单片集成10-Gb/s光接收器：PIN光电二极管设计与自动增益控制创新

逍遥设计自动化

引言
光接收器在现代电信系统中发挥着关键作用，作为光纤中传输的光信号与处理这些信号的电子线路之间的接口。传统光接收器设计通常依赖于通过引线键合连接的独立光电探测器和跨阻放大器(TIA)元件。这种方法引入了可能降低性能的寄生电容。此外，许多高灵敏度设计依赖于需要高供电电压的雪崩光电探测器(APD)，增加了系统复杂性。

本文探讨一种突破性的集成光接收器设计，该设计通过在磷化铟(InP)中单片集成PIN光电二极管和电子线路来解决这些挑战，研究创新的前端TIA拓扑结构、新型自动增益控制(AGC)机制以及这种集成方法的性能优势[1]。

ourjzfmt5ob640162605.png

1
单片集成的优势
) A2 A. N4 C/ [$ @1 F( E传统光接收器设计面临几项挑战。雪崩光电探测器(APD)需要高供电电压，通常远高于标准线路电压。虽然APD提供增强性能的增益，但其过量噪声因子会降低性能。对于给定带宽，PIN光电二极管比APD提供更高的量子效率，而对于相同的量子效率，APD的带宽会降低。
+ [$ M! V6 ^( ~1 O: n% E8 S
3 D, V$ }7 h3 e+ f" B; r大多数光电二极管位于接收器线路外部，需要引线键合，这会引入焊盘电容。这些连接需要精心引线键合以达到特定的电感值，以优化噪声。APD的倍增增益机制需要更长的过渡时间，进一步限制了速度。

光电探测器和接收电子线路的单片集成通过以下方式解决这些问题：
消除引线键合及相关寄生效应
使用标准供电电压(3.3V)
! z4 N3 x/ r6 [+ c/ V简化制造并提高可靠性
% h( x. @( z0 Q5 k& U' b0 M! @减小整体系统尺寸和成本
1 @: w& b& p5 d+ A- F9 L
2
( F7 K% |# ?' I# I( K' c: ^增强型前端TIA拓扑结构
+ S7 o! ]( E' I1 H% a3 H# Y" Y; A前端跨阻放大器(TIA)是一个关键组件，将光电二极管的电流信号转换为电压以供进一步处理。这里介绍的设计基于经典的电阻反馈低噪声TIA拓扑结构，并进行了重要修改以提高性能。
! C$ q' y- D8 E( h* Z

250mgekkv2f640162705.png

7 y6 o& i8 b/ s+ `图1：(a)原始TIA拓扑结构，显示带电阻反馈的共射放大器和共发射极跟随器级。(b)提出的TIA拓扑结构，在Q2发射极处修改输出位置以提高PSRR。
/ \6 W0 L% R$ U+ c3 e
( v; Q" S2 t+ g8 x- t1 q2 I% P在原始拓扑结构中，Q3集电极的电压输出几乎携带了来自电压源向输出的所有噪声。尽管Q1提供了高电源抑制比(PSRR)，但整体TIA电压输出在低频下的PSRR几乎为0 dB。

rk04q4e2i3k640162805.png

0 \: L& k" `' O1 y# I* h. U图2：(a)原始和提出的TIA拓扑结构之间的PSRR比较，显示提出的设计有显著改进。(b)原始和提出的拓扑结构之间的开环增益和相位比较，展示了改进的稳定性。

如图2(a)所示，修改后的拓扑结构在较低频率下将PSRR提高到24 dB。在较高频率下，电源噪声由片外电容Coff和片上电容Con共同过滤。此外，修改的输出位置改善了稳定性，如图2(b)所示，在开环单位增益处，相位裕度从34°增加到66°。

