引言 人们 对于 高速 数据 通信 的 需求 与日俱增 ， 光纤 通信 满足 了 人们 对于 高速 数据 通信 的 需求 。 光 接收 机 前端 电路 作为 光纤通信 中 光 接收机 的 关键 模块 ， 历来 是 人们 研究 的 重点 。 2016 年 ， D . Li 等人 ［ 1 ］ 基于 SiGe BiCMOS 工艺 设 计 了 一 款 光 接收机 ， 跨 阻 增益 达到 78 dBΩ ， 带宽 为 18 . 6 GHz ， 能够 满足 25 Gbit s 信息 速率 的 传输 要 求 。 2017 年 ， H . Y . Jung 等人 ［ 2 ］ 设计 了 一 款 传输 速 率 为 25 Gbit s 的 单片 集成 光 接收机 ， 其 将 光电 探测 器 和 模拟 前端 电路 集成 ， 具有 67 dBΩ 的 跨 阻 增益 和 17 GHz 的 带宽 。 除此之外 ， 国内外 还 采用 了 多种 方 式 提高 光 接收机 的 信息 传输 速率 ， 如 采用 PAM － 4 信 号 传输 ［ 3 ］ 、 光 接收机 多 片 集成 等 。 由此可见 ， 对 高 速 光 接收机 的 研究 、 有 相当 重要 的 意义 。 光 接收机 前端 电路 ， 用于 接收 来自 光电 探测器 的 微弱 电流 信号 ， 并 将 其 转化 为 电压 信号 ， 同时 还 有 一定 程度 的 放大 ， 以便 被 后 端 电路 应用 。 光 接收 机 的 前端 电路 设计 ， 需要 综合 考虑 跨 阻 增益 、 带 宽 、 噪声 、 输出 电压 摆 幅 、 功耗 等 指标 。 具体 来 说 ， 光 接收机 前端 电路 一方面 要 有 足够 的 跨 阻 增 益 ， 从而 产生 合适 输出 摆 幅 的 信号 ; 另一方面 ， 要 有 能 与 信息 传输 速率 相 匹配 的 带宽 ， 以及 尽可能 小 的 噪声 。 本文 综合 上述 指标 ， 提出 了 一种 能够 在 25 Gbit s 传输 速率 工作 的 光 接收机 前端 电路 。 1 工艺 选择 传统 的 CMOS 工艺 具有 功耗 低 、 成本 低 的 优 点 ， 广泛 应用 于光 接收机 的 设计 中 。 以往 半导体 工 艺 都是 通过 缩小 CMOS 器件 的 尺寸 来 提高 其 性能 ， 但是 随着 器件 尺寸 的 不断 缩小 ， 硅 工艺 器件 的 速度 已经 接近 极限 ， 进一步 提升 器件 速度 并 保持 器件 的 线性 特性 变 得 相当 困难 。 为 解决 这 一 问题 ， 研究 人 员 开发 了 锗 硅 异质 结 双 极 型 晶体管 ( SiGe HBT ) 工艺 。 SiGe HBT 工艺 通过 引入 Ge ， 提高 了 基区 掺 杂 浓度 ， 缩小 基区 宽度 ， 提高 工作 速度 ; 同时 ， 不 降低 发射 极 注入 效率 ， 从而 提高 电流 增益 ， 实现 大 电流 驱动 。 相比 于 原有 的 硅 双 极 器件 ， SiGe HBT 的 工作 
速度 快 、 电流 增益 高 、 截止 频率 高 ， 但是 噪声 小 、 功耗 低 。 SiGe BiCMOS 工艺 结合 了 SiGe HBT 工艺 的 高速 、 低 噪声 和 CMOS 工艺 的 低 功耗 、 高 集成 度 、 低 功耗 的 优点 。 本文 基于 0 . 18 μm SiGe BiCMOS 工艺 ， 设计 传输 速率 为 25 Gbit s 的 光 接收 机 前端 电路 。 2 光 接收机 前端 电路 设计 2 . 