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c m o s 高速光接收机前端放大电路设计 摘要 前端放大电路是光纤传输系统的关键电路之一，足数字光接收机的门户。 过去，大多采用制造费用高的b i p o l a rs i 、b i c m o s 、g a a sh b t 等工艺实现， 但随着c m o s 工艺不断向亚微米和深亚微米方向发展，目前已经可以实现高速 率的电路。本文给出采用c s m c h j0 6 肛m c m o s 工艺设计的6 2 2 m b i t l s 光接收 机前端放大电路。 前端放大电路要处理由光检测器送来的微弱电流脉冲输入信号，在实现信 号电流电压转换的同时并抑制各种可能的噪声，此外，还要有效抑制输入信号 幅度波动并使输出信号幅度保持在一定的稳定值，以驱动后续数据处理电路。 其中，前置放大器电路部分采用电流模跨阻放大器结构，主放大器电路部分采 用限幅放大器结构。电流模跨阻放大器利用共栅放大级良好的电流传递效应和 极低的输入电阻降低了光检测器寄生电容对前置放大器带宽的影响，同时并利 用电压并联负反馈技术稳定共源级增益并依靠增大反馈电阻来降低放大器本身 的等效输入噪声。限幅放大器充分利用s c f l 电流放大器的非线性特性，使限 幅功能直接作用于每个脉冲上以实现限幅特性，并采用全差分共源共栅放大单 元电路结构和级间直接耦合方式抑制交扰，在增大带宽和增益的同时，保持一 定的动态范围。 此次仿真是用s m a r t s p i c e 完成，结果表明，前端放大电路工作在6 2 2 m b i t s 时，采用5 v 单电源，常温下跨阻放大器增益大于6 9 d b q ，带宽大于1 g h z ；限 幅放大器动态范围大于4 0 d b ，功耗低于2 6 0 m w 。 关键词：c m o s跨阻放大器限幅放大器电流模低噪声 i v d e s i g no f c m o s f r o n t - e n da m p l i f y i n gc i r c u rf o ro p t i c a lr e c e i v e r a b s t r a c t f r o n t - e n d a m p l i f y i n gc i r c u i t s a r et h eo n eo fk e yp a r t si n o p t i c a l - f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h ei m p o r to fo p t i c a lr e c e i v e r s p r e v i o u s l y , t h e ya r e r e a l i z e di n b i p o l a r s i l i c o n ，b i c m o s a n dg a a sh b tt e c h n i c sw i t hal a r g e e x p e n d i t u r eo fm o n e y n o wt h ec m o st e c h n i c sc a na c t u a l i z eh i g hs p e e dc i r c u i t s w i t hm a k i n gp r o g r e s si ns u b - m i c r o m e t r ea n dd e e ps u b m i c r o m e t r e t h ed e s i g no f 6 2 2 m b i t sf r o n t e n da m p l i f y i n gc i r c u i tf o ro p t i c a lr e c e i v e rb a s e do nc s m c h j o 6 u mc m o st e c h n i c si ss h o w ni nt h i sp a p e r t h ef r o n t e n dc i r c u i tp r o c e s s e sw e a ki n p u tp u l s es i g n a lf r o mp h o t o n - d i o d e i t c h a n g e sc u r r e n ti n t ov o l t a g e ，r e s t r a i n sm a n yk i n d so fn o i s ea n di n p u ts i g n a l f l u c t u a t i o n ，k e e p so u t p u ts i g n a la m p l i t u d es t a b l e a n dd r i v e sd a t a - p r o c e s s i n g c i r c u i t b e s i d e s ，t h ep r e a m p l i f i e ri sr