3
新型自动增益控制实现
9 p* @; x) Z0 s' `- \3 }, d6 o7 O自动增益控制(AGC)对光接收器处理输入光功率水平的宽动态范围至关重要。CMOS基TIA中的传统AGC方法通常使用单独电路调节前端TIA的反馈电阻值，或者在前端附加可变增益放大器(VGA)。
5 f  m2 r. Q* A, `
这些传统方法依赖复杂电路，包括电压/功率检测器、比较器、减法器、开关等。这增加了组件数量和功耗。
7 @, K- M2 i% U" _7 R0 E% l3 |
+ r: A& T% X3 W+ H这里介绍的新型AGC使用基于位于两个级联TIA之间的单晶体管电压-电流转换器的简化方法。这种设计以最少的额外组件和功耗实现有效的增益控制。

, |! W3 J5 F  J* U* J% A; E4
单晶体管电压-电流转换器
处于前向激活模式的HBT(异质结双极晶体管)可作为电压依赖电流源。图3说明了这一概念：
2 q, F4 U" Y7 d4 t

et04ifwttpu640162905.png

+ a8 l# ]/ b6 c5 T% ?2 ]/ G! s图3：(a)基本电压依赖电流源电路。(b)带退化电阻的电压依赖电流源，防止饱和。(c)具有单晶体管电压-电流转换器作为AGC机制的输入级。
+ n' |* |) c- I  R( f, P; O
" b+ l/ H/ H8 r6 n* I对于提出的AGC机制，使用固定VCE为0.8V。如图4(a)所示，当VBE小于0.8V时，HBT在前向激活模式下运行。

wxt4dpg3b2z640163006.png

图4：(a)没有ROC的QOC跨导，显示VBE与跨导之间的关系。(b)带ROC的QOC跨导，显示当VBE减小时更可控的跨导减少。
) z6 Y8 a/ m. G9 `
当VBE从0.8V降至0.6V时，跨导(gm)同时减小。当VBE超过0.8V时，晶体管进入饱和模式，速度显著降低。发射极处的退化电阻ROC防止饱和，同时仍允许控制跨导减少，如图4(b)所示。
* ^' G( C8 P1 a8 M) y% u
. f) L8 h* x6 R( _& o0 G. g1 j5 M8 i当Vout1为0.8V时，获得0.009 A/V的跨导。当Vout1减少到0.6V时，跨导降低到0.0024 A/V，提供约9 dB的增益压缩。
- i  p6 D) @: q8 |- w( V
5
AGC操作原理
AGC操作取决于输入光功率、Vout1直流电平和电压-电流转换器所得跨导之间的关系。
3 l" a$ v  L; R( B0 f

laaprqdkjzc640163106.png

7 U- ~  O2 q% y7 Q1 r图5：(a)不同ROC值下Vout1直流电平与输入光功率的关系，显示反比关系。(b)不同ROC值下Iin2和Iin1之间的电流增益与输入光功率的关系，显示在较高输入功率下增益降低。

( k7 V- N) ~9 M7 r* d重要的是，退化电阻ROC对Vout1直流电平的影响可忽略不计。在-30 dBm灵敏度下，Vout1略低于0.79V，而在-10 dBm过载光功率下，Vout1降至0.62V。这表明前端TIA输出Vout1直流电平随着输入电流Iin1的增加而自然降低。
: J$ `! A# t) M) L( D
' Z* F7 n2 W- h. B; a( s3 b; r电流增益，定义为Iin2(晶体管QOC发射极处)与Iin1(前端TIA输入处)的比率，随输入光功率变化，如图5(b)所示。当ROC为400Ω时，-30 dBm的输入光功率产生13 dB的电流增益，而在-10 dBm时，电流增益降至4 dB。这提供了总共9 dB的动态增益控制范围。接收器在-30到-16 dBm的输入功率水平下压缩小于1 dB，在-16到-10 dBm之间发生额外增益控制。

4 H8 d2 J0 k( w" {) q2 Q' z6 H改变退化电阻ROC值可以调整增益控制范围。较低的ROC值（例如200Ω）可以实现更激进的12 dB增益控制范围。

keqesisuagu640163206.png

) h5 f. M& l4 b. l! j0 R- I( K+ N% z+ K* c图6：不同输入光功率和不同观察位置下的跨阻，确认有效的AGC操作。

% _. U, K$ {% v9 \- Y* L. l, r0 k为验证这种AGC方法，模拟了-28 dBm和-10 dBm光输入功率下TIA2输出处的跨阻，如图6所示。在整个目标带宽范围内观察到最小8.6 dB的跨阻差异，证实了AGC机制的有效性。

