專利名稱：帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)cmos差分光電集成接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信系統(tǒng)及光互連領(lǐng)域，涉及一種與標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)工藝完全兼容的、帶寬和靈敏度均倍增的差分光電集成接收機(jī)。
背景技術(shù)：
在高速通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)性能的好壞決定了整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量，其設(shè)計(jì)至關(guān) 重要?，F(xiàn)行實(shí)用的光接收機(jī)均是混合集成的，即將化合物光電探測器和硅基接收機(jī)專用 IC (集成電路)之間用金屬線鍵合而成，它只適用于大量用戶共享通信通道的長距離數(shù)
據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。而對于短距離和甚短距離高速光通信，如局域網(wǎng)、柜機(jī)到柜機(jī)、芯片間互 連和芯片內(nèi)互連等，通信通道只被幾個至幾十個用戶所獨(dú)享，此時的應(yīng)用成本變得尤為
重要。為有效降低短距離高速光通信的應(yīng)用成本，近年來，低成本的CMOS光電集成接收 機(jī)正逐漸成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)問題之一。它不僅可以大大降低接收模塊的器件成本和 封裝成本，而且可提高接收機(jī)的整體性能，減小芯片面積，降低成本，提高可靠性，并 易于工業(yè)化。
由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測器的低響應(yīng)度特性及靈敏度和帶寬之間的折衷限制關(guān)系，目 前尚未有實(shí)用的且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的光電集成接收機(jī)的報(bào)道?，F(xiàn)已報(bào)道的CMOS 光接收機(jī)主要可分為兩類 一類雖可滿足實(shí)用要求，但光檢測器與接收放大電路是混合 集成的；另一類雖實(shí)現(xiàn)了單片CM0S集成，但其性能指標(biāo)不能滿足實(shí)用化要求。
本發(fā)明的在先發(fā)明的申請?zhí)枮?00310101069.5，該發(fā)明公開了一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工 藝完全兼容的硅光電探測器及制作方法，此種硅光電探測器可應(yīng)用在本發(fā)明中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決CMOS光電集成接收機(jī)的靈敏度和帶寬限制問題， 提供一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的、帶寬和靈敏度均倍增的差分光電集成接收機(jī)。 為此，本發(fā)明提出如下的技術(shù)方案
一種帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)，包括 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的四端口光檢測器，其作用是將由同一根光纖輸入的 光信號轉(zhuǎn)換為一對差分電流信號，所述的四端口光檢測器，包括第一和第二與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝完全兼容的光電探測器，該兩個光電探測器的陽極和陰極分別對應(yīng)四端口光檢測器 的四個端口；第一光電探測器的陽極和陰極分別與全差分跨阻前置放大器的一個輸入端 和電源端相連；第二光電探測器的陽極和陰極分別與接地端和全差分跨阻前置放大器的
另一個輸入端相連；
一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的全差分跨阻前置放大器，其作用是將四端口光檢測 器輸出的差分電流信號轉(zhuǎn)換為差分電壓信號；
一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的全差分限幅放大器，其作用是將全差分跨阻前置放 大器輸出的差分電壓信號放大到數(shù)字處理電路所需要的電壓水平；
一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的、差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級，其作用是將全差分限 幅放大器輸出的己達(dá)到數(shù)字電壓水平的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提 供驅(qū)動能力；
