Введение ................................................................................................................................................. 6
1. СВЧ трансимпедансные усилители для волоконно-оптических систем, подходы к их построению и проектированию .......................................................................................................... 17
1.1 Структура и основные компоненты волоконно-оптических систем передачи информации ........................................................................................................................................................... 17
1.2 Структуры и технологии изготовления интегральных СВЧ оптических приемников цифровых и аналоговых сигналов .................................................................................................. 19
1.3 Основные способы построения СВЧ оптических приемников .............................................. 25
1.3.1 Простейший оптический приемник и противошумовая коррекция ............................... 25
1.3.2 Типы оптических приемников по способу реализации заданных характеристик ......... 28
1.4 Схемотехнические решения трансимпедансных усилительных каскадов СВЧ ТИУ для высокоскоростных ОПрм................................................................................................................. 31
1.5 СВЧ оптические приемники с противошумовой коррекцией ................................................ 35
1.6 Корректоры и усилительные каскады в СВЧ интегральных оптических приемниках с противошумовой коррекцией .......................................................................................................... 38
1.6.1 Аналоговые пассивные корректоры ................................................................................... 39
1.6.2 Аналоговые активные корректоры ..................................................................................... 41
1.6.3 Распределение функции коррекции спада АЧХ между несколькими усилительными каскадами ТИУ .............................................................................................................................. 43
1.7 Подходы к анализу и проектированию СВЧ трансимпедансных усилителей и оптических приемников ...................................................................................................................................... 48
1.8 Символьный анализ линейных электронных цепей и аналоговых схем .............................. 54 2. Автоматизированный символьный анализ, исследование и методики проектирования интегральных СВЧ трансимпедансных усилителей ......................................................................... 59 2.1 Общий подход к исследованию и проектированию интегральных СВЧ ТИУ на основе автоматизированного символьного анализа .................................................................................. 59
2.2 Построение и исследование моделей интегральных СВЧ транзисторов в виде упрощённых линейных и шумовых эквивалентных схем для символьного анализа ....................................... 62
2.2.1 Выбор упрощённых эквивалентных схем интегральных СВЧ полевых и биполярных транзисторов для символьного анализа ...................................................................................... 63
3
2.2.2 Аналитическая методика экстракции упрощенной линейной ЭС интегрального СВЧ полевого транзистора ................................................................................................................... 71
2.2.3 Построение и исследование упрощённых линейных эквивалентных схем интегральных СВЧ полевых транзисторов на основе отечественной РЧ КМОП технологии ........................................................................................................................................................ 73
2.2.4 Методика, пример построения и исследование масштабируемой модели интегрального СВЧ полевого транзистора на основе отечественной РЧ КМОП технологии в виде упрощенной линейной эквивалентной схемы ................................................................... 76 2.2.5 Оптимизационная методика, пример построения и исследование моделей СВЧ гетеробиполярных транзисторов на базе 250-нм SiGe технологии в виде упрощенной линейной эквивалентной схемы .................................................................................................. 82
2.2.6 Интерактивная методика, пример построения шумовой модели интегрального СВЧ n-МОП транзистора в виде упрощенной эквивалентной схемы ..................................... 84
2.3 Программы и алгоритмы символьного анализа и расчета усилительных каскадов СВЧ ТИУ на основе компьютерной алгебры ......................................................................................... 88 2.4 Автоматизированный символьный анализ, исследование характеристик и расчет усилительного каскада ТИУ по схеме ОИ-ОС с параллельной обратной связью ..................... 98
2.4.1 Автоматизированный символьный анализ усилительного каскада по схеме ОИ-ОС с параллельной обратной связью ................................................................................................... 98
2.4.2 Исследование характеристик СВЧ усилительного каскада ОИ-ОС без ВЧ коррекции ...................................................................................................................................................... 102
2.4.3 Символьный анализ и исследование характеристик СВЧ усилительного каскада ОИ-ОС с параллельной ООС на основе масштабируемой модели транзистора .................. 107
2.4.4 Аналитический расчёт усилительного каскада ОИ-ОС с параллельной ООС для обеспечения максимально-плоских ЧХ трансимпеданса и ГВЗ ..................................... 110
2.4.5 Исследование устойчивости и чувствительности усилительного каскада ОИ-ОС с параллельной ООС ................................................................................................................... 115 2.5 Автоматизированный символьный анализ, исследование характеристик и расчет усилительного каскада ТИУ по схеме КМОП-инвертора с параллельной обратной связью . 120