1 电路 整体 架构 图 1 为 光 接收机 前端 电路 的 整体 架构 图 ， 电路 主体 分为 4 个 模块 ， 分别 为 跨 阻 放大器 ( TIA ) 、 限 幅 放大器 ( LA ) 、 直流 偏移 消除 电路 和 输出 缓冲 级 。 图中 ， IIN 为 光电 探测器 的 输出 电流 ， 在 整个 系统 中 作为 输入 ; Voutn 和 Voutp 均为 光 接收机 的 差 分 输出 端 ; VCC 为 跨 阻 放大器 的 供电 电压 ; VDD 为 电路 其他 模块 的 供电 电压 ; VB 1 和 VB 2 分别 为 限 幅 放大器 和 输出 缓冲 级 的 偏 置 电压 。 输入 的 电流 信号 经过 跨 阻 放大器 ， 产生 一 组 共 模 电 平 信号 和 一个 单端 交流 信号 。 共 模 信号 为 后 级 限 幅 放大器 提供 直流 偏 置 ， 单端 交流 信号 则 是 作为 级 联 限 幅 放大器 的 输入 。 限 幅 放大器 用于 提高 电路 的 跨 阻 增益 ， 同时 拓展 带 宽 。 由于 跨 阻 放大器 为 伪 差 分 结构 ， 所以 产生 的 共 模 电 平 并不 完全 相等 ， 产生 了 直流 偏移 ， 严重 影响 了 限 幅 放大器 的 静态 工作 点 ， 致使 第二 级 限 幅 放大 器 不能 正常 工作 。 因此 ， 需要 设计 直流 偏移 消除 电 路 ， 其 输出 信号 为 Voffset ， 通过 该 电压 控制 MTIA 和 MDummy ， 消除 直流 偏移 。 电路 的 输出 信号 经过 输出 缓冲 级 ， 实现 与 后 端 电路 的 50 Ω 阻抗 匹配 跨 阻 放大器 设计 图 2 为 跨 阻 放大器 的 电路 结构 ［ 4 ］ 。 该 跨 阻 放大 器 的 结构 为 带有 反馈 电阻 的 共 射 共 集 放大 电路 ， 电 路 的 第一 级 为 共 射 极 放大 电路 ， ＲC 是 集 电极 负载 电阻 ; 电路 的 第二 级 为 射 极 跟随 器 ， 由 晶体管 QB 和 ＲE 构成 ， 用于 隔离 前后 级 电路 ; 反馈 信号 从 QB 发射 极 引出 ， 经过 ＲF 反馈 回 第一 级 输入 端 ， 构成 并联 负 反馈 。 Dummy 模块 无 输入 端 ， 其 QA 的 基 极 电压 由 反馈 回路 进行 偏 置 ， 主要 是 为 后 级 限 幅 放大 器 提供 偏 置 。 IIN 表示 电路 的 等效 输入 电流 ， 用于 模拟 光电 二极管 的 输出 。 跨 阻 放大器 的 工作 电压 为 VCC ， 电压 大小 为 2 . 7 V ， 保证 了 放大 管 处于 放大 区 ， 能够 有效 地 放大 信号 。 VTIAN 和 VTIAP 则 为 跨 阻 放大器 的 输出 端 。 
图 2 跨 阻 放大器 的 电路 结构 ［ 4 ］ Fig . 2 Circuit structure of the transimpedance amplifier ［ 4 ］ 忽略 晶体管 QA 和 QB 的 基 极 电阻 ， 跨 阻 放大 器 的 小 信号 模型 如 图 3 所 示 。 图中 : Cin 为 光电 探 测 器 的 寄生 电容 CPD 和 QA 的 寄生 电容 CπA 之 和 ; Cout 为 X 点 的 总 电容 ; ＲπA 和 ＲπB 分别 为 晶体管 QA 和 QB 的 基 极 － 发射 极 电阻 ; VπA 和 VπB 分别 为 晶体 管 QA 和 QB 的 基 极 － 集 电极 电压 降 ; ＲoA 和 ＲoB 分别 为 晶体管 QA 和 QB 的 输出 电阻 ; gm 为 晶体管 的 跨 导 ; Vo 泛指 跨 阻 放大器 的 小 信号 输出 电压 。 