一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的偏置級，其作用是為全差分跨阻前置放大器、全差 分限幅放大器和差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級提供偏置電壓。
作為優(yōu)選實(shí)施方案，上述的差分光電集成接收機(jī)，四端口光檢測器中的兩個光電探 測器均為插指狀P+Z Nwell /P型襯底光電探測器，兩者的結(jié)構(gòu)、尺寸和面積相同，位置 相鄰且對稱。
所述四端口光檢測器可以是在帶深N阱的N阱CMOS工藝下制作，四端口光檢測器中 的兩個光電探測器為插指狀P+ZNwe11 /P型襯底光電探測器，兩者的結(jié)構(gòu)、尺寸和面積 相同，位置相鄰，其第一光電探測器制作在P型襯底上，第二光電探測器制作在深N阱 中。
所述四端口光檢測器也可以是在帶深N阱的雙阱CMOS工藝下制作，所述的第一光電 探測器為制作在P型襯底上的插指狀P+/ Nwell /P型襯底光電探測器，所述的第二光電 探測器為制作在深N阱中的插指狀,〃^11/深N阱光電探測器，所述的第二光電探測器 中的插指狀N +注入?yún)^(qū)的形狀和大小與所述的第一光電探測器中的插指狀P+注入?yún)^(qū)的形 狀和大小完全相同；第二光電探測器中的P阱區(qū)的形狀和大小與第一光電探測器中的N 阱區(qū)的形狀和大小完全相同。
所述全差分跨阻前置放大器包括5個NM0S晶體管、兩個跨阻以及兩個負(fù)載電阻，所 述的5個NM0S晶體管包括一個偏置管，兩個輸入管和兩個負(fù)載管；所述的偏置管源極接 在接地端，柵極接偏置電壓，其漏極與兩個輸入管的源極連接在一起；兩個輸入管的柵 極分別與第一光電探測器的陽極和第二光電探測器的陰極相連，其漏極分別與兩個負(fù)載 管的源極相連；兩個負(fù)載管的漏極與電源端相連；兩個跨阻分別跨接在兩個輸入管的柵 極和漏極之間；兩個負(fù)載電阻分別跨接在兩個負(fù)載管的柵極和漏極之間。
所述差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級包括第一至第三共三個麗OS晶體管以及第一至第四共 四個PM0S晶體管，第一麗0S晶體管提供偏置電流，它的源極接接地端，柵極接偏置電 壓，漏極與第二和第三醒0S晶體管的源極連接在一起；第二和第三麗OS晶體管的柵極 分別連接全差分限幅放大器的兩個輸出端，漏極分別與第一和第二 PM0S晶體管的漏極相 連；第一和第二 PM0S晶體管的柵極連接到一起并與第一 PM0S晶體管的漏極相連；第一 至第四PM0S晶體管的源極均與電源端相連；第三PM0S晶體管的柵極與漏極短接到一起，并與第一 PM0S晶體的漏極相連；第四PM0S晶體管的柵極與漏極短接到一起，并與第二
PM0S晶體管的漏極相連。
所述差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級包括第一至第四共四個畫0S品體管；第一和第二麗0S 晶體管的柵極短接到一起并與第一醒OS晶體管的漏極相連，其源極均與接地端相連，其 漏極分別與第三和第四NM0S晶體管的源極相連；第三和第四麗0S晶體管的柵極分別與 全差分限幅放大器的兩個輸出端相連，其漏極均與電源端相連。
本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)
1、 該新型標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)的帶寬和靈敏度均可達(dá)到現(xiàn)有的集成單一 光電探測器的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光接收機(jī)的兩倍，可同時實(shí)現(xiàn)高速和高靈敏度。該新型差分 光電集成接收機(jī)的速率至少可達(dá)2 Gbit/s;在誤碼率為10—12的條件下，靈敏度至少可達(dá) -13 dBm。
2、 該新型差分光電集成接收機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝是完全兼容的，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)CMOS光 電集成接收機(jī)的實(shí)用化，并可應(yīng)用于高速光通信和光互連。
3、 與己報(bào)道的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電集成接收機(jī)相比，該新型差分光電集成接收機(jī)沒有任 何附加成本。