e a l i z e di nc u r r e n tm o d et r a n s i m p e d a n c eo n e t h em a i na m p l i f i e ri sr e a l i z e di nl i m i t i n go n e t h ec u r r e n tm o d ea m p l i f i e rc a n r e d u c ei n f l u e n c eo ft h ep a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c ef o rb e t t e rt r a n s f e re f f e c ta n dl o w i n p u tr e s i s t a n c ei nc a s c a d ea m p l i f i e r i ta l s od e p r e s se q u i v a l e n ti n p u tn o i s eo f a m p l i f i e rf o rl a r g ef e e d b a c kr e s i s t a n c ei nc o m m o ns o u r c es t a g ea n dk e e pg a i n s t a b l ef o rv o l t a g ep a r a l l e ln e g a t i v ef e e d b a c k a n d ，t h el i m i t i n ga m p l i f i e rc a nk e e p l i m i t i n ge f f e c to ne a c hp u l s ea su s i n gn o n l i n e a rc h a r a c t e ri ns c f lc u r r e n to n e i t a l s oc u td o w nc r o s si n t e r f e r e ，e n h a n c eg a i na n db a n d w i d t h ，k e e pt h ed y n a m i ci n p u t r a n g ef o rf u l ld i f f e r e n t i a lc a s c a d eu n i t t h ec i r c u i ts i m u l a t i o ni sc a r r yo u tb ys m a r t s p i c e w ec o m et oac o n c l u s i o n t h a tt h ec i r c u i tc a nw o r kp r o p e r l yi n6 2 2 m b i t su n d e r5v s i n g l es o u r c ea n dn o r m a l t e m p e r a t u r ew h e ng a i ni sw i t hm o r e6 9 d b o ，b a n d w i d t hw i t hm o r e l g h z ，d y n a m i c i n p u tr a n g ew i t hm o r e4 0 d ba n dd i s s i p a t i o np o w e rw i t hl e s s2 6 0m w k e yw o r d s ：c m o st r a n s i m p e d a n c ea m pl i m i t i n ga m pc u r r e n tm o d e l o wn o i s e v 图2 1 图2 - 2 图2 。3 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 插图清单 光纤通信系统原理框图5 系统电路结构组成模块图5 光接收机系统框图6 低阻前置放大器1 0 高阻前置放大器1 1 简单的高阻前置放大器1 1 跨阻前置放大器1 2 跨阻前置放大器等效电路1 2 简单跨阻放大器1 4 改进的跨阻放大器1 4 高阻前置放大器等效电路1 5 跨阻前置放大器等效电路1 5 检测器和前置放大器输入等效电路1 8 场效应晶体管前置放大器简图2 1 场效应晶体管跨阻放大器2 3 光检测器等效电路2 4 电流模跨阻前置放大器2 5 改进的电流模跨阻前置放大器2 6 典型a g c 放大器系统框图，2 9 单端增益控制放大器2 9 直接改偏置电流的差分增益控制放大器2 9 增益控制放大器3 0 m o s 差分放大器3 1 m o s 差分放大器差模特性曲线3 l 限幅放大器在光纤通信系统时钟恢复电路中的应用3 2 限幅放大器系统框图3 3 c m o s 场效应管放大器输入缓冲3 4 c m o s 场效应管放人器输出缓冲3 4 反馈补偿原理图3 4 基本放大单元3 6 场效应晶体管混合n 等效模型，3 6 交流小信号等效电路3 6 