直接 影响 电路 跨 阻 增益 的 为 晶体管 的 跨 导 gm ， 可以 通 过 调整 集 电极 电流 IC 改变 gm 的 数值 。 由 共 射 极 电 路 和 射 极 跟随 器 组成 的 跨 阻 放大器 ， 其 总体 增益 主 要 取决于 共 射 极 电路 。 这是 由于 射 极 跟随 器 的 增益 近似 为 1 ， 几乎 没有 放大 作用 。 因此 ， 传输 函数 ( AＲ ( s ) ) 可以 表示 为 ［ 4 ］ AＲ ( s ) = － AVＲF ＲFCin ω 0 s 2 + ( ＲFCin + 1 ω 0 ) s + AV + 1 ( 1 ) 式 中 : ω 0 为 跨 阻 放大器 的 输出 极点 ， ω 0 = 1 ( ＲCCout ) ; s = jω ， 其中 ω 为 角 频率 ; AV 为 共 射 
极 电路 的 增益 ， AV = gmAＲC ( 其中 gmA 为 晶体管 QA 的 跨 导 ) ， 忽略 了 输出 电阻 ＲoA ( ＲoA ? ＲC ) 。 
图 3 跨 阻 放大器 的 小 信号 模型 Fig . 3 Small signal model of the transimpedance amplifier 假定 AV ? 1 ， 显然 在 低频 情况 下 ， 跨 阻 放大器 的 跨 阻 增益 近似 为 ＲF 。 一般 而 言 ， Y 点 是 传统 跨 阻 放大器 的 输出 端口 ， 这是 因为 射 极 跟随 器 的 输入 电阻 高 ， 输出 电阻 低 ， 适合 做 电路 的 输出 级 。 然 而 ， 一方面 射 极 跟随 器 的 增益 约 为 1 ， 几乎 没有 放 大 作用 ; 另一方面 ， 若 以 Y 点 作为 输出 端 ， 后 级 输入 噪声 会 经过 反馈 电阻 ＲF 馈 通到 输入 端 ， 而 X 点 作为 输出 端 ， 则 后 级 输入 噪声 要 经过 一个 QA 才 能 等效 到 输入 端 ， 此时 噪声 减小 了 gmA ( ＲC ‖ ＲoA ) 倍 。 射 极 跟随 器 在 电路 中 起到 两 个 重要 作用 ， 一 是 通过 晶体管 QB 的 基 极 － 发射 极 电压 降 VBE 抬高 X 点 的 直流电 平 ， 利于 驱动 后 端的 差 分 电路 ; 二 是 将 输 出 端 ＲC 的 噪声 隔离 ， 避免 输出 噪声 通过 反馈 电阻 ＲF 传递 到 输入 端 。 电路 的 － 3 dB 带宽 ( f － 3 dB ) 计算 公式 为 ［ 4 ］ 
f － 3 dB = 
1 2 π 
槡 2 AV ＲFCin 
= 
槡 2 gmAＲC 2 πＲFCin 
( 2 ) 从 式 ( 2 ) 可以 看出 ， 要 想 有效 拓展 跨 阻 放大器 的 带宽 ， 可以 通过 合理 选择 以下 参数 的 取 值 : 晶体管 QA 的 跨 导 gmA ， 集 电极 负载 电阻 ＲC ， 反馈 电阻 ＲF 。 至于 X 点 的 总 电容 Cin ， 因 其 主要 来源于 光电 探测 器 ， 不能 有效 调整 ， 所以 并 不能 用于 拓展 带宽 。 之所以 采用 伪 差 分 结构 ， 而 不是 传统 的 单端 转 差 分 结构 ， 这是 因为 光电 探测器 与 跨 阻 放大器 之间 的 引线 与 其他 部分 的 引线 形成 了 大量 的 寄生 电容 和 寄生 电感 ， 导致 信号 互相 耦合 ， 使 高速 波形 劣 化 。 