基于光纖通信系統(tǒng)的光接收機(jī)前端電路的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、1 本科畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計（論文）（論文） 題題 目目 基于光纖通信系統(tǒng)的光接收機(jī)前端電基于光纖通信系統(tǒng)的光接收機(jī)前端電 路的設(shè)計路的設(shè)計 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 原原 創(chuàng)創(chuàng) 性性 聲聲 明明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究成果。除了文中 特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成 果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確 的說明并表示了謝意。 簽 名： 日 期： 本論文使用授權(quán)說明本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解南通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；

2、學(xué)校可以公布論文的全部 或部分內(nèi)容。 （保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 摘摘 要要 隨著通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光纖通信由于其頻帶寬、容量大、損耗低、抗輻射 等諸多優(yōu)點(diǎn)成為高速通信系統(tǒng)研究熱點(diǎn)。光接收機(jī)在整個光纖通信系統(tǒng)中占有重要地位， 而前置放大器和限幅放大器是構(gòu)成光接收機(jī)的兩個關(guān)鍵電路，所以它們的性能在很大程 度上決定了光接收機(jī)甚至是光纖通信系統(tǒng)的性能。 為了設(shè)計一個滿足性能要求、結(jié)構(gòu)簡單的光接收機(jī)，我們對前置放大器和限幅放大 器進(jìn)行了詳細(xì)的分析設(shè)計，利用電路仿真軟件 pspice 對跨阻型前

3、置放大器進(jìn)行了直流分 析、交流分析和溫度分析等。也對限幅放大器進(jìn)行了單元電路的設(shè)計與仿真。通過對兩 種電路的分析設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了高增益大帶寬的放大目標(biāo)，可以最大地消除寄生參量的影響， 減小混合電路的組裝環(huán)節(jié)，使集成電路的速度性能和可靠性得到顯著的提高。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：光接收機(jī)，前端放大電路，前置放大器，限幅放大器 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 abstract with the rapid development of communication technology industry, optical fiber communication have become the high-speed

4、 communications systems research focus because of its frequency bandwidth, large capacity, low loss, anti-radiation, and many other advantages. optical receiver plays an important role in the optical communication systems, and the preamplifier and limiting amplifier is the two key circuits which con

5、stitute the optical receiver, so their performance largely determines the performance of the optical receiver and even the optical fiber communication systems. in order to design an optical receiver which meets the performance requirements and has a simple structure, we analyze and design the preamp

6、lifier and limiting amplifier in detail, and we use the circuit simulation software pspice for transimpedance type preamplifiers dc analysis, ac analysis and temperature analysis. we also design and simulate unit circuit of limiting amplifier. through the analysis of the two circuit design, we achie

7、ve the amplified target of high gain and large bandwidth, it can eliminate the effects of parasitic parameters largely and reduce the assembly of hybrid circuits, so the speed performance and reliability of integrated circuits can be improved significantly. keywords: optical receiver, front-end ampl

8、ifier, preamplifier, limiting amplifier 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 目目 錄錄 摘 要.1 abstract.2 第一章 緒 論.2 1.1 課題背景.5 1.2 課題的目的和意義.6 1.3 光接收機(jī)概述及其性能指標(biāo).6 1.3.1 信噪比.2 1.3.2 誤碼率.8 1.3.3 靈敏度.2 1.3.4 動態(tài)范圍.2 1.4 論文組織.9 第二章 前置放大電路分析與設(shè)計.10 2.1 前置放大器概述.10 2.2 前置放大器類型.10 2.2.1 低阻型前置放大器.10 2.2.2 高阻型前置放大器.11 2.2.3 跨阻型前置放大器.12 2.3

9、跨阻型前置放大器的 pspice 仿真.13 第三章 限幅放大電路分析.2 3.1 主放大器概述.2 3.2 主放大器類型選擇.2 3.3 電路系統(tǒng)設(shè)計.16 3.3.1 電路總體框圖設(shè)計.16 3.3.2 電路性能指標(biāo)要求.2 3.4 單元電路設(shè)計與仿真.2 3.4.1 偏置電路.2 3.4.2 使能控制電路.19 第四章 總 結(jié).22 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 參考文獻(xiàn).23 致 謝.24 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 課題背景課題背景 可靠地實(shí)現(xiàn)信息傳輸容量和傳輸距離的最大化是通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)。對 載波調(diào)制的頻帶寬度決定了通信系統(tǒng)的傳輸容量