前端放大电路系统设计图3 9 普通跨阻前置放大器3 9 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 一1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 电流模跨阻放大器3 9 单端一双端转换电路4 1 限幅放大器结构框图4 2 宽带放大单元框图4 2 共源共栅差分放大器4 2 输入缓冲电路：4 3 输出缓冲电路4 3 失调电压补偿电路4 4 眼图的一般表述4 4 光检测器等效电路4 7 普通跨阻放大器及电流模放大器幅频特性4 8 普通跨阻放大器对电容的灵敏度4 8 电流模跨阻放大器对电容的灵敏度4 8 单级宽带放大单元幅频曲线4 8 普通跨阻放大器和电流模跨阻放大器的电流噪声4 9 输入信号幅度为4 m v h 时眼图4 9 输入信号幅度为5 0 0 m 时眼圈4 9 x 表格清单 表1 - l0 6 9 r a c s m c m o s f e t 特性参数3 表2 1s t m - n 和o x - c 速率级别定义6 表5 一ls m a r t s p i c e 模型库4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒壁= e 些盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字 蚓签字聃：2 7 年叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金罂至些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金鲤王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 蘑移调 导师签名： 签字日期：z 尹孑车j 晴岁日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 够寸叫 缸r 兰 致谢 本次设计从选题、设计以及最后的论文撰写工作，得到了许多老师和同学 的帮助，在这里我表示衷心的感谢。 首先，要衷心感谢窦建华老师。她对我学习上的帮助和生活上的关心是无 微不至的。尤其在学习上，对我严格要求，是她把我带入通信集成电路设计这 个领域，并创造了良好的学习环境和工作氛围，让我可以安心地学习和工作。 而且从窦老师身上，我看到了她严谨踏实的工作作风以及对每个细节都要求务 必做到尽善尽美的态度。潜移默化，耳濡目染，这是我今后学习和工作最宝贵 的财富。在生活上，她尽力为我解决一些实际困难，还指出我气质和性格上的 一些缺点，督促我改正，希望我在成才的同时成人。良师慈母，不外如是。 其次，要感谢师兄张锋。他在学习和工作中都非常勤奋认真，为我做出了 师兄的表率，在我前期电路仿真阶段给了我很多指导。感谢杨秀丽、杨洋、刘 贺挺等同学。他们在学习和生活中给予我无私支持和帮助，是他们和我一起度 过了生命中最珍贵的一段时光，让我的研究生生活过的更加丰富多采! 在和师 弟师妹的讨论中，我也获益良多，在这里一并表示感谢! 最后，我要衷心感谢我深爱的家人是他们对我生活上的体贴入微才使 得我能够安心的学习，是他们对我多年来的关心与支持才使我得能顺利地完成 学业，是他们对我的鼓励与鞭策成为我工作中最大的推动力。 在此，一并向所有给予我帮助的人再次表示最衷心的感谢! v i 作者：张黎明 2 0 0 7 年5 月l o 日 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，通信和信息交换与日俱增。 为了满足这一需要就必须扩大通信的容量，通信方式从中波、短波发展到微波、 毫米波。根据电磁波通信系统理论，增加载波频率就增加可使用的频带宽度， 从而增加信道传输的信息容量。光波实质上是频率极高的电磁波( 3 1 0 4 舷以 上) ，因此，用光波作为载波进行通信，能极大地扩充通信容量而且是现有通信 方式的数千倍以上。在现有的各种通信手段中，光通信是最有发展前途的通信 方式之一f 1 1 。 光通信是以光作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的一种先进的通信 手段。光纤通信具有以下优点【2 】：( 1 ) 频带宽，通信容量大；( 2 ) 光纤传输损耗低， 适于长途传输；( 3 ) 光纤体积小，重量轻，可绕性强；( 4 ) 输入输出之间电隔离， 能抗电磁干扰，防闪电雷击；( 5 ) 几乎无漏信号和串号，安全可靠，保密性强； ( 6 ) 抗腐蚀，抗酸碱；( 7 ) 节省能源；( 8 ) 资源丰富。鉴于以上突出优点，光纤通 信发展迅猛，不仅成为了2 1 世纪的最新技术，而且必将成为宽带综合业务数字 网( b i s d n ) 的骨干。从这一意义上说，现代光通信已经成为人类进入信息社会 的基石。 由于光纤是一种性能优越的传输媒介，随着电信、数据和多媒体通信业务 的飞速发展，光纤网已经被广泛地应用于速率越来越高的传输系统。