圖1是帶寬和靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)的電路原理圖； 圖2是四端口光檢測器的版圖俯視結(jié)構(gòu)圖及其等效電路，其中，
(a) N阱CM0S工藝；
(b) N阱CMOS工藝下的四端口光檢測器的等效電路；
(c) 帶深N阱的N阱CMOS工藝；
(d) 帶深N阱的N阱CMOS工藝下的四端口光檢測器的等效電路；
(e) 帶深N阱的雙阱CMOS工藝；
(f) 帶深N阱的雙阱CMOS工藝下的四端口光檢測器的等效電路； 圖3是差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級的另一種設(shè)計(jì)方案的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一歩詳述。
在高速光纖通信中，由于MOS管的截止頻率及增益帶寬積的限制，使得CMOS光接收 機(jī)通常需要級聯(lián)多級放大器電路來達(dá)到一定的增益和速度性能。對于由單輸入、單輸出 放大器級聯(lián)所組成的光接收機(jī)電路，由于引線的等效電感等效應(yīng)使得這些光接收機(jī)電路 在高頻下很容易發(fā)生振蕩，故通常的CMOS光接收機(jī)均采用差分放大器結(jié)構(gòu)，以抑制振蕩 的發(fā)生?，F(xiàn)行的光接收機(jī)均是采用一個光電探測器作為光檢測器來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能。對于CMOS差分光接收機(jī)中的差分跨阻前置放大器來說，它的兩個輸入端中只有一個輸入
端連接有光電探測器，這造成了差分跨阻前置放大器的兩個輸入端的輸入負(fù)載不平衡， 即兩個輸入端的輸入電容不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致了這兩個輸入端的輸入信號的帶寬不相等或 不平衡，從而導(dǎo)致了差分跨阻前置放大器的兩個輸出端的輸出信號的帶寬也不相等或不
平衡，限制了差分跨阻前置放大器的帶寬。為解決當(dāng)前的CMOS差分光接收機(jī)的輸入負(fù)載 不平衡特性，提高CMOS差分光接收機(jī)的帶寬，同時也提高光接收機(jī)的靈敏度，本發(fā)明設(shè) 計(jì)了一種如圖1所示的帶寬和靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)。該光接收 機(jī)共包括四個部分 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的四端口光檢測器； 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝完全兼容的全差分跨阻前置放大器； 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的全差分限幅放 大器； 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的、差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級； 一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝完全兼容的偏置級。
四端口光檢測器的版圖俯視結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)、圖2(c)和圖2(e)所示，它們分別描述 了三種不同結(jié)構(gòu)的四端口光檢測器。在圖2(a)、圖2(c)和圖2(e)所示的版圖俯視結(jié)構(gòu)圖 中，版圖的上半部分和下半部分分別形成了兩個光電探測器，它們分別對應(yīng)圖1中的光 電探測器D:和D2。其中，1為P型襯底；2為通過P +注入所形成的P +保護(hù)環(huán)；3為N 阱區(qū)；4為插指狀P+注入?yún)^(qū)；5為深N阱區(qū)；6為通過N+注入所形成的N +保護(hù)環(huán)；7
為P阱區(qū)；8為插指狀N +注入?yún)^(qū)；9為P +接觸區(qū)；10為N +接觸區(qū)；ll為金屬鋁所形 成的光電探測器01的負(fù)極，它與電源L相連；13為金屬鋁所形成的光電探測器Di的正 極，它連接到全差分跨阻前置放大器的一個輸入端；12為金屬鋁所形成的光電探測器D2 的正極，它與地GND相連；14為金屬鋁所形成的光電探測器D2的負(fù)極，它與全差分跨阻 前置放大器的另一個輸入端相連。
