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《河南大学》 2012年
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10Gbit/s光纤通信前置放大器的分析与设计

黄太毅  
【摘要】:随着社会的进步,信息量的迅猛增长,人们对信息处理速度的要求也越来越高。基于光纤通信系统频带宽、容量大、传输损耗低、体积小、质量轻、抗干扰、抗腐蚀、节省能源、资源丰富等诸多优点,光纤通信系统必然将成为或者正在成为下一代宽带网络通信的主体。因此,开发具有自主知识产权的光纤通信系统是必不可少的。 在光纤通信系统的光接收机中,因为前置放大器模块所处位置的特殊性,所以其性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。本课题所设计的前置放大器可适用于满足同步数字体系SDH STM-64(10Gb/s)传输速率的光纤通信系统的需要。 前置放大器的作用是将光检测器传输过来的微弱脉冲电流信号转换并放大为脉冲电压信号。论文首先介绍了为前置放大器提供输入的光检测器的噪声性能和等效电路,进一步明确了前置放大器的设计目标。接着,对低阻、高阻和跨阻前置放大器进行了详细的介绍和对比,并详细介绍了跨阻放大器对基本放大器在输入输出阻抗和带宽等方面的影响,最终确定采用适用于高速率传输的跨阻放大器结构。论文接着对共栅形式、共漏形式、共源形式和RGC形式的四种前置放大器,从输入输出阻抗、增益、带宽和噪声等方面进行了详细的分析和理论推导,由于RGC形式的前置放大器在输入输出阻抗和带宽等方面的优势,最终确定采用RGC结构作为前置放大器的输入级。 为了满足电路对高带宽的要求,论文采用多种技术来扩展电路的带宽。RGC结构作为输入级,不仅能够避免较大的光检测器寄生电容对带宽的影响,还可以利用其前置放大器自身反馈机制所带来的零点尖峰来进一步扩展带宽;采用电压-电流负反馈,来减小电路主极点处的等效阻抗值;采用源跟随器结构,来避免后级电路等效输入电容在主极点处的密勒效应;采用容性退化技术,来产生一个能够抵消主极点的零点。通过采用上述扩展带宽的技术后,电路的-3dB带宽达到8.69GHz,满足了系统的设计要求。论文最后对所设计电路进行版图的实现。首先介绍了版图设计的流程,接着介绍了版图设计规则和版图设计准则。另外,对天线效应、闩锁效应和静电放电保护等可靠性设计进行了详尽的描述。为了使电路的性能达到最佳,我们不仅对电路进行了合理的平面布局,还采用了诸如dummy器件、对称性、共心技术和指状交叉技术等多种技术来保证电路的匹配。 利用Cadence公司的Spectre和Virtuoso软件并采用TSMC的0.18μm工艺完成了具有8.69GHz带宽的前置放大器电路的设计和版图的实现,所设计的电路完全能够满足光纤通信系统的10Gb/s传输速率的需要。该前置放大器的增益为40.1dB,平均电流噪声功率谱密度为12.71pA/Hz。在提供1.8V的供电电压下,电路的功耗仅为15.33mW。
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN722.71

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【参考文献】
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