目前光纤 传输系统采用同步数字体制，我国骨干光纤传输速率已经达到2 5 g b i t s 、 l o g b i t s 。然而，骨干网与终端用户之间信息的高速传输与交换问题还没有得 到很好地解决。为了解决好所谓的“最后一公里问题”1 3 1 ，人们提出了光纤用 户网概念。光纤用户网是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒介的接入网。 用户光纤化有很多方案，有光纤到路边( f t t c ) 、光纤到小区( f t t c ) 、光纤到办 公室( f t t o ) 、光纤到楼面( f t t f ) ，光纤到家庭( f t t h ) 等。光纤用户网具有带宽 大、速率快、传输距离远、抗干扰能力强等特点，适于多种综合数据业务，是 未来宽带网络的发展方向。 因此，开发满足该需求的网络设备是当务之急。而且，这些系统所采用的 集成电路( 包括放大器、门限判决、时钟提取、分接复接器) 的市场需求也普遍 看好。其中，s t m 4 级别的6 2 2 m b i t s 高速数字光接收机的研制就是为了解决 这一问题的。 在用于光纤传输系统的几个功能模块中，前端放大电路是数字光接收机的 门户，输入信号首先要经过它处理。它具有频带宽、增益高、灵敏度大、噪声 低、时间抖动小、响应速度快、输入动态范围大、失调电压可稳定等特点【4 1 ， 是光纤通信系统中应用模块最广泛的模拟电路之一。 1 2 集成电路设计工艺 在光纤通信系统中，各种半导体材料均可以找到它们的应用领域。在这些 材料中，硅( s i ) 、砷化镓( g a a s ) 、磷化铟( i n p ) 是最基本的、最重要的三类。在 这三种材料的衬底上可以制造出更加复杂的材质系统，生产不同的固态器件和 集成电路。下面对这几类材料的特性和应用予以介绍1 5 l 。 1 硅( s i ) 材料 硅是现代电子器件和计算机工业的基础。在过去的4 0 年问，利用硅作为材 料的很多技术已经得到发展并逐渐成熟起来。它们包括：双极性结型晶体管 ( b a t ) 、结型场效应管( j f e t ) 、p 型、n 型、互补型金属氧化物半导体晶体管 ( p m o s ，n m o s ，c m o s ) 、以及双极性型c m o s ( b i c m o s ) 。 在硅晶圆片直径不断增加的同时( 6 英时，8 英时，1 2 英时) ，一个单片集 成电路所包含的晶体管数目及其工作频率也在不断提高。 由于原材料便宜，生产技术成熟，生产价格低廉，硅集成电路己经成为系 统设计制造的主流。现在9 0 以上的集成电路制造市场都由硅所占据。在硅工 艺中，双极性硅技术可以达到很高的数据信号处理速率。利用0 4 n x x 极性硅 工艺，一个中等规模集成电路的工作速率已经超过了5 0 g b i t s 。以往，高速集 成电路大多采用双极性硅工艺实现，但是随着c m o s 工艺向亚微米和深亚微米 方向发展，其电路工作速率上限已逐渐接近于砷化镓和双极性硅电路的常规工 作速率，利用深亚微米工艺已经可以实现工作速率在g b i t s 以上的电路。 2 砷化镓( g a a s ) 材料和磷化铟( i n p ) 材料 砷化镓以及其它1 1 1 一矿族器件的高频工作特性主要是建立在其优越的高载 流子迁移率、大的漂移速率、以及半绝缘材料特性基础上的。这些特性使载流 子有源区渡越时间大大缩短，对寄生电容的充放电时间大幅减小。除了高速特 性外，砷化镓材料所特有的低电压工作材料特性，使其能够在较低的工作电压 情况下，仍然可以保持较高的载流子迁移速率，从而达到降低功耗的目的。 经过几十年来全世界科学家的努力，砷化镓技术已趋于成熟。基于砷化镓 材料的m e s f e t 和h e m t ，已经广泛应用于微波毫米波领域的放大器和超高速 的数字信号处理电路、混频器等电路的设计中，其工作频率已经超过了1 0 0 g h z 。 此外，由砷化镓材料的直接带隙特性所决定的发光特性，被广泛地用于制 造激光器和光电集成电路，只是砷化镓材料的发光波长在8 5 0 n m 上下，与光纤 通信所用的1 3 a n 和! 5 5 a n 的两个窗口不合，在光纤通信的应用方面受到了限 制。 磷化铟是光纤通信系统中最重要的册一v 族半导体材料之一。除了具有砷 2 化镓材料特性以外，磷化铟材料还适于制作光器件，以及光电集成电路。特别 是i n p 激光电器件的工作波长正好可以覆盖光纤的1 3 p m 和1 5 5 g n 的两个窗口， 成为了光纤通信系统中必不可少的基本元件。 纵观现有工艺，先进的g a a sm e s f e t ，h b t ，h e m t ，b i p o l a r 都因其高性能、 低价格的特点而用于光纤通信接口芯片的设计与制造。近年来，c m o s 工艺向 亚微米和深亚微米工艺发展，其特征频率上限已逐渐接近砷化镓和双极性硅的 特征频率，利用深亚微米工艺已经可以实现工作速率在g b i t s 以上的电路。