圖2(a)是標(biāo)準(zhǔn)的N阱CM0S工藝下的四端口光檢測器的版圖俯視結(jié)構(gòu)圖。首先，在P 型襯底1上制作出上下兩個面積和形狀均完全相同的N阱區(qū)3;然后，在N阱區(qū)3內(nèi)制作 出的上下兩個面積和形狀都完全相同的插指狀P+注入?yún)^(qū)4，同時在N阱區(qū)3外制作P+ 保護(hù)環(huán)2;最后，制作出P+接觸區(qū)9和N+接觸區(qū)10，并淀積金屬鋁刻蝕出電極ll、 12、 13和14。制作完成后，上下兩個面積和形狀完全相同的N阱區(qū)3和插指狀P+注入?yún)^(qū)4 分別形成了兩個光電探測器D,和D2。其中，電極ll為光電探測器"的陰極，電極13為 光電探測器D,的陽極；電極12為光電探測器D2的陽極，電極14為光電探測器D2的陰極。 同時，上下兩個面積和形狀完全相同的N阱區(qū)3和P型襯底1也分別形成了兩個二極管 D3和D"圖2(b)為圖2(a)所示的四端口光檢測器的等效電路。當(dāng)光接收機(jī)電路正常工作 時，由于電極11和電極12分別接V。D和GND，且全差分跨阻前置放大器的兩個輸入端的 直流偏置電壓均近似為Vro/2，故光電探測器Dj口 D2以及二極管仏和仏均處于反偏狀態(tài)。 當(dāng)有入射光照時，在P型襯底1深處所產(chǎn)生的慢擴(kuò)散光生載流子被二極管D:,和仏的反偏 PN結(jié)區(qū)域所吸收和屏蔽，從而克服了襯底深處的慢載流子擴(kuò)散效應(yīng)，大大提高了光檢測 器的帶寬。此外，由于光電探測器D,和D2的面積和形狀以及反偏電壓都是相同的，故光
電探測器的D,和D2的反偏工作狀態(tài)是基本相同的，即光電探測器的D,和仏的PN結(jié)電容 以及光電探測器D,和D2所產(chǎn)生的光生電流都是基本相等的。因此，正常工作狀態(tài)下，全 差分跨阻前置放大器的兩個輸入端的輸入負(fù)載是基本相同的(或是平衡的)。根據(jù)全差 分放大器的截止頻率倍增(/; double)原理可知與集成單一光電探測器的差分跨阻甜置 放大器相比，集成上述四端口光檢測器的全差分跨阻前置放大器的帶寬將被提高一倍， 從而使整個差分光接收機(jī)的帶寬被提高一倍。
再者，位于上半部的光電探測器D,所產(chǎn)生的光生電流的方向是流入與之相連的全差 分跨阻前置放大器的輸入端，而位于下半部的光電探測器D2所產(chǎn)生的光生電流的方向則 是流出與連的全差分跨阻前置放大器的輸入端，但光電探測器D,和D2所產(chǎn)生的光生電流 是基本相等的，即相對于全差分跨阻前置放大器而言，光電探測器D^BD2所產(chǎn)生的光生 電流恰好形成了一對大小相等、方向相反的差分輸入電流信號，故全差分跨阻前置放大 器的總輸入電流信號是單個光電探測器所產(chǎn)生的光生電流的兩倍，也即，與集成單一光 電探測器的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)相比，集成上述四端口光檢測器的新型標(biāo)準(zhǔn) CMOS差分光電集成接收機(jī)的靈敏度將被提高一倍。
綜上所述有，采用上述四端口光檢測器作為光信號檢測和轉(zhuǎn)換器件，可使得現(xiàn)行的 集成單一光電探測器的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)的帶寬和靈敏度均被提高一倍。
實(shí)際上，圖2(a)所示的四端口光檢測器所輸出的并不是一對理想的差分電流信號， 并且它對全差分跨阻前置放大器的兩個輸入端所產(chǎn)生的輸入負(fù)載效應(yīng)也是不完全平衡 的。從圖2(b)所示的等效電路可知，只有二極管D3對襯底深處的慢擴(kuò)散載流子起到了屏 蔽作用。由于二極管D4與光電探測器D2在結(jié)構(gòu)上是相互并聯(lián)的，因而二極管D4所吸收的 慢擴(kuò)散載流子仍然對輸入光生電流(即輸入到全差分跨阻前置放大器的輸入光生電流) 有貢獻(xiàn)，即該支路的輸入光生電流的帶寬受到了限制，從而造成了輸入到全差分跨阻前 置放大器的兩個輸入端的輸入光生電流的不對稱。此外，二極管D4的PN結(jié)電容和光電探 測器仏的PN結(jié)電容也是相互并聯(lián)的，即二極管"的PN結(jié)電容是它所連接的全差分跨阻 前置放大器的輸入端的輸入電容的一個組成部分，而二極管仏的PN結(jié)電容則對它所連接 的全差分跨阻前置放大器的輸入端的輸入電容沒有任何貢獻(xiàn)，這也造成全差分跨阻前置 放大器的兩個輸入端的輸入電容的不完全對稱，從而限制了全差分跨阻前置放大器以及 整個光電集成接收機(jī)的帶寬。
在帶深N阱結(jié)構(gòu)的N阱CM0S工藝下，對圖2(a)所示的四端口光檢測器進(jìn)行了改進(jìn)后 得到了圖2(c)所示的四端口光檢測器。與圖2(a)所示的四端口光檢測器的不同之處在于， 在制作N阱區(qū)3之前，先制作出一個深N阱區(qū)5，使位于下半部的N阱區(qū)3制作在深N 阱區(qū)5中。圖2(d)為圖2(c)所示的四端口光檢測器的等效電路，與圖2(b)所示的等效電 路的不同之處在于二極管D4是由深N阱區(qū)5和P型襯底1來實(shí)現(xiàn)的；二極管仏與二極 管D2是相互并聯(lián)的；二極管D4不是簡單地與光電探測器D2相互并聯(lián)，它們的正極都直接 與電極12相連，但它們的負(fù)極(即電極11和電極14)卻是通過一個高阻值的電阻R,來連接的。