2.5Gbps 高性能CMOS激光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

林永輝 林智 廈門優(yōu)迅高速芯片有限公司

摘要：設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)功率控制功能，溫度補(bǔ)償功能的激光驅(qū)動(dòng)器電路。驅(qū)動(dòng)器采用級(jí)聯(lián)差分放大器和源極跟隨器分別進(jìn)行信號(hào)放大和級(jí)間阻抗匹配。仿真結(jié)果顯示：在3.3V電源電壓下，工作速率可達(dá)2.5Gbps，調(diào)制電流幅度可達(dá)65mA，偏置電流幅度可達(dá)75mA。電路采用0.35µｍ標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，測試結(jié)果表明，在2.5Gbps速率下，輸出眼圖清晰，對(duì)稱性良好，各功能正常，電路功耗132mV。

關(guān)鍵詞：光纖通訊；激光驅(qū)動(dòng)器；自動(dòng)功率控制；CMOS；溫度補(bǔ)償；

1、引言
隨著通信容量的不斷遞增，光纖通信作為一種以光波為載體，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的先進(jìn)的通信手段已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)通常是采用BiCMOS或者Bipolar等工藝實(shí)現(xiàn)。CMOS工藝雖然具有集成度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)（成本大約比同等的BiCMOS工藝的成本低30%～50%），但是由于器件截止頻率較低，故在高速電路中通常不被采用。隨著CMOS工藝進(jìn)入到深亞微米后，CMOS有源器件已經(jīng)能夠提供足夠高的特征頻率（fT）值。據(jù)研究，0.35µｍCMOS工藝的截止頻率已經(jīng)達(dá)到14GHz。目前，我國骨干網(wǎng)光纖傳輸?shù)乃俾室堰_(dá)到2.5Gbps，但以之配套的光發(fā)射/接收模塊高速芯片均為國外產(chǎn)品，國內(nèi)在這方面的產(chǎn)品幾近空白。綜合現(xiàn)階段CMOS工藝的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)0.35µｍCMOS工藝的，工作速率達(dá)到2.5Gbps的激光驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)。

激光驅(qū)動(dòng)器位于光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)射部分，功能是進(jìn)一步處理來自復(fù)接器的數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)根據(jù)傳輸距離等系統(tǒng)的要求，提供可調(diào)節(jié)的輸出電流，推動(dòng)激光器輸出達(dá)到所需要的光功率。激光驅(qū)動(dòng)器提供的信號(hào)不但需要速度高，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)要求，還需要大的輸出擺幅，以推動(dòng)激光器獲得足夠的消光比。為了承載大的輸出電流，驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的晶體管尺寸非常大，其寄生電容對(duì)晶體管本身產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)載效應(yīng)，限制了電路工作速度的進(jìn)一步提高。綜上可知，作為光纖傳輸系統(tǒng)中的電光轉(zhuǎn)換部分，激光驅(qū)動(dòng)器的性能直接決定了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。

2、激光二極管驅(qū)動(dòng)器的電路設(shè)計(jì)
2.1難點(diǎn)分析
對(duì)于2.5Gbps驅(qū)動(dòng)器電路，目前市場上大都采用截止頻率較高的BiCMOS工藝或者Bipolar工藝。而本文采用相對(duì)工藝簡單、價(jià)格便宜、功耗低的標(biāo)準(zhǔn)0.35µｍCMOS工藝，對(duì)于2.5Gbps的工作速率而言，已為該工藝特征頻率的1/5，故具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性。同時(shí)，為了配合激光器使用，電路還設(shè)計(jì)了自動(dòng)功率控制功能、溫度補(bǔ)償功能和安全緩啟動(dòng)等功能。為了工作在-40～85℃的溫度范圍，電路內(nèi)部采用了帶隙電壓源、負(fù)反饋電阻并提供外界控制以保持輸出光功率的穩(wěn)定。 另外，電路還外加了使能控制、波形整形等功能。經(jīng)測試，在輸入200mV～2000mV的大范圍電壓擺幅內(nèi)，均能保證眼圖不變化，各項(xiàng)主要指標(biāo)優(yōu)異。

2.2電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所設(shè)計(jì)的激光驅(qū)動(dòng)器電路主要包括高速調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)功率控制電路和溫度補(bǔ)償電路等。高速調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路包括前級(jí)放大級(jí)和激光器驅(qū)動(dòng)級(jí)兩部分，主要是由輸入緩沖、數(shù)據(jù)通道和高速差分對(duì)組成，其功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，以產(chǎn)生足夠的增益，為外部激光管提供所需的激勵(lì)信號(hào)。自動(dòng)功率控制電路的主要作用是與監(jiān)控光電二極管形成反饋控制電路，通過對(duì)偏置電流和調(diào)制電流的動(dòng)態(tài)控制調(diào)解，維持消光比恒定。溫度補(bǔ)償電路是保持全溫度范圍內(nèi)偏置電流和調(diào)制電流比例的穩(wěn)定，消除由于溫度變化對(duì)眼圖造成的影響。外加3.3V電源電壓下，芯片在-40～85℃范圍內(nèi)，在2.5Gbps速率下可以提供在0～65mA的調(diào)制電流，0～75mA的偏置電流，保持輸出光功率的穩(wěn)定，電路工作正常。

