CMOS1_2V电压10Gb_s光接收机前置放大器设计

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煤炭技术
第 ３０ 卷
流转换成电压的功能。由电路理论可知，这种结构可 以降低放大器的输入输出电阻，稳定增益，并可扩大 带宽和动态范围，减小噪声。基于这些优点，此次设 计采用跨阻放大器结构。
3 电路设计
作的关键，此次设计对这方面进行了充分考虑。如图 ４ 所示，上一条曲线的纵坐标为放大器开环增益与反 馈系数的乘积，并取其对数；下一条曲线为电路的相 频特性曲线［４］。可以看出，该电路的相位裕度达到了 ７３．７°。因此前置放大器的稳定性可以得到保证。
CAI Han-zhi, ZHONG Xin-yue
（Mechanical and Electrical Engineering Department, Loudi Vocational Technical College, Loudi 417000, China）
Abstract:A gas concentration and wind speed monitoring node was designed using embedded microprocessor LPC2129 as controller unit, which communicates with the monitoring host through CAN -BUS. The host informs wind turbine node to control transducer to adjust rotate speed through UART interface after analyzing each monitoring node. The system can not only monitor the gas concentration and wind speed of wind turbine nearby in real time, but also the whole coal mine, which can adjust the working state of wind turbine timely for safety production and energy conservation. Key words:coal mine ventilation; CAN-BUS; gas sensor; frequency converter
收机前置放大器。采用 1.2V 低电压供电和三级共源放大结构，跨阻中频增益为 57.5dBΩ，-3dB 带宽为 10.1GHz，总
的等效输入噪声电流为 1.47μA，相位裕度为 73.7°，可稳定工作在 10Gb/s 速率。芯片面积为 0.54mm×0.74mm。
关键词：前置放大器；共源跨阻放大器；低电压；CMOS 工艺；光接收机
图 4 电路的相位裕度
Seq
（f）≈
Baidu Nhomakorabea
４kT Rf
＋
４kTγ gm1
［
１
２
Rf
２
２
＋（２πf） （Cgs１ ＋Cgd１ ） ］
（４）
3.2
单端转双端电路和输出缓冲电路设计 此部分电路如图 ５ 所示。
其中，A 为跨阻放大器的开环增益；Cs 为光检测 器寄生电容；Ci 为跨阻放大器等效输入电容；k 为玻 尔兹曼常数；T 为热力学温度；对长沟道器件，系数
图中 Ｉｓ 和 Ｃｓ 是光检测器的等效模型。Ｍ１ 和 Ｒ１ 构成共源放大器，提供电压放大；Ｍ２ 和 Ｒ２ 构成源跟 随器，完成电平位移和阻抗转换；Ｒｆ 跨接在放大器输 入端和输出端之间，构成电压并联负反馈，实现将电
收稿日期:2010-11-04;修订日期:2010-12-15 作者简介:吴有恩（1963-），男，江西进贤人，硕士，副教授，研究方向:通信工程。
第 ３０ 卷第 ４ 期 ２０１１ 年４ 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.30,No.02 April,2011
CMOS 1.2V 电压 10Gb/s 光接收机前置放大器设计
吴有恩
（江西渝州科技职业技术学院, 江西 新余 338000）
