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前均衡CMOS光电集成接收机的理论研究与设计

余长亮  
【摘要】: 与混合集成光接收机相比,单片CMOS光电集成接收机不仅可以大大降低接收机的成本,而且最大限度地消除封装和模块间互连所产生的寄生元件及外界环境的电磁干扰和噪声,提高了接收机的性能。但由于标准CMOS技术的限制,使得与标准CMOS工艺兼容的单片光电集成接收机的实用化应用仍有许多问题尚待解决。 针对通常的跨阻前置放大器结合后均衡器的光接收机的电路结构复杂、功耗和面积大、插入损耗大等缺点,本文创新地提出了一种解决CMOS光电集成接收机灵敏度和速度问题的新方法—前均衡,即在接收放大电路的前端对传输信号进行频率补偿,并提出了相应的前均衡光电集成接收机的系统结构和设计方法。对于前均衡CMOS光电集成接收机的各个模块,论文分别进行了理论分析及结构和电路设计:研究了硅基高速光电探测器的结构,并采用MOSIS 0.35μm标准CMOS工艺实现了一种频率响应带宽达1.1GHz的插指型P+/N阱/P型衬底双光电探测器;研究了前均衡器的理论,并设计了三种前均衡器,即并联谐振回路前均衡器、三次阶梯网络前均衡器和高通滤波器前均衡器;研究了高灵敏度跨阻前置放大器的实现方法和电路设计;研究了高速主放大器和低噪声光接收机的设计方法,并设计了一种高速、低噪声的主放大器电路。 在此基础上,基于Chartered 0.35μm RF CMOS工艺库,设计了三种前均衡CMOS光电集成接收机,并进行了电路仿真和对比分析。分析结果表明:集成三次阶梯网络前均衡器的CMOS光电集成接收机不仅可获得最大的平坦频率响应和3dB带宽(约2.19GHz),而且可获得最大的接收灵敏度(约-15.25dBm)。最后,对集成三次阶梯网络前均衡器的CMOS光电集成接收机进行了结构及参数优化和版图绘制。 本论文的研究成果在于提出了一种新型的高灵敏度跨阻前置放大器结合前均衡器的光接收机系统结构,它为解决CMOS光电集成接收机的实用化问题提供了一种新思路。


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