РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 6, с. 760-765
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.3.049.77.001
УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ ДЛЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ 25 Гбит/с © 2007 г. В. П. Тимошенков
Поступила в редакцию 06.10.2005 г.
Рассмотрены вопросы проектирования интегрального сверхширокополосного усилителя-ограничителя со скоростью передачи данных до 25 Гбит/с. Предложена оригинальная схемотехника усилительных каскадов, рассмотрены схемотехнические и топологические методы расширения полосы пропускания. Проведены экспериментальные исследования.
ВВЕДЕНИЕ
Гетероструктурная электроника для оптических систем широко используется при передаче данных со скоростями более 1 Гб/с. В настоящее время скорости передачи 10 Гб/с успешно применяются в SONET сетях.
Важным устройством для оптической связи является усилитель-ограничитель. Анализ опубликованных данных [1-3] показывает, что схемотехника и технология усилителя для скоростей 10 Гб/с достаточно хорошо проработана, как на относительно дешевых кремниевых процессах, так и на основе технологии соединений A3B5 для гетеропе-реходных биполярных транзисторов. Основными параметрами усилителя-ограничителя являются рабочая частота, чувствительность, джиттер, амплитуда выходного сигнала. Значительно повысить эксплуатационные характеристики усилителя позволяет технология кремниевых гетеропереход-ных биполярных транзисторов, обладающих частотой передачи эмиттерного тока 120 ГГц [4, 5]. Новизна и оригинальность предложенных исследований заключается в схемотехнике усилительных блоков и ускоряющих цепей, позволяющих существенно повысить быстродействие.
1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СХЕМОТЕХНИКА БЛОКОВ
Типовая структурная схема усилителя-ограничителя представлена на рис. 1. Она содержит согласованный 50-омный входной буфер (ВБ), относительно высокоомный усилитель-ограничитель (УО), предвыходной буфер (ПБ) и выходной усилитель (ВУ), работающий на 50-омную нагрузку.
При наличии разброса параметров транзисторов в дифференциальных каскадах последовательное соединение каскадов по постоянному току может привести к значительному напряжению смещения на выходе. Компенсацию напряжения
смещения усилителя обеспечивает внешняя низкочастотная цепь обратной связи (ОС).
Устройство проектировалось для скорости передачи более 20 Гбит/с. Анализ показывает, что для таких скоростей полоса пропускания по уровню 3 дБ каждого из усилительных каскадов (ВБ и ВУ) должна быть более 25 ГГц. Ситуация осложняется тем, что требуются амплитуда выходного сигнала 500 мВ и чувствительность устройства 20 мВ. Решение задачи возможно за счет введения специальных ускорительных компонентов, выполненных в виде микрополосков, расширяющих полосу пропускания усилительных блоков.
ВБ УО ПБ ВУ
ОС
Рис. 1. Структурная схема усилителя-ограничителя.
Рис. 2. Электрическая схема входного буфера.
Микрополосок в совокупности с емкостью р-п-перехода транзистора образует высокодобротный контур. В результате возможен подъем амплитудно-частотной характеристики на высоких частотах.
Входной буфер, показанный на рис. 2, обеспечивает СВЧ-согласование с входным 50-омным трактом, а также создает необходимое смещение по постоянному току для нормального функционирования следующего каскада. Особенностью входного буфера являются микрополосковые линии передачи сигнала М1 и М2, которые работают как последовательные индуктивности. Это позволяет расширить полосу пропускания устройства. Параметры компонентов каскада приведены в табл.1.
Усилитель-ограничитель и выходной усилитель выполненны на основе ячейки Черри-Ку-пера [6, 7]. Электрическая схема усилителей, а также параметры компонентов приведены на рис. 3 и в табл. 2. Ячейка Черри-Купера представляет собой сдвоенный дифференциальный каскад, охваченный через эммитерный повторитель отрицательной обратной связью. Применение такого схемотехнического решения позволяет, с одной стороны, повысить коэффициент усиления, а с другой, - расширить полосу пропускания. Дополнительно повышают верхнюю граничную частоту каскадов микрополосковые ускоряющие индуктивности М1 и М2, подключенные к коллекторам транзисторов внутреннего дифференциального каскада.
