1.25Gb/s直流耦合光突發(fā)模式接收機(jī)的設(shè)計(jì)

1.25 Gb/s直流耦合光突發(fā)模式接收機(jī)的設(shè)計(jì)

光突發(fā)模式接收機(jī)按照結(jié)構(gòu)可以分為反饋式和前饋式兩種[1,2]。反饋式由于含有一個(gè)反饋環(huán)路，穩(wěn)定性要好于前饋式結(jié)構(gòu)。但是需要一個(gè)差分前置放大器，而且對(duì)差分對(duì)管的對(duì)稱性要求較高。所以在1.25 Gb/s光突發(fā)接收機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了前饋式結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中得知該電路主要由：光電二極管、寬帶直流耦合前置放大器、自適應(yīng)快速檢波單元、限幅放大器和或非門(mén)5個(gè)部分。光電二極管與前置放大器連接，光電流經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后分成兩路[3,4]，一路經(jīng)快速自適應(yīng)檢波后，經(jīng)電阻分壓取其一半作為判決電平，和另一路電壓信號(hào)一起輸入到限幅放大器的第一級(jí)差分放大器。檢波電路包含一個(gè)前置差分放大器和有源檢波電路，限幅放大器由兩個(gè)差放組成。經(jīng)限幅放大器兩級(jí)差放放大后，脈沖信號(hào)整形成規(guī)則的數(shù)字信號(hào)。在限幅放大器的輸出端連接一個(gè)或非門(mén)，其目的是消除在接收光突發(fā)信號(hào)的間隙段，限幅放大器輸出的尖峰信號(hào)的干擾。

圖1 1.25 Gb/s光突發(fā)接收機(jī)原理框圖 圖2 直流耦合前置放大器電路

1.1 直流耦合前置放大器的設(shè)計(jì)
為了對(duì)高速的數(shù)字信號(hào)作出快速反應(yīng)，前放的模擬帶寬要足夠?qū)挕Ｍ瑫r(shí)為了擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，提高穩(wěn)定性，前放采用了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)[2,5]。但并非帶寬越寬越好。如果只強(qiáng)調(diào)帶寬，除了增加設(shè)計(jì)難度和成本外，發(fā)現(xiàn)在增加前放帶寬的情況下，有時(shí)其眼圖反而會(huì)變差。在設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中采用特征頻率fT=25 GHz和fT=14 GHz的塑封雙極晶體管，按照可獲得的最大帶寬為特征頻率14 GHz的1/5典型值計(jì)算，模擬帶寬為2.8 GHz左右，仿真結(jié)果為2 GHz，跨阻抗增益為67 dBΩ，如圖2所示。

1.2 峰值檢波單元電路設(shè)計(jì)
峰值檢波電路的差分放大器將來(lái)自前放的信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)晶體管對(duì)峰值保持電容充電，檢波得到的電壓反饋到差放的另一輸入端，直到檢波電壓等于信號(hào)的幅度，差放停止充電。與同類接收機(jī)相比，在快速峰值檢波電路的前置差分放大器輸出端接一個(gè)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有效地提高了充電速度，而且將檢波輸出端連接到其前置差分放大器的反相端，構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，提高了電路的穩(wěn)定性。
1.3 限幅放大器和或非門(mén)的設(shè)計(jì)
限幅放大器由兩級(jí)差分放大器構(gòu)成。接收機(jī)對(duì)信號(hào)幅度的恢復(fù)是在第一級(jí)差放完成的，信號(hào)幅度恢復(fù)后輸入第二級(jí)差放，進(jìn)一步放大到等幅輸出。由于限幅放大器的輸入端信號(hào)在間隙段已經(jīng)歸零，而由快速峰值檢波電路得到的判決電平輸入則是在緩慢歸零(放電過(guò)程)，此時(shí)在限幅放大器的輸出端將產(chǎn)生一個(gè)尖峰脈沖，這樣很容易產(chǎn)生誤碼，為此將限幅放大器輸出信號(hào)與脈沖信號(hào)(在數(shù)據(jù)段為低電平，在間隙段為高電平)進(jìn)行或非門(mén)邏輯運(yùn)算，從而消除了光突發(fā)信號(hào)間隙段由放電帶來(lái)的誤碼。
2 仿真及結(jié)果分析
對(duì)接收機(jī)電路進(jìn)行了仿真，并給出了輸入光信號(hào)、判決電平、輸出信號(hào)波形。輸入光信號(hào)見(jiàn)圖3。小信號(hào)光脈沖脈寬0.8 ns，比特序列為(111100010011010100001010011)。緊隨其后的是大信號(hào)光脈沖，比特序列為(10011010100001010011)。光電二極管響應(yīng)度0.85 A/W，由圖3可看出最小可接收光功率?24 dBm(平均光功率)，最大可接收光功率?4 dBm(平均光功率)，動(dòng)態(tài)范圍為20 dB，按照響應(yīng)度0.85 A/W計(jì)算，相應(yīng)的光電流分別為6 μA和600 μA。

（a）小信號(hào)輸出波形 （b）大信號(hào)輸出波形 圖5 檢波電路輸出波形

圖5是檢波輸出波形。從圖中看出在大信號(hào)時(shí)，判決電平的建立需要很長(zhǎng)時(shí)間(圖中為11 ns)，在小信號(hào)6 μA時(shí)，判決電平的建立時(shí)間5 ns。大信號(hào)判決電平的建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于判決?？梢詼p小峰值保持電容，加快充電速度。另外，可以考慮在限幅放大器輸入端加一個(gè)延遲單元，來(lái)抵消判決電平因建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的影響。為減少第二個(gè)分組信號(hào)前幾個(gè)比特的丟失率，分組信號(hào)間的保護(hù)時(shí)間為20 ns。
圖4中細(xì)實(shí)線是限幅放大器反相輸出電壓波形，粗實(shí)線為相或信號(hào)。相或信號(hào)在接收信號(hào)為低電平時(shí)，在分組信號(hào)的間隙為高電平。經(jīng)過(guò)或非門(mén)，消除了分組信號(hào)間隙的尖峰。在圖6中可以看到。這樣光電流從6 μA～600 μA的信號(hào)，經(jīng)限幅放大器放大后，輸出幅度0.8 V的等幅電壓信號(hào)，脈沖寬度并沒(méi)有展寬。