一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法技术

本发明专利技术公开了一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合，用于保证光电二极管的反偏电压。本发明专利技术解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。

A Stacked Multichannel Transimpedance Amplifier Structure and Its Collaborative Integrated Power Supply Method

【技术实现步骤摘要】
一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法
本专利技术属于光通信芯片设计
，具体涉及一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法。
技术介绍
当下，在通讯距离为几米到几千公里的高速通信中，光通信系统是其重要实现手段。光通信传输系统具有带宽高、功耗低、损耗低和几何尺寸小等优点，它是数据中心中高速传输的合理选择。但由于要大批量应用光模块，数量从百万到亿级计，所以高速光接收机的功耗和电源效率变得十分重要。与此同时，随着深亚微米CMOS技术的发展，CMOS器件速度已赶上甚至超过SiGe、InP、GaAs等传统高速器件，故现在的高速光收发机芯片设计更倾向采用深亚微米CMOS，可以实现更好的规模经济，降低成本。此外，CMOS技术可以使光接收模拟前端与CDR(ClockDataRecovery，时钟数据恢复)等后端数字电路的集成变得更加容易，降低了系统成本和复杂性。在光模块的应用中，其电源电压通常为3.3V，目的是与传统标准兼容，并且尽可能给光器件提供较大的偏压。然而该电压与随着摩尔定律发展的先进CMOS工艺电源电压越来越小相斥，因深亚微米的CMOS器件耐压已经在1V及以下。所以，为了弥补该差距会加入LDO(LowDropoutRegulator，低压线性稳压器)进行电压转化，然而这种比较大的压差会产生较大功耗和较低的电源效率。另一方面，采用开关模式的DC-DC电源需要分立的无源器件，如电感、电容等，虽然电源效率得到提高，但将增加系统成本、面积、组件开销和复杂性。在本专利技术中，我们使用多个光接收通道堆叠的方式来实现电流的重复利用和更高的电源效率，以实现低功耗电源全集成光接收机芯片。同时，在进行光接收机的光电二极管耦合时，会遇到多通道光电二极管偏压的问题。目前商用高速光电二极管的反偏电压要不低于2V，由于多通道堆叠，上层通道的参考地电压较高，下层通道的参考地电压较低，所以本专利技术提出了根据通道电压域高低，对不同通道进行光电二极管阴极或阳极耦合的方法，保证光电二极管的反偏电压。本次提出的新型堆叠式多通道的光接收机结构、协同全集成高效的电源方案以及光电二极管连接偏置方法，解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，从而实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种堆叠式多通道跨阻放大器结构及其协同集成供电方法，实现了优异的电源效率、更少的器件数目、更高的集成度，降低了系统成本、复杂度。本专利技术采用以下技术方案：一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合，用于保证光电二极管的反偏电压。具体的，光电二极管的偏置方式为：上方通道为阴极接跨阻放大器，阳极接地，下方通道为阳极接跨阻放大器，阴极接系统电源，每个接收机信号通道对应的光电二极管具有大于2V的反偏电压，每个通道对应设置直流电流检测消除环路。具体的，每个接收机信号通道放置在各自的深井中以独立偏置不同接收机信号通道的地电压。本专利技术的另一个技术方案是，一种堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，包括以下步骤：S1、设计LDO协同工作方案；S2、将堆叠式多通道跨阻放大器结构与设计的LDO协同工作，堆叠后使总堆叠电压与模块电压的电压差小于300mV；S3、根据通道电压域确定光电二极管的偏置方案；S4、在每个本地VDD和GND之间设置去耦电容提供高频电流循环路径，完成协同集成供电。具体的，步骤S1中，LDO包括主LDO系统和辅助LDO系统，主LDO与辅助LDO协同工作，N个接收机信号通道共用主LDO系统。进一步的，辅助LDO系统为B类推挽式输出，通过推拉电流方式保证每个通道的VDD和GND电压的稳定。