2.5.1 Автоматизированный символьный анализ усилительного каскада по схеме КМОП-инвертора с параллельной обратной связью ............................................................................ 120
4
2.5.2 Аналитический расчёт усилительного каскада по схеме КМОП-инвертора с параллельной ООС для обеспечения максимально-плоских ЧХ трансимпеданса и ГВЗ . 123
2.5.3 Символьный анализ и расчет усилительного каскада по схеме КМОП-инвертора с учетом ёмкости фотодиода ........................................................................................................ 126
2.5.4 Исследование устойчивости и чувствительности усилительного каскада по схеме КМОП-инвертора с параллельной ООС ................................................................................... 128
2.6 Расчёт широкополосных СВЧ усилительных каскадов для обеспечения частотных характеристик коэффициента усиления с требуемым наклоном ............................................... 131
2.6.1 Общее описание методики ................................................................................................ 131
2.6.2. Расчет СВЧ усилительного каскада по схеме КМОП-инвертора для получения частотных характеристик коэффициента усиления с требуемым наклоном ........................ 133
2.7 Проектирование многокаскадных СВЧ ТИУ с противошумовой коррекцией для оптических приемников ................................................................................................................. 141
2.7.1 Расчетные соотношения и общее описание методики ................................................... 141
2.7.2. Проектирование многокаскадного ТИУ с ПШК на основе КМОП-инверторов ........ 144
2.7.3 Сравнение характерситик трехкаскадного ТИУ с частичной и полной коррекцией АЧХ в первом каскаде ................................................................................................................ 151
2.8 Символьный расчёт схемы однокаскадного ТИУ с ОИ-ОС с ОС на биполярных транзисторах................................................................................................................................... 155
3. Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование интегральных ТИУ на базе кремниевых и GaAs технологий .......................................................................................... 158
3.1 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование комплектов ИС ТИУ на основе SiGe БиКМОП технологии ................................................................................. 159
3.1.1 Однокаскадный ТИУ диапазона DC-30 ГГц на основе 0,25 мкм SiGe БиКМОП технологии .................................................................................................................................. 159
3.1.2 Разработка и экспериментальное исследование ИС трехкаскадного ТИУ диапазона DC-12 ГГц на основе 0,25 мкм SiGe БиКМОП технологии ................................................... 163
3.2 Автоматизированное проектирование комплектов ИС ТИУ на отечественных КМОП и GaAs технологиях ........................................................................................................................... 165
3.2.1 Разработка ИС ТИУ для оптических систем со скоростями передачи данных 2,5 Гбит/с на основе отечественной 180 нм КМОП технологии .................................................. 165
5
3.2.2 Разработка ИС ТИУ для оптических систем с о скоростями передачи данных 12 Гбит/с на основе 90 нм КМОП технологии .......................................................................................... 169
3.2.3 Разработка ИС ТИУ для оптических систем со скоростями передачи данных 5 Гбит/с на основе 0,5 мкм GaAs pHEMT ................................................................................................ 171
3.3 Разработка и экспериментальное исследование оптических приемников на базе кремниевых технологий ................................................................................................................. 176
3.3.1 Экспериментальное исследование гибридного оптического приемника 2,5 Гбит/с на основе 180 нм КМОП технологии ............................................................................................. 176
3.3.2 Экспериментальное исследование интегрального оптического приёмника на основе 0,25 мкм SiGe БиКМОП технологии......................................................................................... 181
3.4 Выводы по разделу ................................................................................................................... 187
Заключение ........................................................................................................................................ 189
Список сокращений ........................................................................................................................... 191
Список литературы ............................................................................................................................ 192
Приложение А. Основные характеристики СВЧ оптических приемников .................................. 207
А.1 Сигнальные характеристики ................................................................................................... 207
А.2 Шумовые характеристики ...................................................................................................... 210
Приложение Б. Схемотехнические решения и достигнутые характеристики зарубежных интегральных СВЧ ТИУ .................................................................................................................... 214 Приложение В. Метод Г.В. Брауде – классический и модифицированный ................................. 222
Приложение Г. Модели активных элементов СВЧ ТИУ ............................................................... 228
Приложение Д. ИС ТИУ для оптических систем со скоростями передачи данных 25 Гбит/с на основе 90 нм РЧ КМОП технологии ................................................................................................ 235
Приложение Е. Свидетельства о регистрации РИД, дипломы, благодарности, удостоверения, акты внедрения и использования ...................................................................................................... 238
