光纖通信用80Gb-s以上速率數(shù)據(jù)復接集成電路研究與設計.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分復用方式進行，高比特率系統(tǒng)的經(jīng)濟效益大致按指數(shù)規(guī)律增長，目前商用系統(tǒng)的速率已達10Gb/s。光纖在傳輸40Gb/s及以上速率的數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生較嚴重的色散，這是10Gb/s主干網(wǎng)系統(tǒng)升級到40Gb/s系統(tǒng)的一個困難。但隨著光纖制造技術的發(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

2、可以設定的發(fā)展階段。作為光纖通信系統(tǒng)的核心單元，時分復用的復接器成為研究領域一直關注的焦點。目前國際上已成功完成了100Gb/s到165Gb/s復接器芯片的研究，但這些嘗試所采用的工藝成本非常之高。國內(nèi)復接器實驗芯片的最高速率為40Gb/s，落后于國外的研究進度。 本課題的目的是采用相對低成本的工藝設計80Gb/s及以上速率的復接器芯片，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、振蕩器的分析與設計，采用的工藝主要為SiGe BiCMOS。 由于用來設計復接器的晶體管截止頻率僅為103GHz，對設計80Gb/s以上速率的復接器是一個很大的挑戰(zhàn)。本文首先從系統(tǒng)設計上對傳統(tǒng)復接器進行了優(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)動片外50Ω負載；其次，優(yōu)化設計片上寬帶放大器以充分保證輸入數(shù)據(jù)、時鐘的增益和帶寬；最后，充分考慮現(xiàn)有測試儀器頻率和速率的限制，在芯片上設計了40

4、GHz時鐘倍頻器單元，為芯片的時鐘輸入提供了20GHz和40GHz兩種選擇。 在數(shù)據(jù)和時鐘輸入緩沖器的設計上，本文列舉了幾種應用于超高速系統(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、輸出阻抗三個方面都符合復接器系統(tǒng)的要求。因此對這種放大器實現(xiàn)寬帶的原理進行了理論分析。在電路設計中，本文結(jié)合了Cherry-Hooper結(jié)構(gòu)和峰化電感技術進一步增加了工作帶寬。為了在毫米波頻段下盡量精確設計峰化電感，本文還給出了有關片上電感分析、仿真與實現(xiàn)方法。最后給出了工作于毫米波頻率下的版圖設計要點和放大器的仿真結(jié)果； 在二倍頻器的設計上，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，并在實驗芯片上對該條件進行了驗證，測試結(jié)果與仿真接近一致。最后，利用本文給出的條件設計了復接器芯片所需的40GHz差分倍頻器，并給出了仿真結(jié)果。 在選擇器設計之初，本文對近年來國際文獻提出的幾種新型選擇器電路進行了對比，分析了各自的優(yōu)缺點：然后結(jié)合現(xiàn)有工藝的特點，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速率下的應用，對電路參數(shù)做了優(yōu)化，使電路工作速度達到最高。接著，針對現(xiàn)有儀器，提出了一套行之有效的測試方案。最后給出了整個復接器芯片的測試結(jié)果。結(jié)果表明該芯片可以達到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)射機需要有獨立的時鐘源，本課題對時鐘源頻率綜合器中的壓控振蕩器也進行了深入的研究。推導并簡化了雙推型振

8、蕩器的負阻、負阻頻率上限以及相位噪聲解析表達式；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，本文分別設計了一個差分雙推VCO和一個差分Colpitts型VCO，兩個芯片都工作在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雙推型振蕩器，推導了其負阻、負阻頻率上限和相位噪聲解析表達式，通過與原雙推型振蕩器三項指標的對比，得出的結(jié)論是

9、：改進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。為了驗證該結(jié)論，本課題在38GHz附近分別設計了改進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阻和相位噪聲表達式給電路設計提出了指導，具有非常重要的學術和實踐意義；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確測試頻率和相位噪聲近似估計輸出功率的實用的測試方案； 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)化的復接器系統(tǒng)方案； 2、首次實現(xiàn)國內(nèi)超過80Gb/s速率的復接器芯片，芯片上集成了毫米波40GH差分二倍頻器、三個寬帶放大器(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，并設計實現(xiàn)了兩個工作在20GHz附近的VCO實驗芯片； 4、在理論分析上對比了雙推型與改進雙推型振蕩器在