于 是，本文根据具体需要，利用c m 0 s 工艺来设计用于特定场合的集成电路。 由于硅材料的诸多优点，硅集成电路逐渐成为系统设计制造的主流。对于 双极性硅电路来说，其速率提高的前提是双极性工艺的改进，现在在其工作速 率已经进入到几年前还只有化合物半导体材料( g a a s ) 才能达到的速率领域。例 如，当今用于l o g b i t s 光纤通信接口的所有电路都可以用先进的双极性硅工艺 实现，4 0 g b i t s 的分接器在实验室不需要先进的工艺也可以实现了，同样在无 线通信应用领域双极性硅也得到了广泛地应用。 当今，成为硅半导体主流的c m o s 工艺同样在不断进步。c m o s 工艺成熟， 价格低廉，功耗低，集成度高，广泛应用于模拟与数字集成电路之中。本次设 计采用c s m c 提供的0 6 x m c m o s 工艺参数。 表1 - 10 6 岫c s m cm o s f e t 特性参数 1 3 集成电路设计方法 高速光纤传输系统在信息网络系统中扮演着重要的角色，随着这些系统的 商业化发展，必然需要开发高速率的集成电路来对信号进行放大、门限判决、 时钟提取、分接复接等处理1 6 j 。许多原型实验系统依赖混合集成电路来完成这 些功能，例如，广泛应用于光纤通信系统中的再生中继器，其中宽带模拟和数 字集成电路大多采用混合集成的方式来实现。但是，利用混合集成方式实现的 电路存在着以下问题：电路纹波大、产量低、可靠性差。因此，低价位、高可 靠性的数字传输系统需要利用单片集成电路来实现。 单片集成电路较之混合集成电路有以下优点 7 1 ：所需外部空间小，频率特 性纹波小，环路延迟小，片内连接一般选用直流耦合，电路优化方式采用c a d 软件，方便易用，产量大，可靠性高，尺寸小，功耗低。在实际的高速电路设 计中，单片集成电路所具有的低环路延迟和纹波特性十分关键，因此，设计具 有小尺寸、低功耗、高可靠性、稳定的宽带放大器宜采用单片集成方式。单片 集成的c m o s 集成电路将越来越广泛地应用于高速光纤通信系统的设计之中。 3 1 , 4 本文研究内容 研究采用c m o s 工艺实现一种光接收机前端放大电路。首先，全面系统地 论述光接收机各模块的工作原理，并提出系统设计要求和性能指标悼l ： ( 1 ) 实现工艺：c s m c h j o 6 a n c m o s ( 2 ) 电源电压：5 v 单电源 ( 3 ) 适用系统：s d hs t m 4 ( 6 2 2 m b i t s ) ( 4 ) 输入输出接口：5 0 f 2 阻抗匹配 ( 5 ) 动态范围：4 0 5 0 d b 其次，从理论分析入手并深入研究。通过在增益、带宽、对寄生电容灵敏 度和噪声方面的比较，确定前端放大电路中前置放大器模块的优选电路形式一 一即电流模跨阻放大器。此外，还通过在输入动态范围、时间抖动和失调电压 方面的比较，确定前端放大电路中主放大器模块的优选电路形式一一即限幅放 大器。 再次，采用s m a r t s p i c e 软件对电流模跨阻放大器进行仿真，通过实验结果 去验证优选电路的性能。此外，根据系统要求，设计出实际的限幅放大器电路， 并通过实验结果验证该优选电路的性能。 最后，把光检测器、电流模跨阻放大器和限幅放大器组成系统，在仿真过 程中仔细对电路参数进行优化，使得电路在增益和带宽、动态范围和灵敏度、 阻抗匹配和电压摆幅等方面达到折中，获得满足系统设计要求的结果。 1 5 论文结构 论文总共包括六章。第二章主要介绍并论述光纤通信系统、光接收机的系 统功能；第三章主要介绍前置放大电路的基本类型及其特点，并论述改进的电 流模跨阻放大器的性能特点；第四章介绍主放大电路在光接收机中的应用以及 主要类型，并论述限幅放大器的特点，系统构成及单元电路的特点：第五章给 出前端放大电路的具体设计电路图和仿真结果；第六章对整篇论文的工作做出 总结，并对将来的i 作做出展望。 4 第二章光纤通信系统概述 2 1 引言 j 个功能完整的光纤通信系统【9 1 包括：电端机、光发射机、光纤、中继器 和光接收机；其原理框图如图2 1 所示，仅表示一个方向的传输，反方向的结 构是类似的。图中，电端机作用是对来自信息源的信号进行处理，如数模转换、 多路复用等处理，它是常规的通信设备。光发射机内有光源和调制器，作用是 把电信号变成光信号，已调光信号通过光纤传输至接收端。光接收机内有光检 测器如光电二极管，把来自光纤的光信号还原成电信号，经过放大、整形、再 生后输入到电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统，需要有中继器，作 用是把经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经过放大和整形、再生成高 强度低失真度光信号，继续传送，以保证良好的通信质量。 鼢专五廿监嘲 光纤光纤 图2 - 2 系统电路结构组成模块图 2 2 同步数字体系 任何一种有效的通信都必须是借助于某种媒介，并通过某种信道按照事先 的约定进行信息交换。