光纖通信用80Gb-s以上速率數(shù)據(jù)復(fù)接集成電路研究與設(shè)計(jì).pdf

1、從過去20多年的電信發(fā)展史看，光纖通信發(fā)展始終在按照電的時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行，高比特率系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益大致按指數(shù)規(guī)律增長，目前商用系統(tǒng)的速率已達(dá)10Gb/s。光纖在傳輸40Gb/s及以上速率的數(shù)據(jù)時(shí)會產(chǎn)生較嚴(yán)重的色散，這是10Gb/s主干網(wǎng)系統(tǒng)升級到40Gb/s系統(tǒng)的一個(gè)困難。但隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖對高速信號的色散得到了不斷的改善，光纖的容量有著無窮的潛力。未來的骨干網(wǎng)容量很大程度上仍然取決于電路的速度，單路80Gb/s的電速率是一個(gè)

2、可以設(shè)定的發(fā)展階段。作為光纖通信系統(tǒng)的核心單元，時(shí)分復(fù)用的復(fù)接器成為研究領(lǐng)域一直關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國際上已成功完成了100Gb/s到165Gb/s復(fù)接器芯片的研究，但這些嘗試所采用的工藝成本非常之高。國內(nèi)復(fù)接器實(shí)驗(yàn)芯片的最高速率為40Gb/s，落后于國外的研究進(jìn)度。 本課題的目的是采用相對低成本的工藝設(shè)計(jì)80Gb/s及以上速率的復(fù)接器芯片，為將來160Gb/s系統(tǒng)提供功能模塊。本課題的研究范圍覆蓋了選擇器、寬帶放大器、倍頻器和壓控

3、振蕩器的分析與設(shè)計(jì)，采用的工藝主要為SiGe BiCMOS。 由于用來設(shè)計(jì)復(fù)接器的晶體管截止頻率僅為103GHz，對設(shè)計(jì)80Gb/s以上速率的復(fù)接器是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本文首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對傳統(tǒng)復(fù)接器進(jìn)行了優(yōu)化。首先，除去了電路帶寬的瓶頸，即輸出緩沖器；然后，增加了選擇器的尺寸足以直接驅(qū)動(dòng)片外50Ω負(fù)載；其次，優(yōu)化設(shè)計(jì)片上寬帶放大器以充分保證輸入數(shù)據(jù)、時(shí)鐘的增益和帶寬；最后，充分考慮現(xiàn)有測試儀器頻率和速率的限制，在芯片上設(shè)計(jì)了40

4、GHz時(shí)鐘倍頻器單元，為芯片的時(shí)鐘輸入提供了20GHz和40GHz兩種選擇。 在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸入緩沖器的設(shè)計(jì)上，本文列舉了幾種應(yīng)用于超高速系統(tǒng)的寬帶放大器，分別是電容反饋式寬帶差分放大器、峰化電感型寬帶差分放大器、管聯(lián)(cascode)型寬帶差分放大器、Cherry-Hooper型寬帶差分放大器。然后在增益、帶寬和輸出阻抗方面對這幾種放大器進(jìn)行了仿真對比。仿真結(jié)果表明，在給定工藝下，Cherry-Hooper型寬帶放大器在增益、帶

5、寬、輸出阻抗三個(gè)方面都符合復(fù)接器系統(tǒng)的要求。因此對這種放大器實(shí)現(xiàn)寬帶的原理進(jìn)行了理論分析。在電路設(shè)計(jì)中，本文結(jié)合了Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)和峰化電感技術(shù)進(jìn)一步增加了工作帶寬。為了在毫米波頻段下盡量精確設(shè)計(jì)峰化電感，本文還給出了有關(guān)片上電感分析、仿真與實(shí)現(xiàn)方法。最后給出了工作于毫米波頻率下的版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)和放大器的仿真結(jié)果； 在二倍頻器的設(shè)計(jì)上，本文采用了基于Gilbert結(jié)構(gòu)的雙平衡混頻器電路；由于這種結(jié)構(gòu)的二倍頻往往會輸出

