Ключевые слова: трансимпедансный усилитель, радиофотоника, фотодиод, дифференциальный усилитель, SiGeBiCMOS.

1. Введение

Радиофотоника [1-4] – направление, объединяющее в себе радиоэлектронику и оптоэлектронику, за последние 30 лет вызвала огромный интерес как со стороны ученых, так и со стороны коммерческого сектора, и ему предсказывают светлое будущее. Это направление получило такую широкую популярность, с одной стороны, благодаря тому, что позволяет реализовывать СВЧ-компоненты, которые ранее было сложно либо практически невозможно создать в радиодиапазоне, а с другой стороны она открывает новые пути для построения информационных и телекоммуникационных систем и сетей.

Основой любой системы радиофотоники является аналоговый оптический канал передачи данных, который состоит из модулятора для преобразования электрического сигнала в оптический, линии передачи (оптического волокна) и фотоприемника, который производит обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Как правило, фотоприемник представляет собой фотодиод (ФД) и трансимпедансный усилитель (ТИУ). Фотодиод преобразует падающее на него излучение в выходной ток пропорционально интенсивности лазерного потока. Основной целью ТИУ является преобразования выходного тока фотодиода, который возникает в нем при падении на него оптического сигнала, в выходное напряжение. Модуль отношения выходного напряжения к входному току называется коэффициент трансимпедансного усиления.

Коэффициент трансимпедансного усиления выражается как модуль отношения выходного напряжения к входному току (VO/IIN’ type=»#_x0000_t75″> ), и имеет размерность Ω илидБ∙Ω.

Целью данной работы является разработка ТИУ с полосой до 20 ГГц на основе монолитной 0,25 мкм SiGeBiCMOS технологии.

2. Описание электрической, структурной схемы ТИУ и представление результатов проектирования

Разрабатываемый интегральный ТИУ состоит из трех каскадов: входной каскад преобразует ток ФД в напряжение, промежуточный каскад усиливает сигнал и преобразует его в дифферциальный, выходной буфер обеспечивает требуемую выходную мощность и согласование с 50-омным трактом (рисунок 1). В ТИУ также встроена обратная связь для компенсации смещения постоянного тока от ФД.

 

Рис. 1. Структурная схема ТИУ

На рисунке 2 представлена электрическая схем ТИУ. Входной каскад (T1-T4) реализован на основе схемы с параллельной обратной связью, резистор R1 определяет трансимпеданс ТИУ и согласование по входу. Промежуточный каскад (T5-T16) выполнен по дифференциальной каскодной схеме, для согласования с выходным буферным каскадов используются эмиттерные повторители (T17, T22).

Выходной дифференциальный буферный каскад (Т23-Т29) содержит цепи обратной связи по току для коррекции АЧХ ТИУ. Операционный усилитель (ОУ) выполнен на КМОП транзисторах. ОУ компенсирует постоянный ток от ФД и изменение рабочей точки промежуточного каскада из-за разброса интегральных компонентов.

 

Рис. 2. Электрическая схема ТИУ

На рисунке 3 представлены характеристики ТИУ после электромагнитного анализа, а именно: S-параметры в дБ (рисунок 3а), выходная мощность в зависимости от входной с двух дифференциальных портов (рисунок 3б). Выходная мощность с каждого порта -8 дБм, в сумме будет составлять порядка -5 дБм, при потребление 60 мА (напряжение питания 2,5 В и 3,3 В).

 

Рис. 3. а) Смоделированные S-параметры ТИУ

 б) Выходная мощность и коэффициент усиления в зависимости от входной

На рисунке 4 представлены: коэффициент трансимпедансного усиления в дБ∙Ω, коэффициент шума в дБ и устойчивость.

Рис. 4. Смоделированные характеристики ТИУ: а) трансимпеданс (дБ∙Ω); б) коэффициент шума (дБ) и устойчивость

3. Результаты измерений

На рисунке 5 представлены результаты зондовых измерения S-параметров ТИУ. Также на рисунке 5 представлен рассчитанный из измеренных S-параметров трансимпедансный коэффициент передачи. Как можно заметить рабочая полоса 15 ГГц вместо 20 ГГц (по уровню -3 дБ), коэффициент усиления |S₂₁| равен 25±1 дБ в полосе до 10 ГГц, коэффициент отражения по выходу |S₂₂| и |S₃₃| менее -10 дБ в полосе до 5 ГГц и в среднем менее -6 дБ в полосе до 15 ГГц. Отличие результатов измерений от моделирования связано с некорректным расположением активных и пассивных элементов на кристалле, а также, с неточностью проведённого электромагнитного анализа, что в дальнейшем, при проектировании, будет учтено.

 

Рис. 5. Измеренные S-параметры и трансимпеданс ТИУ

На рисунке 6 представлена фотография трансимпедансного усилителя на чипе. Размеры ТИУ 0,7х0,6 мм. Измерения проводились при помо-

щи 4-портового векторного анализатора цепей ZVA40 в полосе частот до 40 ГГц при входной мощности PРІС…=-40 дБм’ type=»#_x0000_t75″>.

 

Рис. 6. Фотография ТИУ на чипе

4. Заключение

Разработанный ТИУ обладает полосой пропускания DC-15 ГГц, имеет достаточный коэффициент усиления 25±1 дБ, чтобы скомпенсировать потери в ФД. ТИУ имеет две цепи питания 2,5 В и 3,3 В, потребление тока составляет 54 мА. Трансимпеданс всей схемы составляет 57-65 дБ∙Ω в полосе частот до 15 ГГц.

Источники финансирования

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Уникальный идентификатор 8.4029.2017/4.6.

Список литературы

[1] SeedsA. Microwavephotonics // IEEETrans. Microw. Theory Tech, 2002, vol. 50(3), pp. 877–887.

[2] Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds // Nat. Photonics, 2007, vol. 1(6), pp. 319–330.

[3] Coldren L. Photonic integrated circuits for microwave photonics // Proceedings of the IEEE Topical Meeting on Microwave Photonics., 2010, pp. 1-4.

[4] Awny A., et al. A 40 Gb/s Monolithically Integrated Linear Photonic Receiver in a 0.25 um BiCMOS SiGe:C Technology // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2015, vol. 25, no. 7, p. 469-471

Оформить подписку на журналы «Электронные компоненты» и «Электроника СВЧ» Марина Панова, panovaid@yandex.ru