ISSCC2025 | 基于交叉折叠传输线的光通信100Gbaud 4Vppd五抽头均衡线性驱动器

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引言
& X& q) n  J* t) L# b2 F9 k' y. d  _在光通信领域，对更高带宽和更高效传输系统的需求持续增长。为满足这些需求，研究人员正在开发能够支持更高数据速率同时保持低功耗的创新线路架构。本文探讨了一种采用交叉折叠传输线和交叉耦合Gm单元的前沿分布式线性驱动器设计，在0.13μm SiGe BiCMOS工艺中实现内置5抽头前馈均衡器(FFE)[1]。

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$ b6 Y$ ?: w- g! j% v7 w6 ?线性可插拔光学简介
线性可插拔光学(LPO)已成为短距离光通信的有力解决方案，与基于数字信号处理(DSP)的解决方案相比，具有低功耗、成本降低和延迟最小化等优势。在单模光纤应用中，LPO需要具有均衡能力的线性驱动器来驱动光调制器，实现低失真的电光转换。

设计高效线性驱动器面临多项挑战。为最大化光信号的消光比，驱动器必须提供大摆幅和高增益。此外，带宽是关键考虑因素，因为大摆幅通常需要大尺寸晶体管，这会引入显著的寄生效应，可能降低链路速度。在驱动器中实现均衡功能又为设计增加了另一层复杂性。

+ z" O) A" f: g* R; H9 D让我们在探讨本文提出的新型解决方案之前，先了解两种传统方法及其局限性。

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2 S. v, n+ f" e! p% C! ~2 [( Y# }图1：典型的线性可插拔光链路，传统分布式放大器和传统基于TL的均衡器的结构。
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在传统分布式放大器中(图1底部左侧所示)，实现了两条传输线(TLs)作为电感，用于抵消Gm单元的寄生电容。三个Gm单元的输出在输出端口(OUT)同相叠加。这种方法同时实现了高带宽、大摆幅和高增益。然而，其缺乏均衡能力，使其不适合直接用于LPO应用。
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另一方面，传输线可以用作无源延迟元件来实现前馈均衡(FFE)，如图1底部右侧所示。在这种基于TL的FFE结构中，输出端与输入端位于同一侧，创建三条具有不同延迟的路径来实现三个抽头。然而，由于GPre和GPost的极性与GMain相反，该结构无法提供高增益和大摆幅，这也使其不适合LPO应用。

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分布式线性驱动器的设计演进
为克服传统架构的局限性，开发了一种新型交叉耦合Gm单元和交叉折叠传输线的分布式线性驱动器。该设计将TL不仅用作电感，还用作延迟元件，实现了高性能和内置均衡功能。
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图2：提出的线性驱动器的架构设计演进。

2 O% m" k8 c7 T0 |1 S图2展示了设计的演进过程。从传统分布式放大器开始，在三个主抽头Gm单元(GMain)之间插入两个Gm单元(GPre和GPost)。这引入了两条具有不同延迟的额外路径，在分布式放大器中创建了3抽头FFE，同时保持大摆幅和高增益能力。

然而，在这一初始修改中，预抽头与主抽头之间的延迟间隔太小，无法有效消除符号间干扰(ISI)。为解决这个问题，如图2右上角所示，引入了折叠TL拓扑。在这种结构中，预抽头Gm单元与输出TL(TPR)之间的连接垂直实现，以最小化其长度而不影响TL段长度，从而实现合理的预到主抽头间隔。
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尽管有这一改进，折叠TL拓扑引入了新问题：输入和输出TL长度不同造成了通过三个主抽头Gm单元的路径延迟差异，导致信号失真。解决这一问题的方法是交叉折叠TL拓扑，如图36.8.2左下方所示。通过交叉折叠输入和输出TL，使其长度相等，消除了信号失真问题。
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" X& N+ C+ S+ z. E" M$ s; a" f; M, x$ V最终架构包括四个交叉耦合Gm单元(GPre1、GPre2、GPost1和GPost2)实现两个预抽头和两个后抽头，以及五个主抽头Gm单元提供大摆幅和高增益。这五个抽头之间的抽头间隔，如图36.8.2右下方所示，可通过相关传输线段调整以优化均衡性能。

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" t- A( X# p! z" X交叉折叠传输线的实现细节
交叉折叠TL设计代表了所提出驱动器架构中的重大创新。让我们研究其实现细节并与传统折叠方案进行比较。
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% f3 e4 ~* A/ \, Q# a5 @$ D图3：传统折叠与交叉折叠传输线的比较，以及Gm单元的设计。

% O. R8 o4 G) u( ]2 e图3上方所示，在传统和交叉折叠方案中，输入和输出差分信号均由金属-5(M5)层中的信号TL传递。在M5中实现了三个接地共面波导(CPWs)来屏蔽信号TL。信号TL与接地CPW之间的物理间距为8μm，所有信号TL和接地CPW的宽度均为4μm。这些结构下方的金属-1(M1)中的接地平面提供基板屏蔽。
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交叉折叠TL设计的关键创新在于输入信号TL在与输出信号TL交叉处从M5跳至金属-6(M6)，然后返回至M5。虽然这一金属跳变可能导致阻抗不连续并降低驱动器的输入反射率，但频域仿真显示，从DC到50GHz，交叉折叠TL驱动器的输入回波损耗(SDD11)和反向隔离度(SDD12)与传统折叠TL驱动器相当。
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5 i) H+ s+ D( J此外，图3右下方显示的SDD21仿真结果表明，与传统折叠方案相比，交叉折叠方案将3dB带宽从33GHz扩展到53GHz，并平坦化了带内增益特性，代表了显著的性能提升。