摘 要：采用 UMC 0.13-μm CMOS 工艺，设计了一种应用于 SDH 系统 STM-64（10Gb/s）速率级的低电压供电光接
阻 Rf，中频跨阻增益就越小，反馈电阻引入的噪声就 电平；对于高频信号，电容 Ｃ ｔ 相当于短路，交流分量
越大，放大器的灵敏度也就越低。根据以上分析，设 几乎全部加到晶体管 Ｍ １ 上。差分放大器单端输入双
计时有必要在保证放大器有足够大开环增益的情况 端输出，从而实现了单端到双端的转换。设计中同样
下，合理选择反馈电阻值 Rf 的大小。本次设计采用 引入了电感实现并联峰化，以扩展系统的带宽。
光接收机系统中，由于前置放大器后接的主放
Rf 实现。但由式（２）可知，由于密勒电容的存在，增大 大器是双端输入，而跨阻放大器为单端输出，所以
开环增益 A 的同时，也增大了跨阻放大器的等效输 要在跨阻放大器后加上单端转双端电路。该电路由
入电容 Ci，这会在一定程度上减小跨阻放大器带宽， 一个 ＲＣ 低通网络与一级共源差分对组成。其工作
放大。相对于砷化镓工艺和双极性硅工艺而言，ＣＭＯＳ 小，但是动态范围小，而且在高速应用中需要设计一
工艺具有成本低、功耗低、集成度高的优点，这使得越 个十分复杂的均衡网络。因此只适用于对速率要求
来越多的光纤通信电路选择用 ＣＭＯＳ 工艺来实现。 不高但对灵敏度要求很高的系统。跨阻放大器电路
文章采用 ＵＭＣ ０．１３－μｍ ＣＭＯＳ 工艺设计实现了用 的基本结构如图 ２ 所示。
3.1 跨阻放大器设计
由图 ２ 可得电路的 －３ ｄＢ 带宽、输入电容、跨阻
增益和等效输入电流噪声功率谱密度，分别为：
BW－３dB
＝
A ２πRf
CT
（１）
CT =Cs +Ci =Cs ＋［Cgs１ ＋（１＋A）Cgd1 ］
（２）
vout iin
＝－（
A A＋１
）·１＋sCTR（ fAR＋f１
）
（３）
γ≈２／３，对短沟道器件，γ 约为 ２￣３；ｇｍ１、Cｇｓ１ 和 Cｇｄ１ 分
别为 M１ 的跨导、栅源间电容和栅漏间电容。
在式（１）中，CT 值主要取决于 Cs，而 Cs 是光检测
器寄生电容，一般无法改变，所以要增大跨阻放大器
图 5 单端转双端电路和输出缓冲电路结构
带宽，可以通过增大开环增益 A 以及减小反馈电阻
因此不能无限制地增大开环增益 A；而从式（３）和 原理为：对于直流信号，电容 Ｃｔ 相当于开路，由于晶
（４）可见，对于大的电路开环增益 A，电路的跨阻增 体管 Ｍ １，Ｍ ２ 栅极静态电流几乎为零，电阻 Ｒ ｔ 上无
益几乎与反馈电阻值 Rf 相等，所以如果减小反馈电 压降，因此差分放大器的两个输入端具有相同的直流
图 ６ 为输入比特率为 １０Ｇｂ／ｓ，峰峰值为 １５０μＡ
环增益有了明显提高，从而有效拓展了带宽。另外， 的伪随机序列时，此前置放大器的前仿真输出眼图。
采用并联峰化技术，在共源放大器的负载电阻上串
联电感，为系统引入额外的零点，进一步扩展了电路
的带宽。最后一级使用 ＰＭＯＳ 晶体管 Mp1 和电阻 R4 构成源跟随器，完成电平的位移。
中图分类号:TN72
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2011）04-0035-03
CMOS 1.2V Supply Preamplifier for 10Gb/s Optical Receiver
WU You-en
（Jiangxi Yuzhou Scientific & Technological Inctitute，Xinyu 338000, China）
于 ＳＤＨ 系统 ＳＴＭ－６４（１０Ｇｂ／ｓ）速率级的低电压供电
光接收机前置放大器。
1 光接收机系统的结构
光接收机系统的结构如图 １ 所示。
图 1 光接收机系统的结构
数据信号首先通过光检测器从光信号转换为电 流信号。前置放大器将此电流信号转换成电压信号 并进行预放大。主放大器将前置放大器输出的较小
图 2 跨阻放大器电路的基本结构
便对风机的工作状态做出及时的调整，达到安全生产和节能的目的。
关键词：矿井通风；CAN 总线；瓦斯传感器；变频器
中图分类号:TD712
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2011）04-0037-03
