10Gb/s0.18μm CMOS工藝電流型VCSEL驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

王津飛 居水榮 劉錫鋒

【摘 要】本文介紹了一種采用0.18 μm CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)的電流型垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL： Vertical Cavity Surface Emitting Laser）驅(qū)動(dòng)器電路。驅(qū)動(dòng)器電路的核心單元由預(yù)放大級(jí)和輸出級(jí)電路組成。為了擴(kuò)展帶寬、降低功耗，預(yù)放大級(jí)電路采用低阻抗負(fù)載的三級(jí)級(jí)聯(lián)差分放大器技術(shù)和有源負(fù)反饋技術(shù)；輸出級(jí)電路采用了C3A技術(shù)。仿真結(jié)果表明，1.8V電源供電時(shí)，工作速率為10Gb/s以上，輸出調(diào)制電流可達(dá)12.7mA。

【關(guān)鍵詞】垂直腔面發(fā)射器；CMOS；電流型激光驅(qū)動(dòng)器；有源負(fù)反饋

中圖分類號(hào)： TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）05-0077-002

【Abstract】This paper introduces a VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser） driver circuit implemented in a 0.18 μm CMOS process.The core unit of the driver circuit consists of a preamplifier stage and an output stage circuit.In order to expand the bandwidth and reduce the power consumption，the pre-amplifier circuit uses a three-stage cascaded differential amplifier technology with low impedance load and active negative feedback technology；the output stage circuit uses C3A technology.The simulation results show that when the 1.8V power supply is used， the operating speed is 10Gb/s or more，and the output modulation current can reach 12.7mA.

【Key words】Vertical cavity surface emitter；CMOS；Current type laser driver；Active negative feedback

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片性能的增長(zhǎng)速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了互聯(lián)性能的增長(zhǎng)速度。傳統(tǒng)的芯片間電互聯(lián)存在帶寬低、功耗高、互聯(lián)密度小及抗干擾能力差等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸、高速芯片互聯(lián)、高性能計(jì)算機(jī)等方面的系統(tǒng)應(yīng)用需求。超高速并行光互聯(lián)技術(shù)是一種新興起的光互連技術(shù)，具有帶寬高、功耗低、延遲小、抗干擾等許多電互聯(lián)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)高速芯片互聯(lián)的發(fā)展方向。并行光傳輸?shù)陌l(fā)送模塊主要采用波長(zhǎng)為 850 nm的垂直發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）陣列作為發(fā)光器件，由激光驅(qū)動(dòng)器電路為其提供偏置和調(diào)制電流來(lái)保證一定的傳輸距離的要求。國(guó)內(nèi)外已有一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了符合光網(wǎng)絡(luò)互連論壇（OIF）規(guī)范的VCSEL驅(qū)動(dòng)器陣列的研究成果，單通道工作速率達(dá)到10Gb/s，更高速的VCSEL驅(qū)動(dòng)器大多采用SiGe BiCMOS 工藝或者0.13um以下CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-4]。本文采用0.18μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)低成本、超高速的電流型VCSEL驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，避免采用SiGe BiCMOS等較昂貴的工藝，對(duì)降低光互連成本、推動(dòng)國(guó)內(nèi)高速芯片之間光互連的發(fā)展及探索超高速電路設(shè)計(jì)理論具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

激光驅(qū)動(dòng)器的作用是放大復(fù)接器的輸出信號(hào)，提供滿足規(guī)定強(qiáng)度和波形的電流或者電壓信號(hào)，使被驅(qū)動(dòng)器件有效的工作。整體電路采用適用于高速電路的全差分結(jié)構(gòu)，由輸入緩沖級(jí)、預(yù)防大級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)電路組成，如圖1所示。由于激光驅(qū)動(dòng)器要求大電流輸出，為了滿足要求，在終端輸出電路中，晶體管尺寸非常大，由此引入的晶體管寄生電容限制了驅(qū)動(dòng)器電路的工作速度?？紤]到系統(tǒng)前級(jí)的復(fù)接器能提供一定的電壓幅度，所以預(yù)放大級(jí)電路不需要很高的增益，其關(guān)鍵是如何在高速情況下去驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載的輸出級(jí)電路。

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 輸入緩沖

輸入緩沖包括偏置電路和輸入匹配兩個(gè)部分，如圖2所示。偏置電路通過(guò)串聯(lián)電阻分壓給內(nèi)部提供1.6V直流偏置；在直流偏置點(diǎn)和差分輸入信號(hào)之間串接50的電阻，形成對(duì)差分輸入信號(hào)的50匹配。

1.2.2 預(yù)放大級(jí)電路

由于本驅(qū)動(dòng)電路是為了應(yīng)用于多通道并行VCSEL 驅(qū)動(dòng)器陣列而設(shè)計(jì)，考慮到芯片面積等方面的限制，電感并聯(lián)峰化提升帶寬技術(shù)不適合在本電路中采用，因此預(yù)放大級(jí)電路采用低阻抗負(fù)載的三級(jí)級(jí)聯(lián)差分放大器技術(shù)，并在第一級(jí)和第三級(jí)之間采用有源負(fù)反饋的形式，如圖3所示。這樣可以獲得較高的帶寬和較好的驅(qū)動(dòng)能力。圖4為單級(jí)差分放大器的具體電路。由于電源電壓為1.8V，如果采用經(jīng)典的的差分放大器加源極跟隨器的結(jié)構(gòu)，則前級(jí)源極跟隨器的輸出中心電平會(huì)降得太低，影響下一級(jí)差分對(duì)的正常放大，故預(yù)放大電路只能采用三級(jí)差分放大器直接耦合的方式。由于差分放大器之間沒(méi)有源極跟隨器的隔離作用，前后級(jí)間相互影響較大，因此要求三級(jí)放大器接口匹配良好，參數(shù)選擇合適，否則帶寬會(huì)下降得非?？?。

1.2.3 輸出級(jí)電路

圖5 輸出級(jí)電路

輸出級(jí)電路如圖5所示。預(yù)放大單元電源電壓VDD1=1.8V，輸出級(jí)電源電壓VDD2=3.3V。輸出級(jí)電路采用C3A技術(shù)來(lái)減小輸出電流的下降時(shí)間，差分對(duì)驅(qū)動(dòng)管M2開漏輸出，驅(qū)動(dòng)電流直接驅(qū)動(dòng)VCSEL的陰極，控制電壓Vmod調(diào)節(jié)調(diào)制電流的大小，偏置電壓Vbias調(diào)節(jié)偏置電流的大小。

2 電路仿真

為了驗(yàn)證電路在大信號(hào)輸入時(shí)的瞬態(tài)工作特性，對(duì)電路輸入速率分別為10Gb/s、12Gb/s，單端峰峰值大小為400mV的差分偽隨機(jī)信號(hào)，在TT工藝角下驗(yàn)證電路工作狀態(tài)，其瞬態(tài)輸出波形和眼圖如圖6和7所示。

3 總結(jié)

本文采用的低阻抗負(fù)載三級(jí)級(jí)聯(lián)差分放大器方案，可同時(shí)滿足0.18μm CMOS工藝低電壓設(shè)計(jì)要求以及并行光驅(qū)動(dòng)芯片中面積的要求。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能工作在10Gb/s以上速率，輸出電流為12.7mA。

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