! {2 ?: M# L8 |7 m# v* N! lGm单元设计，如图3右上方所示，采用共源极结构以减轻米勒效应并增强击穿电压。Q2P和Q2N基极的偏置信号VBCAS通过电阻-电容(R-C)网络稳定，使用较小的电阻值以提高击穿电压。RDG用于增强线性度，并通过调整门电压(VGAIN)的并联晶体管MDG来调节Gm单元增益。
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性能测量与结果
4 G9 ]7 ^" y1 @0 m& D- p  e. i该分布式线性驱动器在130nm SiGe BiCMOS工艺中实现，fT和fMAX分别为250GHz和340GHz。让我们研究其测量性能特性。

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图4：不同FFE Gm单元设置下测量的S参数，不同输出摆幅下使用5GHz正弦波测量的THD，以及测量的脉冲响应。

/ w6 m9 C- {! n图4左侧显示了驱动器的测量S参数。在FFE Gm单元关闭时，驱动器实现了15.8dB的直流增益和24.5GHz的3dB带宽。由于分布式拓扑，增益滚降较为缓慢，导致6dB带宽高达53.4GHz。当FFE Gm单元设为最大增益时，直流增益降至10dB，但50GHz处的增益增加到16.9dB，展示了均衡效果。

输入反射率(SDD11)在FFE Gm单元开启时从DC到45GHz保持在-10dB以下，表明良好的输入匹配。输出反射率(SDD22)在DC到21GHz和35GHz到48GHz范围内小于-8dB，在21GHz和35GHz之间略有增加但仍保持在-6dB以下。
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+ {$ A( g/ D& v( d+ q+ u图4右上方显示了在不同输出摆幅下使用5GHz正弦波测量的总谐波失真(THD)。对于摆幅为4Vppd的输出信号，驱动器实现了仅2.21%的THD，即使在高输出水平下也展示了优异的线性度。
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8 P$ p) n$ k0 ~  ^- y7 s* P' U图4右下方展示了测量的脉冲响应，清楚地表明预抽头和后抽头Gm单元有效补偿了ISI游标，验证了设计的均衡能力。
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图5：FFE关闭时测量的56Gbaud NRZ/PAM-4眼图，以及FFE关闭和开启时的80Gbaud PAM-4/100Gbaud NRZ眼图。

9 u. ^: ~. H! h' L图5显示了驱动器在各种数据速率下的测量眼图。在56Gbaud，即使FFE关闭，NRZ和PAM-4眼图也显示清晰开口，摆幅分别为4.8Vppd和4.3Vppd。在80Gbaud PAM-4时，由于带宽限制，FFE关闭时眼图无法打开。然而，启用FFE后，眼图以3.8Vppd的摆幅和95.8%的电平失配比(RLM)打开，展示了均衡的有效性。对于100Gbaud NRZ，在启用FFE时实现了摆幅为4Vppd的清晰眼图，进一步验证了设计的高速能力。
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图6：性能总结与SiGe BiCMOS中最先进线性驱动器的比较。
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) \# u/ Y% l" ^4 p1 E0 m9 O6 S图6总结了所提出的线性驱动器的性能，并与SiGe BiCMOS中的最先进作品进行了比较。通过同时将传输线用作电感和延迟元件，该设计实现了在比较解决方案中最优的均衡能力和最佳的性能指标(FoM)。驱动器支持最高100Gbaud NRZ和80Gbaud PAM-4的数据速率，直流增益范围为10.0至15.8dB，THD为2.21%，功耗仅为612mW。

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图7: 制造的驱动器芯片的管芯显微照片，尺寸为1.30mm × 0.65mm。
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5 ?+ L1 x) y9 E/ x3 B) Z图7展示了驱动器的管芯显微照片，尺寸为1.30mm × 0.65mm。布局清晰地显示了交叉折叠传输线、主抽头Gm单元、预抽头和后抽头Gm单元，以及设计的其他关键组件。
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结论
$ D" |( u' T8 B7 q9 g. r  S本文介绍了一种新型的交叉折叠传输线和交叉耦合Gm单元的分布式线性驱动器，在0.13μm SiGe BiCMOS工艺中实现内置5抽头前馈均衡器。该设计克服了传统分布式放大器和基于TL的均衡器的局限性，通过将传输线同时用作电感和延迟元件，实现了高带宽、大摆幅、高增益和有效均衡的同时实现。
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; S/ B2 H" E. E) e交叉折叠TL拓扑代表了重大创新，使输入和输出传输线长度相等，消除了信号失真，同时保持了良好的阻抗匹配和隔离特性。五个主抽头Gm单元与四个交叉耦合FFE Gm单元的实现提供了支持高达100Gbaud数据速率所需的增益和均衡能力。
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3 E  ~. h4 i; S; V测量结果展示了优异的性能，具有4Vppd输出摆幅、2.21%THD，并在高数据速率下显示清晰打开的眼图。该设计在可比较的最先进解决方案中实现了最佳的性能指标，使其非常适合需要高性能和有效均衡的下一代高速光通信系统。
本文提出的原理和技术可应用于各种高速线路设计，特别是在需要高带宽和集成均衡能力的应用中。

参考文献
! e* E9 s+ K* I3 n/ [/ @6 @5 O; _[1] F. Chen, C. P. Yue, and Q. Pan, "A 100Gbaud 4Vppd Distributed Linear Driver with Cross-Folded Transmission Lines and Cross-Coupled Gm Cells for Built-in 5-Tap FFE in 0.13μm SiGe BiCMOS," in 2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Feb. 2025, pp. 600-601.
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