Ток во внутреннем дифференциальном каскаде, как правило, в два раза выше чем во внешнем. Такой выбор тока позволяет минимизировать выброс на переходной характеристике при одновременном расширении полосы пропускания.
Усилитель Черри-Купера хорошо работает как на низкоомную (50 Ом) нагрузку выходного каскада, так и на высокоомную (110 Ом) нагрузку ограничителя. Глубина обратной связи определя-
Рис. 4. Электрическая схема предвыходного буфера.
ется резистивными делителями (К3, R4 и R8, R9), а также коэффициентами передачи эмиттерных повторителей на транзисторах Т1, Т8.
Предвыходной буфер обеспечивает согласование уровней сигналов между двумя усилительными каскадами и представляет собой дифференциальные сдвоенные эмиттерные повторители. Значительное расширение полосы устройства обеспечивается за счет введения ускоряющих индуктивно-стей М1, М2. Электрическая схема приведена на рис. 4, параметры компонентов - в табл. 3.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Усилитель-ограничитель был реализован на основе биполярно-полевой технологии. Особенностями данной технологии [4, 5] являются гетеропе-реходные биполярные ^^транзисторы (длина эмиттера 0.15 мкм) с высокими частотными =
Таблица 1. Параметры компонентов входного буфера
Компонент схемы Параметр компонента Значение
Т1, Т3, Т5, Т7, Т8, Т10, Т11 Длина/ширина эмиттера, мкм 2.1/0.2
Т2, Т4, Т6, Т9, Т12 Длина/ширина эмиттера, мкм 2.5/0.2
Т13, Т15 Длина/ширина эмиттера, мкм 5/0.2
Т14, Т16 Длина/ширина эмиттера, мкм 5/0.2
Я1, Я3 Сопротивление, Ом 50
Я5 Сопротивление, Ом 1000
Я2, Я4, Я6, Я7, Я9 Сопротивление, Ом 25
Я8, Я10 Сопротивление, Ом 20
Я11, Я12 Сопротивление, Ом 12.5
М1, М2 Длина/ширина, мкм 390/25
Таблица 2. Параметры компонентов ячейки Черри-Купера
Компонент схемы Параметр компонента Схема УО Схема ВУ
Т1, Т8, Т2, Т9 Длина/ширина эмиттера, мкм 1.5/0.2 8/0.2
Т4, Т6 Длина/ширина эмиттера, мкм 2.1/0.2 14/0.2
Т3 Длина/ширина эмиттера, мкм 3.2/0.2 10/0.2
Т5, Т7 Длина/ширина эмиттера, мкм 2.5/0.2 10/0.2
R1, R11 Сопротивление, Ом 110 36
R2 Сопротивление, Ом 20 6.8
R7, R10 Сопротивление, Ом 12.5 6.8
R3, R8 Сопротивление, Ом 55 45
R4, R9 Сопротивление, Ом 55 55
R5, R6 Сопротивление, Ом Нет 110
М1, М2 Длина/ширина, мкм 110/5 102/6
Таблица 3. Параметры компонентов предвыходного буфера
Компонент схемы Параметр компонента Значение
Т1, Т2, Т7, Т8 Длина/ширина эмиттера, мкм 5/0.2
Т3, Т4, Т5, Т6 Длина/ширина эмиттера, мкм 210/0.2
R1, R4/R1, R4 Сопротивление, Ом 25/12.5
М1, М2 Длина/ширина, мкм 300/20
= 100...140 ГГц) и усилительными характеристиками (средний коэффициент усиления по току более 100). Данный процесс также позволяет реали-зовывать КМОП п- и р-канальные транзисторы со следующими параметрами: ток насыщения 600
и 255 мкА/мкм соответственно, длина затвора 0.18 мкм. В рамках данной технологии можно изготавливать два типа резисторов, поликремниевые (р5 = 310 Ом/П) и тонкопленочные металлические (р5 = 25 Ом/ □), конденсаторы типа металл-ди-
Выход
Вход
Рис. 5. Кристалл усилителя-ограничителя, выполненный на основе гетеропереходных биполярных транзисторов.
