深港微电子学院潘权课题组在高性能通信芯片设计领域取得研究进展

2021-09-18 科研聚焦 浏览量：18613

近日，南方科技大学国家示范性微电子学院潘权课题组在高性能通信芯片设计领域取得新进展，本次研究成果包括两款高速光通信芯片，相关成果分别以“A 58-dBΩ 20-Gb/s inverter-based cascode transimpedance amplifier for optical communications”[1]为题被Journal of Semiconductors (JOS) 接收，以“A 720-mVpp 224-Gb/s PAM4 Optical Receiver with Multiple Peaking Techniques in 130-nm SiGe BiCMOS”[2]为题被国际会议2021 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS) 接收。论文[1]和论文[2]的学生第一作者分别是课题组2019级研究生罗雄师和2017级本科生丘璋(2021年校级优秀本科毕业生)。

随着云计算设备和多媒体设备数目的飞速增长，人们对传输速率的要求越来越高，相较于传统的铜互连电路，高速光通信电路凭借其稳定、高能效和极低的信道损耗等优点被广泛用于各大数据中心，跨阻放大器（Transimpedance Amplifier，TIA）是高速光通信电路的核心模块。在传统TIA中，光电二极管较大的寄生电容会显著影响带宽，而如若通过牺牲增益来换取带宽会带来较大输入噪声，严重影响信号传输质量。同时，传统TIA架构会消耗较大的功耗，这无疑给高速光通信电路的设计带来了更大的挑战。论文[1]中提出了基于反相器的Cascode架构TIA，利用Cascode结构的高增益来降低输入阻抗和等效噪声电流，进而提升TIA的带宽和灵敏度。此外，电路还采用了串联电感峰化和负电容补偿等多种手段用于提高电路带宽，大大提升了电路的传输速率。[1]中电路采用TSMC 65nm工艺，在58 dBΩ的增益下，数据传输速率达到20Gb/s，而功耗仅为4 mW，FoM高达454。

论文[1]中的电路结构图、芯片照片及其测试结果

四电平脉冲幅度调制（PAM4）可以实现一个码元传输2bit数据，相比于传统的不归零编码（NRZ），PAM4可以获得双倍的信道容量。论文[2]基于130-nm IHP SiGe BiCMOS工艺设计了适用于NRZ/PAM4双模式的光接收机通信系统，包括低噪声宽带TIA、连续时间线性均衡器、单端-差分信号转换器和输出缓冲器。单端光电流输入的TIA与单端-差分信号转换器（S2D）级联，并通过非对称电感设计来抵消S2D差分信号路径上寄生参数的差异，S2D的差分增益误差和相位误差不超过0.2 dB和1.6 degree。同时使用带RC网络的射级跟随器与Casocde TIA配合，综合考虑增益-带宽-噪声，得到了折衷后的最优化设计。设计的TIA跨阻增益达到58 dBΩ，带宽达到61 GHz，眼图的仿真结果显示可以实现最高PAM4 224G/s的传输速率。

论文[2]中的电路结构图及其仿真结果

[1] Q. Pan*, X. Luo, "A 58-dBΩ 20-Gb/s inverter-based cascode transimpedance amplifier for optical communications," Journal of Semiconductors(JOS), 2021.

[2] Z. Qiu, X. Luo, Z. Li, S. Zhu, L. Wang, Z. Mao, X. Gui, D. Li, Q. Pan*, "A 720-m Vpp 224-Gb/s PAM4 Optical Receiver with Multiple Peaking Techniques in 130-nm SiGe BiCMOS," in IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems(APCCAS), 2021.