一种带AGC功能的RGC输入前置放大器设计-AET-电子技术应用

一种带AGC功能的RGC输入前置放大器设计

来源：电子技术应用2013年第6期

后永奇，杨建红

兰州大学物理科学与技术学院微电子研究所，甘肃兰州730000

摘要： 基于标准CMOS 0.18 μm工艺，设计了一种带AGC功能的光接收机RGC输入前置放大器。该放大器采用电压并联负反馈结构；输入级采用RGC结构以拓展带宽，从而解决了宽带宽与高跨阻之间的矛盾；输出级接入单端转差分结构，使输出的信号能直接输入到后续的主放大器中；嵌入自动增益控制技术AGC，以解决输入动态范围与高跨阻、低噪声之间的矛盾。同时，选用SIMC 0.18 μm工艺库进行了模拟仿真。结果显示，当光接收机输入光功率为-10 dBm、电源电压为1.8 V、光检测器的寄生电容为0.5 pF时，此放大器具有良好的等效电流输入曲线和幅频特性。

关键词： IC设计软件光接收机前置放大器 CMOS工艺 RGC

中图分类号： TN432
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)06-0037-03

Design of a RGC input pre-amplifier with AGC

Hou Yongqi，Yang Jianhong

Institute of Microelectronics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

Abstract： This paper designs an RGC input pre-amplifier with AGC function of optical receiver based on 0.18 μm CMOS technology. The structure of circuits is the voltage parallel negative feedback. Its input stage is an RGC structure to expand bandwidth，which solves contradiction between wide bandwidth and high trans-impedance. The output stage is a single-to-differential structure. And in order to solve the contradiction between the dynamic range and high trans-impedance or low noise，the AGC circuit is used. Finally，the SIMC 0.18 μm technology library is selected to simulate. The results show that this circuit structure has good frequency characteristics and the equivalent current input curve，when input optical power of optical receiver is -10 dBm, the power supply voltage is 1.8 V, and the parasitic capacitance CD of the optical detector is 0.5 pF.

Key words : optical receiver；pre-amplifier；CMOS technology；RGC；AGC

自1976年美国在亚特兰大（Atlanta）现场试验了世界上第一个光纤通信系统以来，光纤通信在商业应用中已有三十多年的发展历程。而我国在此领域的所用芯片基本依靠进口，所以研制高性能的通信芯片对我国通信行业的发展具有极其重要的意义。

对于光接收机前端电路，由于其跨阻前置放大器具有低的输入/输出电阻、高带宽和低噪声等诸多优点，因此一直受到电路工程师们的青睐[1]。但前置放大器的设计需要在带宽、增益、噪声、电源电压和功率损耗等因素之间进行有效的折中，在一定程度上给设计者带来了困难。为了解决高跨阻与宽带宽的矛盾，此次设计采用RGC(Regulated Cascode)输入级以拓展带宽。同时，为了解决输入动态范围与高跨阻、低噪声的矛盾，采取了自动增益控制技术。
1 电路设计与性能参数分析
1.1 整体电路设计
图1是一个传统的跨阻放大器，M1和RD构成共源级，M2共漏结构构成源跟随器，Rf是接到输入端与输出端的反馈电阻，Iin是光检测器的输出电流，CD为放大器的输入电容（包括光检测器的结电容、放大器的输入电容和节点的寄生电容）。

1.2 电路性能分析
   RGC组态最显著的特征是高输出阻抗和宽输出电压范围。此外，其高速度、低噪声的特征（当输入晶体管被一个电流源取代时，将会产生虚地输入阻抗）对前置放大器的设计是有用的[4-6]。图2中光电二极管的功能是将光纤传输过来的光信号转化为电信号。这一光电流在晶体管M1的漏极被放大为电压信号。而晶体管M2和电阻R3在输入级起本地反馈作用。所以，减小输入阻抗是通过自身电压增益的大小而决定的。
   根据小信号分析，RGC电路的输入电阻由下式给出：

     图2中的第三级是单端转差分级，输入端接放大级的输出信号，Vout1和Vout2为差分输出。其工作原理为：直流时，电容相当于开路，使得差分放大器的两个放大管具有相同的直流偏置；高频时，电容相当于短路，差分放大器单端输入、双端输出，从而实现了单端到双端的转换。这里，由R7和C1组成的低通滤波器提取出放大器输出的直流电平，并将该信号送至M7的栅极。因为VX-VY呈现出一个零平均值，所以差分对的输出也是没有偏移量的。图2中的结构起到了一个高通滤波器的作用：在足够低的频率下，X节点和Y节点的信号是相等的，从而产生了零输出。只有高通传递函数的低转角频率降低到几十千赫兹以下时，时间常数R7C1才会达到几十微秒，因此这个方法常需要一个大的外置电容。
2 模拟结果
   本设计基于SIMC 0.18 μm工艺模型，在1.8 V电源电压下，对所设计的前置放大器进行了模拟仿真。此跨阻放大器的幅频特性曲线如图3所示。当光检测器的寄生电容CD为典型值0.5 pF时，低频跨阻增益Arf为72.8 dBΩ，3 dB带宽为3.06 GHz。跨阻增益被限制在数百欧姆范围内，结果满足系统的高速率（10 Gb/s）、低电源电压（1.8 V）要求。

一般地，高性能TIA的总噪声电流的变化范围为0.5 ?滋Arms~2 ?滋Arms，并且噪声随着频率的增大而增强。从图4所示的等效电流输入电流功率谱密度Seq曲线可以看出，此跨阻放大器的电流噪声为108.36 nA，具有较低的噪声。

本文基于0.18 μm CMOS工艺，用Cadence软件设计了一种带自动增益控制(AGC)的RGC输入跨阻放大器，最后选用SIMC 0.18 μm CMOS工艺库对设计结果进行了仿真。结果表明，当输入的光功率为-10 dBm、电源电压为1.8 V、设定光检测器的寄生电容为0.5 pF时，所设计的放大器具有良好的幅频特性和等效电流输入曲线。
参考文献
[1] 王志功.光纤通信集成电路设计[M].北京：高等教育出版社，2003.
[2] 谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路（线性部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.
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[4] PARK S M，YOO H J.1.25-Gb/s regulated cascode CMOS transimpedance amplifier for Gigabit Ethernet applications[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2004，39 (1)：112-121.
[5] PARK S M，TOUMAZOU C.A packaged low-noise highspeed regulated cascode transimpedance amplifier using 0.6 μm N-well CMOS technology[C].Proc.Eur.Solid-State Circuit Conf.(ESSCIRC)，2000：432-435.
[6] SACKINGER E，GUGGENBUHL W.A high-swing，high impedance MOS cascode circuit[J].IEEE J.Solid-State Circuits，1990，25(1)：289-298.

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