引言
跨阻放大器(TIA)在光通信系统中扮演着关键角色,将光电探测器产生的微弱电流信号转换为电压输出。随着高速、低功耗和紧凑型光接收器需求的增加,设计高效TIA变得越来越具有挑战性。本文介绍了创新的TIA设计方法:无电感低功耗低电压交叉耦合调节式共源(LV CC-RGC)跨阻放大器[1]。
背景和动机
传统TIA设计通常在增益、带宽、噪声性能和功耗之间存在权衡。光电探测器的大寄生电容(CPD)进一步增加了设计难度。虽然一些技术(如使用片上电感)可以缓解这些影响,但往往会增加芯片面积和设计复杂性。
LV CC-RGC TIA结合了调节式共源(RGC)和交叉耦合(CC)结构的优点,解决了这些挑战。这种方法无需片上电感或过多功耗,就能提供更大的设计灵活性。
图1显示了经典TIA结构:(a)共栅(CG)和(b)具有gm提升技术的RGC。
关键设计原理
1. 调节式共源(RGC)结构
图1(b)所示的RGC拓扑采用gm提升技术,比共栅(CG)结构更有效地降低输入电阻(Rin)。这允许在选择Rin时有更大的自由度,放宽了设计中的其他权衡。
2. 交叉耦合技术
交叉耦合结构在输入电阻表达式中引入了一个负项,进一步降低Rin而不增加功耗。这种技术在设计过程中提供了额外的自由度。
图2说明了用于放宽权衡的传统交叉耦合TIA拓扑。
3. 低电压设计
提出的LV CC-RGC TIA设计为在较低供电电压下工作,使其适用于深亚微米CMOS工艺实现。这是通过用交叉耦合晶体管替换传统RGC中的共源(CS)级来实现的。
线路分析和设计
LV CC-RGC TIA结合了RGC和交叉耦合结构的优点。提出的线路的输入电阻(Rin)由以下公式给出:
该表达式包括gm提升项(类似于RGC)和负项(来自交叉耦合结构)。额外的自由度gm2允许在不影响功耗或增益的情况下调整所需的Rin值。
图3显示了提出的低电压交叉耦合调节式共源TIA(LV CC-RGC)拓扑的线路示意图。
主要特点和优势
改善的带宽:提出的设计通过创建与Cin和C2寄生电容的米勒效应相关的一对共轭极点,实现了比传统RGC结构更宽的带宽。
更低的噪声:Rin的额外自由度允许选择更大的R1和更小的Mb跨导,从而降低噪声性
能。
增益-稳定性权衡:与一些交叉耦合TIA不同,提出的结构的稳定性条件不是跨阻增益的函数,减少了增益-稳定性权衡。
低电压操作:LV CC-RGC TIA可以在较低的供电电压下工作,使其适用于深亚微米CMOS工艺。
紧凑设计:无电感设计导致芯片面积比依赖片上电感提高性能的设计更小。
实现和实验结果
提出的LV CC-RGC TIA使用0.35 μm CMOS工艺制造,ft为20 GHz。线路实现了以下性能指标:
跨阻增益：60 dBΩ
3-dB带宽:：1.8 GHz
平均输入参考噪声电流谱密度：9.2 pA/√Hz
功耗：2.2 mW
芯片面积：0.004 mm²
图4显示了提出的线路的测量频率响应和跨阻增益。
图5显示了暗条件下的输出电压直方图,说明了线路的噪声性能。
图6显示了TIA输出在不同输入功率和数据速率下的测量眼图。
与先进技术的比较
为了评估提出的LV CC-RGC TIA的性能,将其与各种其他TIA设计进行了比较,包括并联反馈(SF)、RGC、改进型RGC(MRGC)和交叉耦合(CC)拓扑。使用两个性能指标(FOM)进行比较:
其中Z0是TIA增益,BW是带宽,Cin是输入寄生电容,Noise是平均输入参考电流噪声谱密度,PDC是功耗。
比较结果显示,提出的LV CC-RGC TIA在两个FOM方面都实现了优异的性能,突出了其在克服传统权衡方面的优势。
结论
本文介绍的无电感低功耗低电压交叉耦合调节式共源(LV CC-RGC)TIA设计为高性能光接收器提供了一个有前景的解决方案。通过结合RGC和交叉耦合结构的优点,提出的拓扑实现了:
有效隔离寄生电容效应
在不增加功耗的情况下降低输入电阻
改善增益带宽积
更低的噪声性能
与深亚微米CMOS工艺兼容
实验结果证明了这种方法的有效性,在保持紧凑设计和低功耗的同时实现了有竞争力的性能指标。随着对高速、低功耗光通信系统需求的持续增长,LV CC-RGC TIA拓扑为线路设计人员提供了有价值的工具,为现代光接收器设计的挑战提供了平衡的解决方案。
参考文献
[1] B. Abdollahi et al., "Inductor-less low-power low-voltage cross-coupled regulated-cascode transimpedance amplifier circuit in CMOS technology," IEEE Access, vol. XX, pp. 1-9, 2024, doi: 10.1109/ACCESS.2024.3474788.
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