Усиление, дБ 40
35 30 25 20 15 10 5
г--- (a) - - \
- ■ ■ ' 3 дб; \ ' \ * \ s \
- . . . • • • • . . 30 ГГц \ \ \ \ \
\ 1 \
\ 1 \
\ 1 \ 1 . \
. -3а, 125 *, \
- - 3а, 125 1 \
___ ■ 3а, -25 1 1 \
—■— номинал, 25 \ , \
-—- -3а, -25 V ! ill , 1 1
10°
101
(б)
102 f, ГГц
I0SG150_0 (swing contr. =0.55v V@ = -3.5) Ш v: (VT("/out_q") + VT("/ramp_12g5p")) д: (VT("/out_q") + VT("/ramp_12g5p")) -: (VT("/out_q") + VT("/ramp_12g5p")) 500 -: (VT("/out_q") + VT("/ramp_12g5p")) x: (VT("/ramp_12g5p")
400 300 200 100 0
-100 -200 -300 -400 -500
0 100 200 300
Рис. 6. Моделирование усилителя-ограничителя: a - амплитудно-частотная характеристика, б - "глаз"-диаграмма.
с удельной емкостью, и интегральные индук-
электрик-металл (МДМ) составляющей 1 фФ/мкм2 тивности, представляющие собой прямоугольную или октоугольную спираль, выполненную на основе шестого слоя металлизации с толщиной ~3 мкм.
Недостатками являются относительно невысокие пробивные напряжения коллектор-эмиттер биполярных №^транзисторов (икэ = 1.2 В в режиме с общим эмиттером при управлении током базы), а также значительные вариации коэффициента усиления по току (15.. .1500) в зависимости от технологического разброса параметров.
Топология усилителя-ограничителя представлена на рис. 5. Кристалл имеет размеры 1.5 х 1.5 мм.
Для предотвращения напряжения смещения, транзисторы в плечах дифференциальных каскадов выполнены с минимальными расстояниями и симметрично относительно линии распространения сигнала (вертикальная ось на рис. 5).
Другой особенностью топологии является вынесение источников тока (транзисторы Т2, Т4, Т6, Т8, Т11, Т9, Т12, Т16 (см. рис. 2); Т3, Т5, Т7(см. рис. 3); Т2, Т4, Т6, Т8 (см. рис. 4)) на внешние стороны от линии распространения сигнала. Это
(a)
grade is enabled...
¿7 I
(6)
grade is enabled...
1
2 Ж
пЛг / д
V г 1
x
Рис. 7. Измеренная "глаз"-диаграмма для скорости передачи 12.5 Гбит/с (а) и осциллограмма усилителя для скорости передачи 25 Гбит/с (б). Масштаб по оси х составляет 20 пс/дел, по оси у -200 мВ/дел.
приводит к увеличению индуктивности между коллекторами источников тока и соответствую-шими эмиттерами дифференциальных каскадов или эмиттеров транзисторов в повторителях. Такое топологическое построение является полезным, так как дополнительная паразитная индуктивность увеличивает выходное сопротивление источника тока на высоких частотах.
Устройство также содержит источник опорного напряжения для обеспечения работоспособности источников тока в дифференциальных каскадах и повторителях напряжения.
В качестве нулевой шины и шины питания использовались металлы верхних уровней (шестой и пятый слои металла), обладающие
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.