随着多媒体应用和云计算需求的不断增长，高速通信的传输速率提升变得越来越迫切。然而，传统的铜基链路不再适合高速通信。与铜互连相比，光互连具有良好的稳定性、高能效、低损耗和宽频带等优点，是一种更经济合理的通信方案并被广泛用于数据中心。跨阻放大器（TIA）是高速光通信电路的核心模块，它对整个光接收系统的噪声、灵敏度和带宽性能起着决定性的作用。为了扩大TIA的带宽，人们提出了各种各样的电路设计，包括共栅级（CG）、可调节共源共栅级（RGC）和并联电阻反馈结构。TIA设计的最大挑战来自于光电探测器（PD）的大寄生电容，这限制了带宽和噪声性能。CG或RGC TIA是一种降低输入电阻从而提高带宽性能的有效方法，但由于有源反馈级的存在，它往往会消耗更多的功率和引入更多的噪声。基于反相器的电阻反馈TIA是更一种合理的方案，因为它可以在不消耗大功耗的情况下获得足够的带宽。但是核心放大器所需要的高电压增益会导致输入电容过大，包括栅极电容Cgg和密勒等效电容（1 + Av）Cgd，反之，电压增益过小则会导致等效输入电阻过大，这是当前电阻反馈型TIA面临的设计瓶颈。

近日，南方科技大学潘权教授课题组提出了一种基于反相器的共源共栅电阻反馈型TIA，在不增大功耗的前提下，实现了进一步降低输入等效阻抗的同时减小密勒等效电容, 因此获得了更高的带宽表现，而输入等效噪声电流也得到了改善。此外，该设计还采用了串联电感峰化和负电容补偿等多种技术手段用于提高电路带宽，再进一步提升了电路的传输速率。他们在该工作中详尽地分析了基于反相器的共源共栅型TIA的带宽和噪声，仿真结果表明，与传统的基于反相器的TIA相比，相同跨阻增益下，所提出的基于反相器的共源共栅型TIA可以获得8.5倍的带宽提升，等效输入噪声低至4.5 pA/√Hz，该设计使用TSMC 65 nm工艺进行流片测试验证，在58 dB?的跨阻增益下，测试所得的带宽为12.7 GHz，数据传输速率达到20 Gbps。

本工作提出了一种新型基于反相器的共源共栅型TIA架构，突破了传统的电阻反馈型TIA设计瓶颈，有效提高了TIA的带宽增益积。

图1. 提出的TIA原理图。

图2. 并联电阻反馈TIA。(a) 传统的基于反相器的TIA，(b) 提出的基于反相器的共源共栅型TIA，(c) 传统的基于反相器的TIA和提出的基于反相器的共源共栅型TIA的电压增益对比。

A 58-dB? 20-Gb/s inverter-based cascode transimpedance amplifier for opticalcommunications

Quan Pan, Xiongshi Luo

J. Semicond. 2022, 43(1): 012401

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/012401

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/1/012401