3 V# Q( ?, r, `3 v  l# `4 V2 I6 F( R* A6
噪声性能分析
/ X4 x+ C) q% R1 a3 [2 _由于AGC机制直接与前端TIA交互，评估其对热噪声性能的影响很重要。

mh5akpztqkp640163306.png

& ^% U' l8 A' \5 u, _1 q# W图7：-28 dBm光输入功率的电磁模拟眼图，包括噪声和封装，在(a) Vout1，(b) Vout2和(c) VCH1处。
; ]! I3 ^* w# K$ z0 Q+ W/ S* U
在前端TIA1输出处，Vout1显示Q因子为3.9（图7a）。引入单晶体管电压-电流转换器和级联TIA2后，Vout2的Q因子略微降至3.4（图7b）。尽管Q降低了0.5，但Vout2处3.4的Q因子仍表明BER为10^-3时灵敏度优于-28 dBm，证实AGC机制不会显著降低噪声性能。

7
: z% ?6 T. V  `5 H# Y1 L, x完整光接收器设计
( O8 [- U- i) R! i( j4 K3 e- Y0 p完整光接收器将上述所有组件集成到一个连贯系统中。
: }: T" R* P. J$ ?) }. _) }

e50cb4ruiwz640163406.png

图8：显示带输入级、直流偏移消除和输出级的集成设计的完整TIA示意图。
. n  Q+ M# Q+ S1 ]1 G; l1 m
接收器包括：
1. 输入级：两个通过单晶体管电压-电流转换器互连的级联TIA
2. 直流偏移消除：使用低通滤波器方法实现
- m  {" g. A  {, p4 w& E3. 增益级：两个Cherry-Hooper放大器
7 S( s. r! V. s4. 输出级：用于阻抗匹配的电流模式逻辑(CML)驱动器

, U! x( x4 R) o8 p  O: s4 l* b$ |8
, F* D4 N7 u, J1 _7 V+ S' T; H直流偏移消除
直流偏移消除使用低通滤波器拓扑实现，选择这种方式是因为其低功耗和小芯片面积。低通滤波器放置在输入级之后，类似于先前的设计。第一个Cherry-Hooper放大器(CH1)在其差分输入端接收原始Vout2信号和低通滤波后的版本(Vout2LPF)。
6 ?% J: d$ ~% [; T+ b' u. X
在-28 dBm输入光功率下，在50 MHz到15 GHz的频率范围内，Vout2和Vout2LPF之间实现了优于-24 dB的隔离。两个差分输出端的交流耦合电容进一步消除了后续增益级中的任何残余直流偏移。
4 w# Q, t; Z; ]& i
: i( W2 q/ }# i' }5 W6 E2 u& ]$ d( m9
, y! Z' N6 v) k: [) a* J' I' QCherry-Hooper放大器和CML驱动器
该设计采用带发射极跟随器反馈的Cherry-Hooper放大器作为差分放大器。这种拓扑结构允许调整极点品质因子和极点频率。对于10 Gb/s数据速率，首选二阶贝塞尔响应。

4 c# V2 I) k  d2 }! x第一个Cherry-Hooper级(CH1)具有适中的3 dB增益，以稳定直流偏移消除性能并防止过度放大任何残余偏移。在交流耦合电容之后，第二个Cherry-Hooper级(CH2)提供额外12 dB增益。
( E! W( a0 Y1 _1 A
5 a8 ]7 o% F! m; y输出级使用简单的CML驱动器，差分驱动器的集电极处有50Ω电阻，用于输出阻抗匹配。
- R1 ?! |7 C7 z& V. _! \. e
, ^, r: H; A9 T/ W10
- x- i, H4 Y& `封装和性能
, I6 ~0 M! [& \& w最终光接收器封装在带柔性电缆的TO46罐中，如图9所示：