其中，電阻R,是由深N阱區(qū)5形成的，它的阻值由具有深N阱區(qū)5的電阻率和 形狀來決定；在常規(guī)的CMOS工藝下，深N阱區(qū)5的電阻率均較高，因而電阻R,的阻值也 很高，遠(yuǎn)大于全差分跨阻前置放大器的輸入電阻，故電阻R,對與光電探測器D2相連的全 差分跨阻前置放大器的輸入端的輸入阻抗的影響很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)光接收機(jī)電路IH 常工作時，由于電極11和電極12分別接V。d和GND，且全差分跨阻前置放大器的兩個輸 入端的直流偏置電壓均近似為VDD/2，故光電探測器D和D2以及二極管D.i和D;均處于反偏 狀態(tài)。當(dāng)有入射光照時，由于P型襯底1深處所產(chǎn)生的慢擴(kuò)散光生載流子均被二極管D, 和"的反偏PN結(jié)區(qū)域所吸收，并且由這些慢擴(kuò)散光生載流子所形成的慢擴(kuò)散電流均通過 電極12流入到GND中，故在P型襯底1深處產(chǎn)生的慢擴(kuò)散載流子都被二極管仏和D4所屏 蔽掉，對全差分跨阻前置放大器的輸入光生電流沒有任何貢獻(xiàn)。此外，在交流分析中， Vdd和GND均是交流地，即二極管仏和D4均通過交流地被短路掉，故二極管D:i和D4的PN 結(jié)電容對全差分跨阻前置放大器的輸入電容也沒有任何貢獻(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了全差分跨阻前 置放大器的兩個輸入負(fù)載的完全對稱。再者，高阻值的電阻R'對與光電探測器D2相連的 全差分跨阻前置放大器的輸入端的輸入阻抗的影響很小并可忽略不計(jì)，即全差分跨阻前 置放大器的兩個輸入端的輸入負(fù)載基本可認(rèn)為是完全對稱的，故圖2(c)所示的四端口光 檢測器不僅可以輸出一對理想的差分光生電流信號，而且可以實(shí)現(xiàn)全差分跨阻前置放大 器的兩個輸入端的輸入負(fù)載的完全對稱，從而克服了圖2(a)所示的四端口光檢測器的缺 點(diǎn)。
在帶深N阱結(jié)構(gòu)的雙阱CMOS工藝下，對圖2(c)所示的四端口光檢測器進(jìn)行適當(dāng)修改 后得到了圖2(e)所示的四端口光檢測器，它也是針對圖2(a)所示的四端口光檢測器所提 出的一種改進(jìn)型四端口光檢測器。其制作流程如下:先在P型襯底1上制作出深N阱區(qū)5， 再在P型襯底1上、深N阱區(qū)5外制作出N阱區(qū)3。然后，在深N阱區(qū)5內(nèi)制作出面積和 形狀與N阱區(qū)3均完全相同的P阱區(qū)7。接著，制作出N阱區(qū)3內(nèi)的插指狀P +注入?yún)^(qū)4 以及N阱區(qū)3外圍的P+保護(hù)環(huán)2。之后，制作出P阱區(qū)7內(nèi)的插指狀N+注入?yún)^(qū)8以及 P阱區(qū)7外圍的N+保護(hù)環(huán)6。其中，插指狀P+注入?yún)^(qū)4和插指狀N+注入?yún)^(qū)8的面積和 形狀完全相同。最后，制作出P+接觸區(qū)9和N+接觸區(qū)10，并淀積金屬鋁刻蝕出電極 11、 12、 13和14。圖2(f)為圖2(e)所示的四端口光檢測器的等效電路，與圖2(b)所示 的等效電路的不同之處在于圖2(f)中所示的光電探測器仄是由P阱區(qū)7和插指狀N+ 注入?yún)^(qū)8來實(shí)現(xiàn)的；二極管仏是由P阱區(qū)7和深N阱區(qū)5來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)光接收機(jī)電路正 常工作時，由于電極11和電極12分別接V。d和GND，且全差分跨阻前置放大器的兩個輸 入端的直流偏置電壓均近似為VDD/2，故光電探測器D,和D2以及二極管D:,和仏均處于反偏 狀態(tài)。當(dāng)有入射光照時，在P型襯底1深處以及深N阱區(qū)5所產(chǎn)生的慢擴(kuò)散光生載流子 均被二極管D:,和D,的反偏PN結(jié)區(qū)域所吸收并完全屏蔽掉，由這些慢擴(kuò)散光生載流子所形 成的慢擴(kuò)散電流均直接通過電極12流入到GND中，它們對全差分跨阻前置放大器的輸入 光生電流沒有任何貢獻(xiàn)。在交流分析中，V。d和GND均是交流地，即二極管D3和仏均通過 交流地被短路掉，故二極管D:;和D4的PN結(jié)電容對全差分跨阻前置放大器的輸入電容也沒 有任何貢獻(xiàn)。而N阱區(qū)3和P阱區(qū)7的面積和形狀是完全相同的，插指狀P+注入?yún)^(qū)4 和插指狀N+注入?yún)^(qū)8的面積和形狀也是完全相同的，且光電探測器D,和仄的反偏電壓 也是相等的，故光電探測器D,和D2所處的反偏狀態(tài)是完全相同的，即光電探測器D,和D2 的PN結(jié)電容和所產(chǎn)生的光生電流的大小都是幾乎完全相等的。因而，圖2(e)所示的四端 口光檢測器也實(shí)現(xiàn)了理想的差分光生電流信號對的產(chǎn)生和全差分跨阻前置放大器的兩個 輸入端的輸入負(fù)載的完全對稱。