6、非差分平衡的二倍頻信號，導(dǎo)致選擇器非對稱工作，本文對輸出二倍頻信號相位、幅度不平衡的現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，提出了在毫米波頻段下確保差分平衡輸出的條件，并在實(shí)驗(yàn)芯片上對該條件進(jìn)行了驗(yàn)證，測試結(jié)果與仿真接近一致。最后，利用本文給出的條件設(shè)計(jì)了復(fù)接器芯片所需的40GHz差分倍頻器，并給出了仿真結(jié)果。 在選擇器設(shè)計(jì)之初，本文對近年來國際文獻(xiàn)提出的幾種新型選擇器電路進(jìn)行了對比，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)：然后結(jié)合現(xiàn)有工藝的特點(diǎn)，提出了適用于本課題的

7、電路。仍然采用了基于Gilbert單元的結(jié)構(gòu)，但針對80Gb/s速率下的應(yīng)用，對電路參數(shù)做了優(yōu)化，使電路工作速度達(dá)到最高。接著，針對現(xiàn)有儀器，提出了一套行之有效的測試方案。最后給出了整個(gè)復(fù)接器芯片的測試結(jié)果。結(jié)果表明該芯片可以達(dá)到80Gb/s以上的速率；由于受限于測試儀器的數(shù)據(jù)速率，最高在86Gb/s上測到了眼圖。 由于光通信發(fā)射機(jī)需要有獨(dú)立的時(shí)鐘源，本課題對時(shí)鐘源頻率綜合器中的壓控振蕩器也進(jìn)行了深入的研究。推導(dǎo)并簡化了雙推型振

8、蕩器的負(fù)阻、負(fù)阻頻率上限以及相位噪聲解析表達(dá)式；為了比較了雙推型與傳統(tǒng)Colpitts型差分振蕩器在高頻段的性能，本文分別設(shè)計(jì)了一個(gè)差分雙推VCO和一個(gè)差分Colpitts型VCO，兩個(gè)芯片都工作在20GHz附近，測試結(jié)果表明前者更適合于高頻應(yīng)用場合，在相位噪聲、輸出功率和調(diào)諧范圍方面都比后者更有優(yōu)勢。接下來，本文研究了一種改進(jìn)雙推型振蕩器，推導(dǎo)了其負(fù)阻、負(fù)阻頻率上限和相位噪聲解析表達(dá)式，通過與原雙推型振蕩器三項(xiàng)指標(biāo)的對比，得出的結(jié)論是

9、：改進(jìn)雙推型振蕩器比原雙推型振蕩器的輸出功率和相位噪聲又可提升。為了驗(yàn)證該結(jié)論，本課題在38GHz附近分別設(shè)計(jì)了改進(jìn)雙推型振蕩器和原型雙推振蕩器，測試結(jié)果表明前者能夠獲得更高的輸出功率和更低的相位噪聲；本文得出的幾種振蕩器的負(fù)阻和相位噪聲表達(dá)式給電路設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)，具有非常重要的學(xué)術(shù)和實(shí)踐意義；另外，對于頻率超過頻譜儀上限頻率的頻譜測試，本文也給出了一種可以準(zhǔn)確測試頻率和相位噪聲近似估計(jì)輸出功率的實(shí)用的測試方案； 本文所做的工作

10、總結(jié)如下： 1、針對低成本工藝提出了優(yōu)化的復(fù)接器系統(tǒng)方案； 2、首次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)超過80Gb/s速率的復(fù)接器芯片，芯片上集成了毫米波40GH差分二倍頻器、三個(gè)寬帶放大器(工作頻段為DC～40GHz)、超高速選擇器；并給出了測試方案； 3、在理論分析上對比了雙推型與Colpitts型振蕩器在高頻段的性能差異，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)工作在20GHz附近的VCO實(shí)驗(yàn)芯片； 4、在理論分析上對比了雙推型與改進(jìn)雙推型振蕩器在