激光驅(qū)動(dòng)器電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

2.3電路介紹

前驅(qū)輸入接口（圖2）通過內(nèi)置分壓電阻獲得偏置0.6VDD，雙端輸入的匹配用2個(gè)50ohm電阻串聯(lián)形成對(duì)差分輸入信號(hào)的匹配。
典型差分放大單元雖然能夠最大限度地抑制共模干擾以及其他對(duì)電路高速工作不利的因素，并提供相當(dāng)?shù)脑鲆�，并具備一定的帶寬，但還不能滿足放大最低200mV輸入電壓和提供接近2.5G帶寬的電路要求。故采用差分cascade結(jié)構(gòu)（圖3），在保持差分電路優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高了增益和拓展了帶寬。采用NMOS管做的電流源受Bias端控制，具有負(fù)反饋功能，使得差分放大管電流不依賴于輸入共模電平，降低了電路性能對(duì)直流工作點(diǎn)的敏感程度，有效地提高了電路設(shè)計(jì)和制造的可靠性，有利于提高成品率，同時(shí)通過改變N管的寬長比可以改變輸出電壓擺幅，同時(shí)會(huì)提高增益，但是會(huì)減小帶寬，增加功耗，需要合理調(diào)配。由于單級(jí)放大無法得到足夠的增益，故需采用多級(jí)放大，級(jí)間采用典型源級(jí)跟隨器起隔離作用，使下一級(jí)電路中的晶體管獲得最佳的電流密度。

前驅(qū)已提供足夠的增益和帶寬，故輸出電路（圖4）采用漏級(jí)開路的開關(guān)管和電流源電路組成，對(duì)前驅(qū)電路輸出信號(hào)小幅度放大，重點(diǎn)保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定和控制溫度補(bǔ)償電流。電流源柵端受APC電路控制，可用來調(diào)節(jié)調(diào)制電流。

2.4自動(dòng)功率控制電路設(shè)計(jì)
自動(dòng)功率控制電路框圖如圖5所示：

圖5、自動(dòng)功率控制電路框圖

該模塊電路的功能是克服激光器老化以及溫度變化等因素引起的光功率變化，穩(wěn)定激光器的輸出光功率。工作原理為PD通過監(jiān)控LD的光功率變化產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流通過跨阻放大器轉(zhuǎn)換成電壓控制信號(hào)，控制偏置電流反饋到激光器以維持平均光功率的穩(wěn)定。同時(shí)，低通濾波器濾除了電路的高頻信號(hào)，穩(wěn)定了跨阻放大器輸出的控制電壓�？缱璺糯笃髟O(shè)置了另一輸出端用來監(jiān)控光功率電流，偏置電流處理器設(shè)置另一輸出端用來監(jiān)控BIAS電流。這樣可以從外部直接監(jiān)控APC電路的工作狀態(tài)。

2.5溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
該模塊電路的功能是補(bǔ)償整個(gè)溫度范圍內(nèi)調(diào)制電流受溫度變化的影響。工作原理為由監(jiān)控電路產(chǎn)生一個(gè)隨溫度變化的正向電壓信號(hào)，然后比例轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)補(bǔ)償進(jìn)調(diào)制電流，同時(shí)由外部可監(jiān)控溫度補(bǔ)償電流的變化情況。

3、電路仿真和測試結(jié)果
電路采用0.35µｍ標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，采用QFN24封裝。由于該電路為全差分結(jié)構(gòu)，因此版圖設(shè)計(jì)成完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)以保持電路平衡、抑制工藝參數(shù)波動(dòng)帶來的不利影響。電路左邊為差分信號(hào)的輸入，右邊為差分信號(hào)的輸出。版圖面積為0.90mm×1.35mm。具體版圖如圖6所示：

圖6、激光驅(qū)動(dòng)器版圖

3.1版圖后仿真結(jié)果
采用Cadence的spectre軟件提取RC寄生參數(shù)進(jìn)行版圖后仿真結(jié)果表明電路可以工作2.5Gbit/s速率上。3.3V電源電壓后仿真電眼圖（50ohm負(fù)載，輸入信號(hào)VP-P: 200mV）如圖7所示：

圖7、版圖后仿真電眼圖

主要參數(shù)仿真結(jié)果如表1所示：

表1

3.2測試結(jié)果
測試儀器：5Gbps脈碼發(fā)生器MP1601，通信信號(hào)分析儀：CSA8000。
測試電路采用標(biāo)準(zhǔn)3.3V電源電壓，眼圖如圖8，9，10所示：

主要參數(shù)測試結(jié)果如表2所示：

表2

經(jīng)測試，溫度補(bǔ)償電流范圍最大可達(dá)50mA；芯片功耗：132mW。自動(dòng)功率控制電路從-40～85℃內(nèi)工作正常，可保持光功率恒定。

4、結(jié)論
采用0.35µｍ標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長距離光纖通信用激光驅(qū)動(dòng)器。在2.5Gbps速率下眼圖清晰，對(duì)稱性良好，各功能電路在-40～85℃工作正常，輸入電流調(diào)節(jié)范圍0～65mA，功耗低于150mV，滿足光纖通信系統(tǒng)的要求，有利于彌補(bǔ)國內(nèi)在高速通信領(lǐng)域光通信芯片的空白。

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