Design of Ventilation System Based
on CAN-BUS in Coal Mine
的改进后的跨阻放大器结构如图 ３ 所示。
输出缓冲电路由负载为 ５０ Ω 电阻的差分放大
器组成。其作用是为后级负载电路提供足够的驱动
能力，但牺牲了一部分放大器增益。
4 前仿真结果
采用台湾 ＵＭＣ 提供的 ０．１３－μｍ ＣＭＯＳ 工艺库
文件，使用通用的 Ｈｓｐｉｃｅ 以及 Ｃａｄｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｅ 电路
仿真软件对此电路进行前仿真。在 １．２ Ｖ 电源电压
下，该前置放大器总的中频跨阻增益为 ５８．０ ｄＢΩ，－３
图 3 改进后的跨阻放大器结构
ｄＢ 带宽为 １３．６ ＧＨｚ，此处充分考虑了实际版图中寄
考虑电源电压 ＶＤＤ 仅为 １．２Ｖ，改进后的跨阻放 生参数对带宽的影响，留出了足够的带宽损耗空间。
大器由原来的单级共源放大变为三级共源放大，开
Abstract:A low-voltage supply preamplifier for the STM-64 (10Gb/s) optical receiver of SDH system is designed by using UMC 0.13-μm CMOS technology. With a supply voltage of 1.2V and three stages of common-source topology, this preamplifier gives a 10.1GHz -3dB bandwidth with a 57.5dBΩ transimpedance gain. The total equivalent input current noise is 1.47μA. The phase margin is 73.7°, ensuring that the preamplifier can operate at a bit rate of 10Gb/s stably. The chip area is 0.54mm×0.74mm. Key words:preamplifier; common -source transimpedance amplifier; low voltage supply; CMOS technology; optical receiver
摘 要：采用嵌入式微处理器 LPC2129 作为控制单位，设计了煤矿瓦斯浓度和风速监测节点，各节点通过 CAN 总
线与监控主机连接进行通信，对各节点监测区域的瓦斯浓度数据分析后，主机向风机节点发送控制指令，调节风机
的输出功率。该系统不仅监测风机出风口附近的瓦斯浓度和风速，而且做到了对整个矿井内各个区域实时掌握，以
另一方面，三级共源放大结构也带来了系统稳
定性的问题。避免自激振荡是保证前置放大器稳定工
图 6 前仿真输出眼图
第 ３０ 卷第 ４ 期 ２０１１ 年４ 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.30,No.04 April,2011
基于 CAN 总线的煤矿通风系统设计
蔡翰志，钟新跃
（娄底职业技术学院 机电工程系，湖南 娄底 417000）
2
前置放大器结构选择
接收机是整个光纤通信系统的重要组成部分之一，
在光纤传输系统中，前置放大器分为低阻、高阻
其中的前置放大器是一个关键电路，直接影响整个 和跨阻 ３ 种类型。低阻放大器具有简单的拓扑结构，
光接收机的性能。前置放大器的作用，是将来自光电 但是增益低，噪声性能很差。适用于光电探测器和放
检测器的微弱电流信号转换成电压信号，并进行预 大器混合集成的场合。高阻放大器的增益高，噪声
电压信号进一步放大至限幅，以驱动后继的时钟恢
0 前言
复和数据判决电路。时钟恢复和数据判决电路分别 实现时钟和数据信号的再生。再生的数据信号将被
现代的光纤干线通信将采用 ＳＴＭ－６４（１０Ｇｂ／ｓ） 分接，进入与发射端相对应的低速子通道。
速率级为基础的波分复用（ＷＤＭ）系统。因此，研究 １０Ｇｂ／ｓ 光通信器件与电路具有明确的应用前景。光