基于gm/Id方法的跨阻放大器设计

林佳辉，蒋 湘

(1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.烽火通信科技股份有限公司，武汉 430073)

0 引 言

跨阻放大器(Transimpedance Amplifier ,TIA)作为光接收机的核心模块,主要应用于光纤数据接收器的前端。连接光电二极管大电容对TIA的带宽和噪声性能影响严重。如果噪声过大，光接收机输出的眼图会出现畸变，这将导致后面的判决电路不能准确判断电平。而带宽不够则会导致码间减幅振荡加重。因此设计低噪声高增益带宽的TIA尤为重要。共基极结构[1]有较大带宽但噪声较大；交叉耦合结构[2]虽具有良好的噪声性能，但功耗较大。所以需要综合考虑设计指标与电路结构来设计整体电路才能实现较好性能。但晶体管沟道变小使刻画噪声、带宽、增益和功耗等性能指标的数学模型越来越困难。传统平方律模型的限制主要是它无法解决二阶效应[3](即沟道长度调制和漏极引起的势垒降低)，这导致设计人员对不同电路参数失去了直观的了解。随着晶体管长度减小到纳米级尺寸，研究这些二阶效应变得更加重要。因此，必须使用其他方法来刻画纳米级晶体管模型。而gm/Id方法则将各个性能指标折中考虑，实现了电路整体性能的优化。

文章使用gm/Id方法来设计基于反相器结构的TIA电路。首先用该方法建立晶体管不同性能参数与晶体管尺寸的关系，然后分析晶体管性能参数与电路所需指标之间的关系，最后确定晶体管尺寸以达到所需指标。

1 gm/Id方法

gm为晶体管跨导，Id为晶体管漏端电流，gm/Id即为晶体管跨导与漏端电流的比值，其表示单位电流的跨导转换效率，其将直流工作电流、跨导和特征频率等变量与电路的带宽、增益和功耗等性能参数联系了起来。……