1.25Gb/s直流耦合光突發(fā)模式接收機的設(shè)計

1.25 Gb/s直流耦合光突發(fā)模式接收機的設(shè)計

光突發(fā)模式接收機按照結(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)。但是需要一個差分前置放大器，而且對差分對管的對稱性要求較高。所以在1.25 Gb/s光突發(fā)接收機的設(shè)計中采用了前饋式結(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5個部分。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，和另一路電壓信號一起輸入到限幅放大器的第一級差分放大器。檢波電路包含一個前置差分放大器和有源檢波電路，限幅放大器由兩個差放組成。經(jīng)限幅放大器兩級差放放大后，脈沖信號整形成規(guī)則的數(shù)字信號。在限幅放大器的輸出端連接一個或非門，其目的是消除在接收光突發(fā)信號的間隙段，限幅放大器輸出的尖峰信號的干擾。

圖1 1.25 Gb/s光突發(fā)接收機原理框圖 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
為了對高速的數(shù)字信號作出快速反應(yīng)，前放的模擬帶寬要足夠?qū)?。同時為了擴大動態(tài)范圍，提高穩(wěn)定性，前放采用了負反饋結(jié)構(gòu)[2,5]。但并非帶寬越寬越好。如果只強調(diào)帶寬，除了增加設(shè)計難度和成本外，發(fā)現(xiàn)在增加前放帶寬的情況下，有時其眼圖反而會變差。在設(shè)計仿真過程中采用特征頻率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
峰值檢波電路的差分放大器將來自前放的信號放大后驅(qū)動晶體管對峰值保持電容充電，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的幅度，差放停止充電。與同類接收機相比，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)成一個負反饋環(huán)路，提高了電路的穩(wěn)定性。
1.3 限幅放大器和或非門的設(shè)計
限幅放大器由兩級差分放大器構(gòu)成。接收機對信號幅度的恢復(fù)是在第一級差放完成的，信號幅度恢復(fù)后輸入第二級差放，進一步放大到等幅輸出。由于限幅放大器的輸入端信號在間隙段已經(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(放電過程)，此時在限幅放大器的輸出端將產(chǎn)生一個尖峰脈沖，這樣很容易產(chǎn)生誤碼，為此將限幅放大器輸出信號與脈沖信號(在數(shù)據(jù)段為低電平，在間隙段為高電平)進行或非門邏輯運算，從而消除了光突發(fā)信號間隙段由放電帶來的誤碼。
2 仿真及結(jié)果分析
對接收機電路進行了仿真，并給出了輸入光信號、判決電平、輸出信號波形。輸入光信號見圖3。小信號光脈沖脈寬0.8 ns，比特序列為(111100010011010100001010011)。緊隨其后的是大信號光脈沖，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)，動態(tài)范圍為20 dB，按照響應(yīng)度0.85 A/W計算，相應(yīng)的光電流分別為6 μA和600 μA。

（a）小信號輸出波形 （b）大信號輸出波形 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時，判決電平的建立需要很長時間(圖中為11 ns)，在小信號6 μA時，判決電平的建立時間5 ns。大信號判決電平的建立時間過長，不利于判決。可以減小峰值保持電容，加快充電速度。另外，可以考慮在限幅放大器輸入端加一個延遲單元，來抵消判決電平因建立時間過長而造成的影響。為減少第二個分組信號前幾個比特的丟失率，分組信號間的保護時間為20 ns。
圖4中細實線是限幅放大器反相輸出電壓波形，粗實線為相或信號。相或信號在接收信號為低電平時，在分組信號的間隙為高電平。經(jīng)過或非門，消除了分組信號間隙的尖峰。在圖6中可以看到。這樣光電流從6 μA～600 μA的信號，經(jīng)限幅放大器放大后，輸出幅度0.8 V的等幅電壓信號，脈沖寬度并沒有展寬。