2.5Gbps 高性能CMOS激光驱动器的设计

林永辉 林智 厦门优迅高速芯片有限公司

摘要：设计了一种具有自动功率控制功能，温度补偿功能的激光驱动器电路。驱动器采用级联差分放大器和源极跟随器分别进行信号放大和级间阻抗匹配。仿真结果显示：在3.3V电源电压下，工作速率可达2.5Gbps，调制电流幅度可达65mA，偏置电流幅度可达75mA。电路采用0.35µｍ标准CMOS工艺，测试结果表明，在2.5Gbps速率下，输出眼图清晰，对称性良好，各功能正常，电路功耗132mV。

关键词：光纤通讯；激光驱动器；自动功率控制；CMOS；温度补偿；

1、引言
随着通信容量的不断递增，光纤通信作为一种以光波为载体，以光导纤维为传输介质的先进的通信手段已经得到广泛的应用。传统光纤通信系统通常是采用BiCMOS或者Bipolar等工艺实现。CMOS工艺虽然具有集成度高和成本低的优点（成本大约比同等的BiCMOS工艺的成本低30%～50%），但是由于器件截止频率较低，故在高速电路中通常不被采用。随着CMOS工艺进入到深亚微米后，CMOS有源器件已经能够提供足够高的特征频率（fT）值。据研究，0.35µｍCMOS工艺的截止频率已经达到14GHz。目前，我国骨干网光纤传输的速率已达到2.5Gbps，但以之配套的光发射/接收模块高速芯片均为国外产品，国内在这方面的产品几近空白。综合现阶段CMOS工艺的优点，本文提出了一种基于标准0.35µｍCMOS工艺的，工作速率达到2.5Gbps的激光驱动器电路设计。

激光驱动器位于光纤传输系统的发射部分，功能是进一步处理来自复接器的数据信号，同时根据传输距离等系统的要求，提供可调节的输出电流，推动激光器输出达到所需要的光功率。激光驱动器提供的信号不但需要速度高，同时根据系统要求，还需要大的输出摆幅，以推动激光器获得足够的消光比。为了承载大的输出电流，驱动器输出级的晶体管尺寸非常大，其寄生电容对晶体管本身产生强烈的负载效应，限制了电路工作速度的进一步提高。综上可知，作为光纤传输系统中的电光转换部分，激光驱动器的性能直接决定了整个光纤通信系统的性能。

2、激光二极管驱动器的电路设计
2.1难点分析
对于2.5Gbps驱动器电路，目前市场上大都采用截止频率较高的BiCMOS工艺或者Bipolar工艺。而本文采用相对工艺简单、价格便宜、功耗低的标准0.35µｍCMOS工艺，对于2.5Gbps的工作速率而言，已为该工艺特征频率的1/5，故具有相当挑战性。同时，为了配合激光器使用，电路还设计了自动功率控制功能、温度补偿功能和安全缓启动等功能。为了工作在-40～85℃的温度范围，电路内部采用了带隙电压源、负反馈电阻并提供外界控制以保持输出光功率的稳定。 另外，电路还外加了使能控制、波形整形等功能。经测试，在输入200mV～2000mV的大范围电压摆幅内，均能保证眼图不变化，各项主要指标优异。

2.2电路结构设计
所设计的激光驱动器电路主要包括高速调制信号驱动电路、自动功率控制电路和温度补偿电路等。高速调制信号驱动电路包括前级放大级和激光器驱动级两部分，主要是由输入缓冲、数据通道和高速差分对组成，其功能是对输入信号进行预放大，以产生足够的增益，为外部激光管提供所需的激励信号。自动功率控制电路的主要作用是与监控光电二极管形成反馈控制电路，通过对偏置电流和调制电流的动态控制调解，维持消光比恒定。温度补偿电路是保持全温度范围内偏置电流和调制电流比例的稳定，消除由于温度变化对眼图造成的影响。外加3.3V电源电压下，芯片在-40～85℃范围内，在2.5Gbps速率下可以提供在0～65mA的调制电流，0～75mA的偏置电流，保持输出光功率的稳定，电路工作正常。