n5sjgwdoot4640163506.png

9 ]0 P3 H1 i: o' R9 Y图9：(a)封装在TO46 can中的TIA芯片。(b)InP中完全集成的光电探测器与线路的特写。

测量集成光电探测器的响应率优于0.85 A/W，性能测量显示出色的灵敏度和动态范围。

yr1oiyhj5rz640163607.png

8 v" x. ^  [& ^% P& Q& W图10：(a)模拟和测量的瀑布曲线，显示不同输入功率水平下的BER性能。(b)测量的-20 dBm眼图，显示干净信号和良好开口。

封装的TIA在-27.1 dBm时达到10^-3的BER，在-10 dBm时达到7.1×10^-6，在-22.4 dBm时实现无错误操作。图10(b)显示了-20 dBm下测量的无错误眼图。
2 c7 a2 e4 e! ^& A
表I将此设计与先前最先进的接收器进行比较：
) d! ^! k% F" J

uop4osbcghe640163707.png

单片集成设计在基于PIN的接收器中实现了最低灵敏度，同时对AGC机制和完整接收器的功耗最低。为10 Gb/s ROSA（接收光学子组件）应用提供了足够的动态范围。
+ g  [" W& E! r* ?4 I
2 P. ^" |5 A# M) ?, O5 }11
结论
5 R7 G' O" I; m; w本文介绍了一种突破性的光接收器设计，将PIN光电二极管与InP中的电子线路单片集成。这种方法为使用PIN光电二极管的完全集成光接收器实现了最低记录灵敏度。

主要创新包括：

消除引线键合寄生效应的单片集成

改进PSRR和稳定性的修改前端TIA拓扑结构

使用单晶体管电压-电流转换器的新型AGC机制

低功耗的紧凑实现
* S' k" Q4 q  f9 G; r( X[/ol]
集成方法通过消除光路径上的焊盘电容和引线键合，简化了输入级线路设计。在BER为10^-3时，测量灵敏度为-27.1 dBm，这种基于PIN的设计直接与基于APD的接收器竞争，而无需复杂的电源方案。

: \8 \# {. T2 Z: [新型AGC机制实现9 dB主动增益控制，仅使用四个额外晶体管并仅消耗8.5 mW。电流-电压转换器的跨导峰值效应使这种方法适用于25和50 Gb/s的更高速度应用。

这种集成方法代表光接收器设计的重大进步，与传统设计相比，提供了改进的性能、更低的功耗和简化的制造。
+ U9 n' W3 l3 d! e! C* Y% w& S
& T2 `% L! s0 c* O2 }- |参考文献
6 `6 ^* G3 i/ M" O: L. _( v3 V& f[1] W. Zhou, L. Tarof, and R. E. Amaya, "A 10-Gb/s Optical Receiver With Monolithically Integrated PIN Photodiode, Novel AGC, and Sensitivity of –27.1 dBm for BER 10?3," IEEE Solid-State Circuits Letters, vol. 8, pp. 13-16, 2025.
3 }  b/ {( ~; l2 REND
: r' y- S& c, O- X  {: j
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
4 f; ~9 |: \* ~
) t' `2 ^3 H( q欢迎转载

1 }5 r9 z+ [' v0 o转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
1 ~, J5 C1 g  e% c9 K2 n  p1 V

winuuvdghz3640163807.gif

3 Q% Z' F" q& B. m3 _7 {# N5 _( @7 Q关注我们

: H8 f" T- j, b  {/ o+ G

' p  Q) f; U% R1 L( x 5qs2eupqi4m640163907.png 2 [' _) l  M: s5 @. f* [

tlxbmm50tlq640164007.png

iir2qelbchh640164107.png

                     
' {7 F9 C. R& m1 B
3 H# g) R& i3 W4 R8 D

关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
$ E. R; O: Z% _& P- Y) {4 S6 O
' S! k' p' ]2 q$ ehttp://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）