世界范围内的约定必定是以国际标准或协议的形式出现。 如果把媒介和信道看成通信的硬件，那么相关的标准或协议就是通信系统中最 重要的软件。在光纤通信系统的标准或协议中，具有代表性的有：准同步数字 体系( p d h ) 、光纤数字分布接口( f d d i ) 、异步传输模式( a t m ) 和同步数字体系 s d h 等【i l 】。 随着光纤通信的发展，作为数字光纤传输系统标准的同步数字体系 ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，得到越来越广泛的应用。s d h 系统用作干线通 信已经成为世界各国发展的趋势。c c i t t 中定义了一系列s d h 的基本速率， 其中最基本的传输速率为s t m l ，它的比特率是1 5 5 。5 2 m b i t s ，更商速率的 s t m n 信号是通过n 个s t m - 1 的字节交错获得的。由c c i t t 标准化了的n 值 有1 ，4 ，1 6 ，3 2 等l l “。表2 一l 给出了i t u t 建议g 7 0 7 所规范的s d h 接口速率 标准。为了便于比较，同时也给出了美国国家标准( a n s i ) 所规定的s o n e t 接口 速率标准。从表中可以看出，跏r 的基本模块是比特率为5 1 8 4 m b i t s 的 o c 1 ，原因是d s 3 ( 数字信号速率等级) 比特率( 4 5 m b i t s ) 在北美地区广泛使用。 此外，s o n e t 允许更多的比特率，其中，o c 3 、o c 1 2 、o c - 4 8 、o c 1 9 2 的比 特率与s t m l 、s t m 4 、s t m 1 6 、s t m - 6 4 的比特率相一致。 表2 - 1s t m - n 和o x - c 速率级别定义 2 3 光接收机简介 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光纤传输衰减和畸 变后的微弱光脉冲信号通过光电变换变为电脉冲信号，再经过放大、均衡和定 时再生还原为与发射端相一致的数字电脉冲信号。它的性能指标是整个光纤通 信系统性能指标的综合体现。因此，从这个意义上来说，光接收机的设计更加 复杂、更加重要。图2 3 给出了一个光接收机的简单系统框图 1 3 1 。 f4 1 黧遵 图2 - 3 光接收机系统框图 6 一个完整的光接收机包括：一个p d ( 光检测器或光电二极管) ，一个前置 放大器，一个有着均衡和滤波特性的主放大器，一个时钟恢复电路，一个数据 判决电路，以及数据处理如分接电路等“。 光检测器是光电转换器件，作用是把接收到的光信号转变为电流信号，对 光检测器的基本要求是高转换效率、低附加噪声和快速响应。再经历光纤衰减 后，信号达到接收端时已经很微弱，光检测器所产生的光电流也非常微弱 ( ，z 4 脚) ，如果此时采用一般的放大器进行放大，由于放大器本身会引入噪声， 那么后一级放大器必然会将前一级放大器所引入的噪声进行再放大，因此，信 噪比是不会得到明显改善的【l 引。为了解决上述问题，系统需要一个低噪声、高 增益的前置放大器对信号进行放大。所以，前置放大器是数字光接收机的关键 部分，它应该与光检测器有最佳的匹配，以得到尽可能大的输出信噪比，同时 具有将电流信号转换成电压信号的能力。 为了与光检测器达到良好的匹配，并获得较低的噪声和较大的带宽，前置 放大器的增益不能太高。其输出电压范围大约为几至几十毫伏。由于后续的时 钟恢复和数据判决电路的理想输入电压范围大约为几百至一点几伏，这中间就 需要有可进一步获得4 0 5 0 d b 增益的主放大器，任务是把前端输出的毫伏级信 号放大到后面信号处理电路所需的电平。 经主放大器放大后的数据信号需要被重新定时，并进行幅度判决，从而实 现数据的再生。再经过分接器来降低数据的比特率，供后续信号处理电路使用。 2 4 光接收机性能指标 如前所述，光接收机的技术指标是整个数字光纤通信系统技术性能指标的 综合体现。所以，我们在设计光接收机时，需要考虑以下几点因素：灵敏度、 动态范围、响应时间、比特率的透明度等 1 6 1 。 接收机不是对任何微弱信号都能实现正确接收的，这是因为信号在传输、 检测以及放大的过程中总会受到各种各样的干扰，并且不可避免的要引入一些 噪声。其中，来自于自然环境或空间的无线电波以及周围的电气设备所产生的 电磁干扰，可以通过屏蔽等方式加以减弱或防止的，但是，随机噪声是接收机 内部产生的，是信号在检测、放大过程中引进的i l 。人们只能通过电路设计和 工艺选择的方法尽量减少它，却不能完全消除它。虽然放大器的增益可以做到 足够大，但是，在微弱信号被放大的同时，噪声也将被放大，当接收信号太弱 时，信号将被噪声所淹没，因此，设计光接收机时存在灵敏度的问题。 接收机的灵敏度是指在达到规定的误码率条件下，接收机正常工作所需的 最小入射光功率，一般认为这是最小可接受的平均光功率。