由于上述四端口光檢測器中的光電探測器D,和D2在版圖上是緊挨著的，并且這兩個 光電探測器都在四端口光檢測器的正方形受光區(qū)域內(nèi)。故光電探測器D,和D2可直接從同 一根光纖同時接收入射光信號。因而該新型標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)仍只需用一根 光纖來傳輸光信號，不會產(chǎn)生任何的附加成本。
全差分跨阻前置放大器由醒0S晶體管M。至M4、跨阻Rn和Rr2、電阻R。和R,組成。廣 義上講，全差分跨阻前置放大器也可包含四端口光檢測器。其中，麗0S晶體管M。為偏置 管，提供偏置電流；麗OS晶體管M!和M2為輸入差分對管；麗OS晶體管M3和M4為負(fù)載管； 跨阻Rn和Rf2分別跨接在輸入管Mi的柵極和漏極與^^入管M2的柵極和漏極之間；電阻R。 和R,分別跨接在負(fù)載管M3的柵極和漏極與負(fù)載管M,的柵極和漏極之間。電阻R。和負(fù)載管 M3與電阻R。和負(fù)載管M4分別形成了兩個有源電感，用于進(jìn)行頻率補(bǔ)償以拓展帶寬。全差 分跨阻前置放大器的左右兩個支路的結(jié)構(gòu)是完全對稱的，即輸入差分對管M和M2的尺寸 和版圖形狀、負(fù)載管M3和M4的尺寸和版圖形狀、跨阻的L和Rf2尺寸和版圖形狀以及電 阻R。和R,的尺寸和版圖形狀都是完全相同的，且它們在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的。
全差分限幅放大器共由三級全差分放大器組成。其中，第一級全差分放大器由麗OS 晶體管M5至M9以及電阻fe和fc組成；第二級全差分放大器由麗OS晶體管Mw至M14以及電 阻&和fe組成；第三級全差分放大器由NMOS晶體管M,5至Mw組成。NMOS晶體管M5、 M10 和M^均為偏置管，它們分別為第一級、第二級和第三級全差分放大器提供偏置電流；醒0S 晶體管Me和M7、 Mu和M,2以及M^和M,7分別為第一級、第二級和第三級全差分放大器的輸 入差分對管，它們的尺寸和形狀都是完全相同的，在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的；NM0S 晶體管Ms和M9、 Mu和MM和M,8和Mw分別為第一級、第二級和第三級全差分放大器的負(fù)載 管，它們的尺寸和形狀都是完全相同的，在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的；電阻R2和R3分別跨接在負(fù)載管Me的柵和漏與負(fù)載管M7的柵和漏之間，它們的尺寸和形狀是完全相同的，在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的；電阻仏和R5分別跨接在負(fù)載管M,3的柵和漏與負(fù)載管M14的柵和漏之間，它們的尺寸和形狀是完全相同的，在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的；負(fù)載管Mw的柵和漏與負(fù)載管Mw的柵和漏均短接到一起。電阻R2和負(fù)載管Me、電阻fc和輸入 管M7、電阻仏和負(fù)載管M^和電阻R5和負(fù)載管MM分別形成了四個有源電感，用于進(jìn)行頻 率補(bǔ)償以拓展帶寬。
差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級由麗0S偏置管M加、麗0S輸入差分對管Ma和M22、 PM0S負(fù)
載管M2:,和MM以及PM0S晶體管Mk和l所組成。其中，,S輸入差分對管Ma和Mm的尺 寸和形狀、NM0S輸入差分對管Ma和M22的尺寸和形狀以及PM0S晶體管M^和M^的尺寸和 形狀分別都是完全相同的，它們在版圖結(jié)構(gòu)上也分別是完全對稱的。麗0S偏置管M2。的作 用是提供偏置電流；PMOS負(fù)載管Ife的柵極和M2,'柵極短接到一起，并與畫OS輸入管M21 的漏極相連，形成了一個差分轉(zhuǎn)單端的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單端輸出；PMOS晶體管M25和M26的
源極以及PMOP負(fù)載管M23和M2.,的源極均V。d相連，PMOS晶體管M25的柵極與漏極短接到一
起并與PMOS負(fù)載管M2,;的漏極相連，PMOS晶體管M26的柵極與漏極短接到一起并與PMOS
負(fù)載管M24的漏極相連，即PM0S晶體管M25和M26是兩個以二極管形式連接的負(fù)載管，從而
大大降低了差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級的輸出電阻，大大提高了電路的帶寬。
