阻前置放大器的实现方法和电路设计;研究了高速主放大器和低噪声光接收机的设计方法,并设计了一种高速、低噪声的主放大器电路。在此基础上,基于Chartered 0.35μm RF CMOS工艺库,设计了三种前均衡CMOS光电集成接收机,并进行了电路仿真和对比分析。分析结果表明:集成三次阶梯网络前均衡器的CMOS光电集成接收机不仅可获得最大的平坦频率响应和3dB带宽(约2.19GHz),而且可获得最大的接收灵敏度(约-15.25dBm)。最后,对集成三次阶梯网络前均衡器的CMOS光电集成接收机进行了结构及参数优化和版图绘制。本论文的研究成果在于提出了一种新型的高灵敏度跨阻前置放大器结合前均衡器的光接收机系统结构,它为解决CMOS光电集成接收机的实用化问题提供了一种新思路。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 光纤通信网络与光接收机  8-9
  1.2 单片CMOS光电集成接收机的国内外研究现状  9-10
  1.3 前均衡CMOS光接收机  10-11
  1.4 本论文的研究内容  11-12
第二章 前均衡CMOS光电集成接收机的概念与理论基础  12-35
  2.1 光接收机系统的一些基本概念与特性  12-20
    2.1.1 数据格式与编码  12-14
    2.1.2 光接收机系统的噪声特性  14-15
    2.1.3 性能参数  15-18
    2.1.4 带宽限制对随机数据传输的影响  18-20
  2.2 前均衡CMOS光电集成接收机的概念  20-22
    2.2.1 前均衡的概念  20-21
    2.2.2 前均衡CMOS光电集成接收机  21-22
  2.3 硅基高速光电探测器  22-26
    2.3.1 PIN光电探测器  23-25
    2.3.2 空间调制CMOS光电探测器  25-26
    2.3.3 插指型P+/N阱/P型衬底CMOS双光电探测器  26
  2.4 高灵敏度跨阻前置放大器  26-28
  2.5 一些常用的频率补偿方法  28-35
    2.5.1 电感峰化技术  28-29
    2.5.2 多谐振峰交错技术  29-31
    2.5.3 高次阶梯网络峰化技术  31-33
    2.5.4 零极点对消技术  33-35
第三章 前均衡CMOS光电集成接收机的各模块设计  35-57
  3.1 高速CMOS光电探测器的实现  35-37
    3.1.1 结构设计与等效电路分析  35-36
    3.1.2 版图实现与测试结果  36-37
  3.2 前均衡器设计  37-42
    3.2.1 并联谐振回路前均衡器  38
    3.2.2 三次阶梯网络前均衡器  38-40
    3.2.3 高通滤波器前均衡器  40-42
  3.3 跨阻前置放大器设计  42-47
    3.3.1 基本跨阻前置放大器电路设计  43-45
    3.3.2 集成有源电感的跨阻前置放大器  45-47
  3.4 集成前均衡器的跨阻前置放大器设计  47-51
    3.4.1 集成并联谐振回路前均衡器的跨阻前置放大器  48-49
    3.4.2 集成三次阶梯网络前均衡器的跨阻前置放大器  49-50
    3.4.3 集成高通滤波器前均衡器的跨阻前置放大器  50-51
  3.5 主放大器设计  51-55
    3.5.1 级间阻抗匹配设计  52-53
    3.5.2 闪烁噪声抑制技术  53-54
    3.5.3 主放大器电路设计  54-55
  3.6 输出级电路设计  55-57
第四章 系统仿真与版图实现  57-74
  4.1 光接收机系统性能和电路的指标要求  57-58
    4.1.1 等效输入参考噪声电流要求  57
    4.1.2 高通滤波器的转角频率f-3dB-low要求  57-58
  4.2 CMOS光电集成接收机系统设计与电路仿真  58-63
    4.2.1 集成并联谐振回路前均衡器的CMOS光电集成接收机  58-60
    4.2.2 集成三次阶梯网络前均衡器的CMOS光电集成接收机  60-61
    4.2.3 集成高通滤波器前均衡器的CMOS光电集成接收机  61-62
    4.2.4 对比分析  62-63
  4.3 前均衡光接收机系统的电路结构选择与参数优化  63-71
    4.3.1 集成三次阶梯网络前均衡器的光接收机电路与参数优化  64-66
    4.3.2 示波器负载效应与10：1 探头应用  66
    4.3.3 键合金丝的寄生参量与高频等效模型  66-67
    4.3.4 优化后的CMOS光电集成接收机系统仿真  67-71
  4.4 版图绘制  71-74
    4.4.1 各模块的电路版图  71-73
    4.4.2 前均衡CMOS光电集成接收机系统的整体版图  73-74
第五章 总结  74-76
参考文献  76-80
发表论文和参加科研情况说明  80-81
附录  81-89
致谢  89

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 接收设备、无线电收音机 > 接收机：按形式分
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