灵敏度与光接收机 的内部噪声密切相关，它是实现中继器之间最大可延伸距离的关键因素；特别 是对于海底光缆，需要尽量减少链路中继器的数目( 这些中继器将放置在深海 中，维修十分困难) 。 7 接收机的动态范围是指最大允许输入光功率与最小可检测光功率的比值， 也是影响接收机设计的另一个重要因素，决定了系统配置的灵活性和方便性。 如果具有较大的动态范围，接收机就可以用于不同工作状态的中继器中。接收 机输入端最小允许的光功率由接收机的灵敏度决定。在实际系统中，接收机可 能是工作在最小检测功率下，也可能工作在大输入光功率下。接收机需要承受 较大的输入光功率变化的情况包括i i8 j ：中继器之间距离的变化，光纤损耗，连 接和分接损耗的变化，发射机的输出功率随温度的改变而变化等等。随着输入 光功率的增加，输入信噪比提高，接收机的误码率将会降低。这种情况会一直 持续下去直至发生饱和或过载，此时，由于码间干扰使得输出波形变坏，误码 率增加。接收机最大允许输入光功率的定义为误码率从理想值开始变坏时的输 入值。事实上，当输入大功率时，动态范围可能包括放大器的一部分非线性区 域。而这种非线性工作状态是很难预测的，并且不具有重复性。所以，接收机 最大允许输入光功率可定义为放大器输出波形开始变坏时的功率值( 即现行工 作区的结束) 。因此，接收机动态范围是由放大器的负载电阻或反馈电阻的函数 ( 由放大器的组态) 决定，当负载电阻( 反馈电阻也可看作负载电阻) 减小时，最 大允许输入光功率增加，即动态范围增加。但是，负载电阻的减小会引起噪声 的增加，导致灵敏度的降低。这样，在设计高性能的接收机时，灵敏度和动态 范围之间需要有一个折中。 比特率的透明度是指接收机可以在一定的比特率范围内正常工作。此时， 比特模式的独立性，使得接收机可以不必工作在特定的码型之上( 比特变化率、 平均直流电平) 。 响应时间是指对于接收机从空闲状态到接收突发输入数据之后的稳定状态 所需的时间，这在点到点连接和局域网中应用较为广泛，在这里我们希望接收 机能够对突发输入数据有快速的响应，使输入码流前的序列尽可能的短，从而 提高传输的效率【悖l 。 此外，功耗、可靠性、尺寸和性价比也是设计光接收机的重要因素；所以， 我们设计的光接收机前端放大电路需要综合考虑各种因素，使接收机的性能达 到最优。 第三章前置放大电路概述 3 1 引言 数字光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其技术性能指标是整个通 信系统技术性能指标的综合体现。在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最 小的附加噪声和失真，将经过光纤传输后衰减和畸变的微弱光脉冲信号通过光 电转换变为电脉冲信号，加以放大、均衡与定时再生后还原为与发送端相一致 的数字电脉冲信号。因此，一个高性能的数字光接收机应该具有尽可能大的灵 敏度，以适应长距离中继传输的要求。 如果不考虑来自光检测器自身的量子噪声和其他因素的影响，数字光接收 机的灵敏度主要由前端电路即前置放大器所决定。因此，研究数字光接收机前 置放大器电路，设计出一个低噪声的前置放大器是设计光接收机的关键。 作为光接收机的关键部分，前端放大电路的性能在很大程度上决定了整个 接收机的性能。它要求与光检测器相匹配，从而获得高输出信噪比。将来自p j 型或者雪崩二极管( a p d ) 的电流脉冲信号放大输出并转换成一定的电压脉冲信 号。因为，信号到达接收端时通常很微弱，如果采用一般的放大器进行放大， 放大器本身会引入较高的噪声，后一级放大器将对前级放大器输出的信号和 噪声一并进行放大，因此，信噪比不会得到改善。为了克服上述问题，系统需 要一个低噪声、高增益的前置放大器，以获得较高的输出信噪比。因此，前置 放大器的作用可以概括为1 2 0 1 ： ( 1 ) 将电流信号转变为电压信号； ( 2 ) 提供一个较大的放大倍数； ( 3 ) 引入相对较小的噪声； ( 4 ) 提供合适的传输函数。 研究光接收机的前置放大器需要注意以下几点【2 l l ：( 1 ) 尽量减小等效输入噪 声电流，以提高灵敏度；( 2 ) 带宽与信号速率相适应；( 3 ) 产生足够大的增益，以 克服后续电路的噪声影响。这三个要求是相互矛盾和相互影响的，带宽的增加 将导致噪声的增加和增益的下降。此外，当温度变化时放大器应保持增益、带 宽和灵敏度的稳定。输入阻抗要足够的小，以避免光检测器寄生电容对带宽的 影响。 3 2 前置放大器类型 数字光接收机的前置放大器类型主要有低阻放大器、高阻放大器和跨阻放 大器三种，以下分别加以论述。 9 3 2 1 低阻放大器 低阻放大器是一种最基本的放大电路，具有如图3 1 所示相对简单的结构。 图3 一l 低阻前置放大器 这里，检测光电流通过电阻最后产生信号电压，然后对电压进行放大。输 出电压范围是电阻风和放大器增益4 的函数。如果放大器的噪声相对较低，则 该前置放大器的低值电阻兄将是产生放大器噪声的主要因素。随着岛电阻值的 增大，噪声电流将减小，但是频率响应会变差。