差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級的另一種實(shí)現(xiàn)方案的電路原理圖如圖3所示，它由NMOS輸 入差分對管M22至M23、 NMOS負(fù)載管M2。至M^組成，且NM0S輸入差分對管M^至Mm的尺寸 和形狀以及隨0S負(fù)載管l至M21的尺寸和形狀分別都是完全相同的，它們在版圖結(jié)構(gòu)上 也分別是完全對稱的。NM0S負(fù)載管M加和M2,的柵極短接到一起，并與NM0S負(fù)載管M加的 漏極相連，形成了一個差分到單端的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單端輸出。該差分轉(zhuǎn)單端的輸出
緩沖級的左半支路(由麗0S晶體管M22和M2。組成)以及右半支路(由麗0S晶體管M23和
Ma組成)分別為兩個源極跟隨器，它不僅提供了很好的驅(qū)動能力，而且還在很大程度上 降低了差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級的輸出電阻，大大地提高了電路的帶寬。
偏置級由NM0S晶體管Mb。和Mbl以及PMOS晶體管Mb2組成。麗0S晶體管Mb。的柵極和漏 極、函0S晶體管MM的柵極和漏極以及PMOS晶體管Mb2的柵極和漏極分別短接到一起，即 麗0S晶體管Mb。和Mbl以及PM0S晶體管Mb2都是以二極管形式連接的。畫0S晶體管Mbl的漏 極PM0S晶體管Mb2的漏極相連。整個光接收機(jī)電路的偏置電壓由麗0S晶體管Mb。的漏極提 供，即麗0S晶體管Mb。的漏極分別與全差分跨阻前置放大器的偏置管M。的柵極、全差分 限幅放大器的偏置管M5、 Mu)和M'5的柵極以及差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級的偏置管M2。的柵 極相連。
在Chartered 0. 35 y m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，圖1所示的差分光電集成接收機(jī)的帶寬至 少可達(dá)1.37 GHz;跨阻增益可達(dá)81.9 dBQ;數(shù)據(jù)傳輸率至少可達(dá)2 Gb/s;在誤碼率為 10_12條件下，靈敏度至少可達(dá)-13 dBm。
權(quán)利要求
1、一種帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)，包括一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的四端口光檢測器，其作用是將由同一根光纖輸入的光信號轉(zhuǎn)換為一對差分電流信號，所述的四端口光檢測器，包括第一和第二與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的光電探測器，該兩個光電探測器的陽極和陰極分別對應(yīng)四端口光檢測器的四個端口；第一光電探測器的陽極和陰極分別與全差分跨阻前置放大器的一個輸入端和電源端相連；第二光電探測器的陽極和陰極分別與接地端和全差分跨阻前置放大器的另一個輸入端相連；一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的全差分跨阻前置放大器，其作用是將四端口光檢測器輸出的差分電流信號轉(zhuǎn)換為差分電壓信號；一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的全差分限幅放大器，其作用是將全差分跨阻前置放大器輸出的差分電壓信號放大到數(shù)字處理電路所需要的電壓水平；一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的、差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級，其作用是將全差分限幅放大器輸出的已達(dá)到數(shù)字電壓水平的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提供驅(qū)動能力；一個與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的偏置級，其作用是為全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器和差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級提供偏置電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)， 其特征在于，所述的四端口光檢測器中的兩個光電探測器均為插指狀？+/,^1 /P型襯 底光電探測器，兩者的結(jié)構(gòu)、尺寸和面積相同，位置相鄰且對稱。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)， 其特征在于，所述四端口光檢測器在帶深N阱的N阱CMOS工藝下制作，四端口光檢測器 中的兩個光電探測器為插指狀？