具体的，步骤S2中，主LDO系统稳定输出电流供堆叠通道使用；辅助LDO系统提供由于失配或增益模式引起的电流差异，确保每个通道跨阻放大器电源电压不变，在通道电流匹配时，辅助LDO系统输出级关闭。具体的，步骤S3中，光电二极管的反向偏置电压大于2V，当上层通道的输入电压使光电二极管反偏时，采用阴极输入的方式，阳极接地；反之采用阴极接电源电压，阳极输入。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，多通道跨阻放大器输入端通过与光电二极管连接方法，不但保证了每个光电二极管的足够偏置电压，同时避免了使用高于光模块电压的额外电源电压，降低了系统复杂度和成本，减少了分立无源器件的使用，可实现全集成芯片，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。进一步的，光电二极管偏置更好的利用了不同通道的电压域。进一步的，多个通道进行电压域堆叠，由于每个通道的电压域不同，故每个通道放置在各自的深井中以独立偏置不同通道的电压，保证晶体管不击穿。本专利技术一种堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，基于CMOS工艺的堆叠式多通道跨阻放大器及协同集成供电方案极好的保证了电流的重复利用和更高的LDO效率，保证设计出更低功耗的光接收机，因为在现有的应用光模块的数据中心，功耗和电源效率是十分重要的指标。进一步的，多通道叠加不免有失配，为了防止失配造成每个通道的电压不稳，所以加入辅助LDO，通过推拉电流的方式稳定其中通道GND和VDD。进一步的，光模块的应用中，其电源电压通常为3.3V，并且尽可能给光器件提供较大的偏压。深亚微米的CMOS器件耐压已经在1V及以下，所以，为了弥补该差距会加入LDO(LowDropoutRegulator，低压线性稳压器)进行电压转化，然而这种比较大的压差会产生较大功耗和较低的电源效率，堆叠使电压域不被浪费有效提高电源效率。进一步的，因为光电二极管通常需要大于2V的反偏电压才能工作，但每一个通道自身的电压域并不能满足，要使得多个通道同时工作，则必须要对每个光电二极管单独偏置。进一步的，VDDGND间的电容越大，局部的VDD与GND约接近理想交流地，可以更好地提供高频回流。进一步的，每个本地VDD和GND之间必须加入去耦电容是提供高频电流循环路径。综上所述，本专利技术解决了先进CMOS工艺技术与传统光模块环境之间的电源差异，实现了更好的电源效率和更高的系统集成度，同时减少了片外无源器件，降低了系统复杂度，节省了系统成本开销。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为传统多通道跨阻放大器前端及其供电方法示意图；图2为本专利技术提出的堆叠式多通道跨阻放大器及协同集成供电方案示意图；图3为本专利技术提出的基于28nmCMOS工艺堆叠式多通道跨阻放大器前端及协同集成供电方案示意图；图4为本专利技术提出的基于180nmCMOS工艺堆叠式多通道跨阻放大器前端及协同集成供电方案示意图；图5为本专利技术提出的LDO协同工作的电路结构示意图；图6为本专利技术实施的光电二极管新的偏置形式。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合。

【技术特征摘要】
1.一种堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，包括N个接收机信号通道，N个接收机信号通道堆叠设置，在不同接收机信号通道间分别设置光电二极管，每一个光电二极管单独偏置，根据通道电压域高低，对不同接收机信号通道进行光电二极管阴极或阳极耦合。2.根据权利要求1所述的堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，光电二极管的偏置方式为：上方通道为阴极接跨阻放大器，阳极接地，下方通道为阳极接跨阻放大器，阴极接系统电源，每个接收机信号通道对应的光电二极管具有大于2V的反偏电压，每个通道对应设置直流电流检测消除环路。3.根据权利要求1所述的堆叠式多通道跨阻放大器结构，其特征在于，每个接收机信号通道放置在各自的深井中以独立偏置不同接收机信号通道的地电压。4.一种基于权利要求1所述堆叠式多通道跨阻放大器结构的协同集成供电方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计LDO协同工作方案；S2、将堆叠式多通道跨阻放大器结构与设计的LDO协同工作，堆叠后使总堆叠电压与模块电压的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丹，史勇俊，张溢华，郭卓琦，耿莉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61