[发明专利]基于SiGeBiCMOS的有源反馈共射共基跨阻放大器

说明书

技术领域

本发明属于光通信、光互连及可见光通信系统，涉及一种与锗硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)工艺兼容的、采用有源反馈共射共基技术的跨阻放大器。

背景技术

随着物联网、云计算及移动互联网等大数据载体的崛起，信息传输量雪崩式增长，数据速率的快速增长将传统的电气连接驱动到其性能的极限。在提高带宽，降低电磁干扰度和减小的信道损耗方面，光互连具有卓越的性能。光互连以光子作为信息载体，其比传统电互连具有更加显著的优点。例如，传输容量大、安全性高、串扰小，以及抗电磁干扰(EMI)能力强。

一个完整的光接收机系统由光电探测器(PD)、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)和判决再生电路等模块组成。其中，光电探测器的作用是将从光纤中接收到的微弱光脉冲信号转换为电流脉冲信号。跨阻放大器再将这个微弱的电流脉冲信号转变为电压脉冲信号，驱动后级电路。限幅放大器的主要作用是将跨阻放大器的输出电压进一步放大，方便后级电路处理。判决再生电路恢复光发射机端发送的原始数字电平信号，从而完成整个数字通信的目的。近年来，单片集成的光接收机前端电路技术越来越成熟，其基本消除了由混合集成引入的电磁噪声干扰，最大限度地降低了外界环境噪声以及压焊线和压焊盘的寄生参量，从而实现光接收机整体性能的提高。此外，由于单片集成光接收机的芯片面积大大减小，因而制备成本大幅降低。

然而，由于CMOS器件本身固有的寄生效应较大，且硅为间接带隙半导体材料，基于标准CMOS工艺制备的光电探测器量子效率偏低，所以难以制备高速、高灵敏度的单片集成光接收机芯片。因此，与CMOS工艺兼容，且具有高跨导、驱动能力强的SiGe BiCMOS工艺逐渐走进人们的视野。与标准CMOS工艺相比，SiGe BiCMOS工艺除了可以提供更高的截止频率，还能制备出性能更优的光电探测器，因而为高速、高灵敏度单片集成光接收机的研制提供了可能。

目前，基于SiGe BiCMOS工艺设计的跨阻放大器多采用共射级放大器、共射共基放大器以及调节型共射共基(Regulated Cascode，RGC)放大器等多种结构。共基级放大器和RGC放大器虽然具有较低的输入阻抗，可以有效地隔离较大的输入电容，从而拓展带宽，但与共射级技术相比，其噪声性能较差。另外，电感峰化技术也是一种常用的提升带宽和降低噪声手段，但螺旋电感的引入使版图整体面积显著增加，因而大幅提升制造成本，因而不适用于低成本光接收机的制备。此外，电感也会增加衬底耦合，引入更高的串扰。并联反馈(FB)跨阻放大器是实现高带宽和高灵敏度的常用拓扑结构之一，然而带宽增强会导致跨阻增益和功耗之间的权衡。通常采用优化反馈电阻和输入晶体管的参数值来使跨导最大化，进而最小化噪声，但这是以牺牲带宽和功耗为代价的。从电路结构看，共射共基放大器是由共射级和共基级形成的堆积结构，共射级的集电极电压由共基级供给，所以当共射级的偏置状态发生改变时，共基级的偏置状态也随之改变。与RGC结构相比，共射共基结构可以更好地弱化弥勒电容的影响，因而可以实现更宽的工作频带。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明在传统共射共基跨阻放大器的基础上，提供一种基于SiGe BiCMOS工艺的有源反馈共射共基跨阻放大器。技术方案如下：

一种基于SiGe BiCMOS的有源反馈共射共基跨阻放大器，包括电流源和电容、辅助放大器及主放大器，其特征在于，辅助放大器及主放大器均采用锗硅异质结双极晶体管SiGeHBT作为的共射级输入，其中，

主放大器采用共射共基结构，将输入的电流信号转换为电压信号，共基管的偏置电压由辅助放大器的输出端提供，最后将经过转换、放大后的电压信号输出；

电流源与电容并联提供光电流的输出，输出端与主放大器共射管的基级相连，另一端接地；

辅助放大器采用带负载的共射放大器结构，其输入端接在主放大器共射管的集电极和共基管的发射级上，信号流入辅助放大器所在支路上，经由辅助放大器共射管的进一步放大后，流回主放大器的共基管的基级上，形成有源反馈，以提高主放大器共基管的发射级和基级间的电压。

本发明的实质性特点是：

1、采用高跨导的锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)作为跨阻放大器的共射级输入。由于锗硅异质结双极晶体管具有比金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)更大的有效跨导，因而可将输入极点向高频方向推移，从而有效隔离光电探测器输入电容的影响。

2、主放大器采用共射共基结构。这种结构不仅具有较大的输出阻抗，而且可有效地屏蔽密勒电容，提高电路整体带宽。