激光驱动器电路总体结构框图如图1所示：

2.3电路介绍

前驱输入接口（图2）通过内置分压电阻获得偏置0.6VDD，双端输入的匹配用2个50ohm电阻串联形成对差分输入信号的匹配。
典型差分放大单元虽然能够最大限度地抑制共模干扰以及其他对电路高速工作不利的因素，并提供相当的增益，并具备一定的带宽，但还不能满足放大最低200mV输入电压和提供接近2.5G带宽的电路要求。故采用差分cascade结构（图3），在保持差分电路优点的基础上，同时提高了增益和拓展了带宽。采用NMOS管做的电流源受Bias端控制，具有负反馈功能，使得差分放大管电流不依赖于输入共模电平，降低了电路性能对直流工作点的敏感程度，有效地提高了电路设计和制造的可靠性，有利于提高成品率，同时通过改变N管的宽长比可以改变输出电压摆幅，同时会提高增益，但是会减小带宽，增加功耗，需要合理调配。由于单级放大无法得到足够的增益，故需采用多级放大，级间采用典型源级跟随器起隔离作用，使下一级电路中的晶体管获得最佳的电流密度。

前驱已提供足够的增益和带宽，故输出电路（图4）采用漏级开路的开关管和电流源电路组成，对前驱电路输出信号小幅度放大，重点保证输出信号的稳定和控制温度补偿电流。电流源栅端受APC电路控制，可用来调节调制电流。

2.4自动功率控制电路设计
自动功率控制电路框图如图5所示：

图5、自动功率控制电路框图

该模块电路的功能是克服激光器老化以及温度变化等因素引起的光功率变化，稳定激光器的输出光功率。工作原理为PD通过监控LD的光功率变化产生相应的感应电流通过跨阻放大器转换成电压控制信号，控制偏置电流反馈到激光器以维持平均光功率的稳定。同时，低通滤波器滤除了电路的高频信号，稳定了跨阻放大器输出的控制电压。跨阻放大器设置了另一输出端用来监控光功率电流，偏置电流处理器设置另一输出端用来监控BIAS电流。这样可以从外部直接监控APC电路的工作状态。

2.5温度补偿电路设计
该模块电路的功能是补偿整个温度范围内调制电流受温度变化的影响。工作原理为由监控电路产生一个随温度变化的正向电压信号，然后比例转换成电流信号补偿进调制电流，同时由外部可监控温度补偿电流的变化情况。

3、电路仿真和测试结果
电路采用0.35µｍ标准CMOS工艺实现，采用QFN24封装。由于该电路为全差分结构，因此版图设计成完全对称的结构以保持电路平衡、抑制工艺参数波动带来的不利影响。电路左边为差分信号的输入，右边为差分信号的输出。版图面积为0.90mm×1.35mm。具体版图如图6所示：

图6、激光驱动器版图

3.1版图后仿真结果
采用Cadence的spectre软件提取RC寄生参数进行版图后仿真结果表明电路可以工作2.5Gbit/s速率上。3.3V电源电压后仿真电眼图（50ohm负载，输入信号VP-P: 200mV）如图7所示：

图7、版图后仿真电眼图

主要参数仿真结果如表1所示：

表1

3.2测试结果
测试仪器：5Gbps脉码发生器MP1601，通信信号分析仪：CSA8000。
测试电路采用标准3.3V电源电压，眼图如图8，9，10所示：

主要参数测试结果如表2所示：

表2

经测试，温度补偿电流范围最大可达50mA；芯片功耗：132mW。自动功率控制电路从-40～85℃内工作正常，可保持光功率恒定。

4、结论
采用0.35µｍ标准CMOS工艺设计实现了长距离光纤通信用激光驱动器。在2.5Gbps速率下眼图清晰，对称性良好，各功能电路在-40～85℃工作正常，输入电流调节范围0～65mA，功耗低于150mV，满足光纤通信系统的要求，有利于弥补国内在高速通信领域光通信芯片的空白。

参考文献（References）
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