而 增加 一个 Dummy 结构 ， 能够 将 原来 的 单端 噪声 转换 为 共 模 噪声 ， 通过 差 分 输出 ， 进而 抑制 这些 共 模 噪声 ， 提高 电路 的 性能 ［ 5 ］ 。 2 . 3 基于 Cherry - Hooper 结构 的 限 幅 放大器 设计 图 4 为 限 幅 放大器 的 电路 设计 ［ 6 ］ ， 采用 了 改进 型 的 Cherry - Hooper 结构 ， 差 分 电路 由 两 级 级 联 的 共 射 极 放大 电路 和 一级 射 极 跟随 器 电路 组成 。 使用 射 极 跟随 器 而 不是 电阻 作为 反馈 通路 ， 目的 是 为了 驱动 负载 电容 ， 除此之外 ， 隔离 了 跟随 器 的 集 电极 与 负载 电容 。 这个 电路 的 另 一个 优势 是 降低 了 射 极 跟随 器 的 输出 电阻 。 图中 ， Vin 和 Vip 为 限 幅 放大器 的 差 分 输入 端 ; Von 和 Vop 为 限 幅 放大器 的 差 分 输出 端 ; VB 1 和 VB 2 为 尾 电流 源 的 偏 置 电压 ， 产生 合适 的 偏 置 电流 。 在 限 幅 放大器 中 ， 工作 电压 VDD 为 3 . 3 V ， 高于 VCC ， 这是 因为 限 幅 放大器 每 一级 均 有 一个 作为 电流 源 的 晶体管 ， 还有 一个 射 极 跟随 器 ， 这些 都 消耗 了 电压 裕 度 。 若是 仍 采用 VCC 作为 工作 电压 ， 则 不易 使 电路 工作 在 放大 区 ， 降低 增 益 ; 同时 ， 增大 工作 电压 ， 有利于 提高 集 电极 电流 IC ， 进而 提高 晶体管 跨 导 gm ， 提高 增益 。 但是 ， 增大 工作 电压 ， 也 意味着 增大 电路 的 功耗 ， 这 需要 在 设计 中 进行 权衡 。 
图 4 限 幅 放大器 的 电路 结构 Fig . 4 Circuit structure of the limiting amplifier 限 幅 放大器 电路 的 小 信号 模型 如 图 5 所 示 ， 图 中 : gm ， i ( i = 1 ， 2 ， 3 ) 为 3 个 晶体管 的 跨 导 ; Cπ 2 和 Cπ 3 分别 为 晶体管 Q 2 和 Q 3 的 基 极 － 发射 极 电容 ; CL 为 输出 端的 负载 电容 ; Vπ 1 ， Vπ 2 和 Vπ 3 均为 晶体管 的 基 极 － 发射 极 电压 ; Ｒ 1 和 Ｒ 2 为 电路 的 负载 电阻 ; Ｒ 3 则 用于 构成 射 极 跟随 器 ; Vi 为 限 幅 放大器 的 小 信号 输入 电压 ; Vo 为 限 幅 放大器 的 小 信号 输出 电压 。 为 简化 分析 ， 忽略 了 晶体管 的 基 极 － 发射 极 电阻 Ｒπ 。 限 幅 放大器 以 其 高 带宽 的 特点 ， 特别 是 高频 处 的 峰 化 增益 ， 有效 地 补偿 了 跨 阻 放大器 与 限 幅 放大 器 级 联 时 因 寄生 电容 引起 的 带宽 损失 。 2 . 4 直流 偏移 消除 电路 和 输出 缓冲 级 如 图 6 所 示 ， VLA 2 N 和 VLA 2 P 为 第二 级 限 幅 放大 器 的 差 分 输出 端 ， 信号 经过 ＲC 低 通 滤波 电路 ， 滤 除 高频 信号 。 然后 ， 信号 经过 M 1 ， M 2 ， M 3 ， M 4 ， M 5 ， M 6 和 ＲS 组成 的 运 放 ， 主要 是 通过 运 放 的 虚 短 和 虚 断 ， 锁住 两 个 输入 电压 。 