+/~^11 /P型襯底光電探測器，兩者的結(jié)構(gòu)、尺寸和面 積相同，位置相鄰，其第一光電探測器制作在P型襯底上，第二光電探測器制作在深N 阱中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)， 其特征在于，所述四端口光檢測器在帶深N阱的雙阱CMOS工藝下制作，所述的第一光電 探測器為制作在P型襯底上的插指狀P+/ Nwell /P型襯底光電探測器，所述的第二光電 探測器為制作在深N阱中的插指狀N+/PWell/深N阱光電探測器，所述的第二光電探測器 中的插指狀N +注入?yún)^(qū)的形狀和大小與所述的第一光電探測器中的插指狀P +注入?yún)^(qū)的形 狀和大小完全相同；第二光電探測器中的P阱區(qū)的形狀和大小與第一光電探測器中的N 阱區(qū)的形狀和大小完全相同，該兩個光電探測器位置相鄰。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電 集成接收機(jī)，其特征在于，所述全差分跨阻前置放大器包括5個醒0S晶體管、兩個跨阻 以及兩個負(fù)載電阻，所述的5個NM0S晶體管包括一個偏置管，兩個輸入管和兩個負(fù)載管；所述的偏置管源極接在接地端，柵極接偏置電壓，其漏極與兩個輸入管的源極連接在一 起；兩個輸入管的柵極分別與第一光電探測器的陽極和第二光電探測器的陰極相連，其 漏極分別與兩個負(fù)載管的源極相連；兩個負(fù)載管的漏極與電源端相連；兩個跨阻分別跨 接在兩個輸入管的柵極和漏極之間；兩個負(fù)載電阻分別跨接在兩個負(fù)載管的柵極和漏極 之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電 集成接收機(jī)，其特征在于，所述差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級包括第一至第三共三個醒OS晶 體管以及第一至第四共四個PMOS晶體管，第一麗0S晶體管提供偏置電流，它的源極接 接地端，柵極接偏置電壓，漏極與第二和第三國OS晶體管的源極連接在一起；第二和第 三畫0S晶體管的柵極分別連接全差分限幅放大器的兩個輸出端，漏極分別與第一和第二 PM0S晶體管的漏極相連；第一和第二 PM0S晶體管的柵極連接到一起并與第一 PM0S晶體 管的漏極相連；第一至第四PM0S晶體管的源極均與電源端相連；第三PMOS晶體管的柵 極與漏極短接到一起，并與第一 PM0S晶體的漏極相連；第四PM0S晶體管的柵極與漏極 短接到一起，并與第二PMOS晶體管的漏極相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電 集成接收機(jī)，其特征在于，所述差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級包括第一至第四共四個醒OS晶 體管；第一和第二麗0S晶體管的柵極短接到一起并與第一 麗0S晶體管的漏極相連，其 源極均與接地端相連，其漏極分別與第三和第四畫0S晶體管的源極相連；第三和第四 NMOS晶體管的柵極分別與全差分限幅放大器的兩個輸出端相連，其漏極均與電源端相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶寬與靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)，包括與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的四端口光檢測器、全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器、輸出緩沖級、偏置級，其中的四端口光探測器，包括第一和第二與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的光電探測器，該兩個光電探測器的陽極和陰極分別對應(yīng)四端口光檢測器的四個端口；第一光電探測器的陽極和陰極分別與全差分跨阻前置放大器的一個輸入端和電源端相連；第二光電探測器的陽極和陰極分別與接地端和全差分跨阻前置放大器的另一個輸入端相連。本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(jī)的帶寬和靈敏度均可達(dá)到現(xiàn)有的集成單一光電探測器的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光接收機(jī)的兩倍，可同時實(shí)現(xiàn)高速和高靈敏度。
文檔編號H04B10/158GK101197625SQ20071006033
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者余長亮, 毛陸虹 申請人:天津大學(xué)