带宽受第一级放大器的等效输 入电阻砰和等效输入电容g 的限制，即： 以2 丽1 万0 1 ) 从上式可见，要使放大器具有较大的带宽，就必须使它的时间常数墨g 变 小。如果g 保持不变，就得通过减小岛( 毛) 来减小时间常数，但这样做会引起 放大器噪声的增加。为了获得大的带宽，民值通常取值较小( 5 0 q 或7 5 f ) ，一 般选用5 0 q 的低电阻接在前置放大器的输入端。这种类型的前端电路较适合于 p d 和前置放大器混合集成电路中。在这种情况下，传输线将被用于连接两个 器件，5 0 q 的电阻能够与传输线保持较好的匹配，以减小放大器引起的反射。 但是，其不足之处是最大增益只能从传输线至放大器间获得，而不能从p d 至 传输线间获得，整个增益远远低于高阻放大器，而且其噪声性能也不理想。 低阻放大器的特点是结构简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较 大。它的基本要求是选择合适的检测器负载电阻且与放大器输入电容c ，使其 组合的时间常数充分的小，以便恢复原脉冲波形。缺点是噪声较大，灵敏度较 低。 因此，它很少应用在高速光纤通信系统中，接下来所要介绍的放大器都是 经常运用于实际系统的类型。 3 2 2 高阻放大器 高阻放大器的灵敏度是所有类型中最大的一个。它的输入阻抗非常高 ( 1 l o m o ) ，热噪声非常小。这类前置放大器曾较早用于低比特率的光接收系 统中，它是建立在获得最大增益理论基础上的2 2 1 。这是因为高内阻受控电流信 号源，需要和一个高负载电阻相匹配以获得最大增益。其电路的结构如图3 2 所示。 l o 图3 - 2 高阻前置放大器 高阻放大器，由于输入阻抗较大，故一般可不考虑它对噪声水平的贡献， 所以，它可以提供较低的噪声，有着最高检测灵敏度。 但是，高阻放大器输入阻抗高会使输入电路时间常数变得较大，这限制了 频率响应，因此带宽较窄。由于时间常数较大，高阻放大器可以看作是对检测 信号的积分，所以，此时的高阻放大器可以作为一个积分型前端电路，故当信 号速率提高时，信号脉冲会产生严重的失真。为了使输出波形更有利于定时判 决，此时需要采取频率补偿技术，即通常采用均衡网络，将放大器的极点与均 衡网络的零点相匹配，对频率特性进行补偿，使接收机的带宽扩展至所需的值； 所以，这就增加了接收机设计的复杂度。而且，放大器的极点很可能随着系统 工作点的变化而发生改变，如果此时不采取零极点补偿措施，任何零极点的不 匹配都将会引起接收机灵敏度的显著下降。高阻放大器另一个主要缺点是由于 高输入阻抗使得它的动态范围受到了很大的限制。另外，由于存在对较长的连 0 或连1 的积分效应，这将导致其基线偏离效应十分明显。因此，只有采用较 好的线性编码才可以解决这一问题。 当用场效应管进行高阻前置放大器设计时，为了获得高输入阻抗，通常采 用一个共源m o s f e t 电路，如图3 3 所示。阿7 1 的输入电阻通常取值非常大， 因为b 是提供到地的直流通道，所以，它的阻值也可以取值非常大。这样，栅 极偏置电阻r 。和m o s f e t 输入电阻的旁路作用以及噪声干扰都可以被忽略。由 于，作用在m o s f e t 栅极上的噪声是由光检测器和偏置电阻提供，故此时噪声 仅仅由m o s f e t 的沟道电阻引起，因此，该类型前置放大器具有较低的噪声水 平。 图3 - 3 简单的高阻前置放大器 如果在电路中采用大偏置电阻兄，那么该高阻放大器与低阻放大器相比， 此时，高阻放大器在低码率工作时所引入的放大器噪声要小于低阻放大器。但 是，高阻放大器的噪声随着工作速率的提高而增大的变化率要比低阻放大器大 的多。所以，该类型的高阻放大器不适宜用在高速场合。 3 2 3 跨阻放大器 虽然使用高阻前置放大器能够达到使放大器的噪声最小目标，但是目前它 仍存在着两个局限性1 2 3 1 ：( 1 ) 高输入阻抗使得放大器带宽减小了，尤其是在宽带 场合应用时，必须进行均衡。( 2 ) 动态范围非常有限。 为了解决这一矛盾，我们可以采用并联高阻抗负反馈放大器，即跨阻放大 器的形式，其电路结构如图3 - 4 所示。 图3 4 跨阻前置放大器 这种放大器实际上就是一种通过反馈电阻r ，给放大器输入端提供负反馈 的高增益高阻放大器。该设计方法既具备了低噪声的优点又有大带宽和大动态 范围的特点。 跨阻放大器电路原理可以等效为图3 5 所示的电路，其中，。为光检测器等 效电流源，岛为放大器等效输入电阻，g 为放大器等效输入电容，彳为理想放 大器，r ，为反馈电阻。 图3 - 5 跨阻前置放大器等效电路 跨阻放大器的电流电压传递函数为： = 鬻= 一彳一4 i+a+1+jcoc,ri r 。 + 一1 + j a k 7 , r ，r b , ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，4 为放大器的中频电压增益，一般a 1 ，a r i l 如，因此 上式可化简为： 日( 国) = 一a r ， 瓦a + j 缸m 1 + j c o c , r f 彳