10、，頻帶寬度是隨著載波頻率的增高而變 寬。在通信技術(shù)發(fā)展的過程中，載波頻率不斷地提高，同時傳輸容量也不斷增加。光纖 通信的載波是光波，它是通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳輸?shù)?。光纖通信在現(xiàn)有通信手段中是非常 有發(fā)展前途的。 在光纖通信系統(tǒng)中，光波頻率要比電波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖，它的 損耗比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多1。因此相比較于電纜通信或微波通信，光纖通信 具有許多優(yōu)點(diǎn):(1)容許頻帶很寬，傳輸容量很大;(2)損耗很小，可傳輸?shù)木嚯x很長并且 誤碼率很小;(3)重量相比較而言很輕，體積也相對較小;(4)對電磁干擾有很好的抗性;(5)能 很好地對傳輸信息進(jìn)行保密;(6)對金屬材料的使用率很高，

11、有利于資源合理使用1。由于 以上的優(yōu)點(diǎn)，光纖通信在信息社會中將發(fā)揮越來越重要的作用，它也被認(rèn)為是影響 21 世 紀(jì)的最新技術(shù)。 完整的光纖通信系統(tǒng)如圖 1.1 所示，復(fù)接器作用是按照某種編碼規(guī)則將接收到數(shù)據(jù) 速率比較低的并行信號轉(zhuǎn)化成高速串行數(shù)據(jù)，從而提高光纖通信容量的利用率；激光驅(qū) 動器是通過產(chǎn)生高強(qiáng)度的電壓和電流來將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后將光信號送入光纖 進(jìn)行傳輸；光電檢測二極管將光脈沖信號轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號；前置放大器的作用是 將從光電二極管得到的微弱的電流放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號；限幅放大器將從前置放大器 接收到的較小且不穩(wěn)定的電壓信號進(jìn)行放大，使電壓信號到達(dá)穩(wěn)定的幅值并且可滿足后 續(xù)

12、時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路要求6；前置放大器和限幅放大器被合稱為前端放大電路，也就是本 文的主要設(shè)計任務(wù)；時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路將時鐘信號提取出來后進(jìn)行數(shù)據(jù)的再生；分接器 的作用是解串恢復(fù)出來的數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)還原為多路并行數(shù)據(jù)4。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 復(fù)接器激光驅(qū)動器光電二極管 光檢測器判決電路 時鐘回復(fù) 分接器 前置放 大器 限幅放 大器 光信號 前端放大電路 時鐘恢復(fù)電路 圖 1.1 完整的光纖通信系統(tǒng) 1.2 課題的目的和意義課題的目的和意義 光接收機(jī)作為光纖通信系統(tǒng)的主要器件廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，例如光纖通信、光 盤系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)等領(lǐng)域2。我們把在一個襯底上集成具有多種功能的光器件

13、、電子 器件和光電轉(zhuǎn)換器件所形成的電路稱為光電集成電路12。光電集成電路能使寄生參量對 集成電路的影響降到最低，也能使混合電路的組裝簡單化，減少其組裝環(huán)節(jié)，它同時還 能顯著地提高集成電路的速度性能和可靠性。光電集成電路在集成電路行業(yè)具有很強(qiáng)的 競爭力，是因為光電集成的體積小、成品率高、裝配容易，并且其成本低，性價比很高， 所以光電集成電路被廣泛地應(yīng)用。 光接收機(jī)前端放大電路的前置放大器和主放大器是光纖通信系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵電路， 光接收機(jī)的性能在很大程度上受他們的影響9。主放大器有自動增益控制（agc）放大器 和限幅放大器兩種實(shí)現(xiàn)方式，這兩種實(shí)現(xiàn)方式都有各自的優(yōu)點(diǎn),但是限幅放大器比自動增 益控制放

14、大器設(shè)計更簡單、功耗更低、芯片面積更小并且外接元件更少，所以本文經(jīng)過 比較后選擇采用限幅放大器來實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的主放大器13。我們設(shè)計一個集成電路需要 達(dá)到的基本目標(biāo)是不斷減少功耗、不斷減小芯片尺寸和不斷降低芯片成本9。 1.3 光接收機(jī)概述及其性能指標(biāo)光接收機(jī)概述及其性能指標(biāo) 光信號在經(jīng)過光纖傳輸后，幅度會衰減、波形會展寬，這時就需要光接收機(jī)將其轉(zhuǎn) 換為電信號，之后再對其進(jìn)行放大和處理，從而使其恢復(fù)為原始的信號。光接收機(jī)是由 光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成的，它的核心是光檢測器，因為只有光檢測器的性能 好，能較好的把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，后續(xù)電路才能對從光檢測器中的到的電信號進(jìn)行 放大。光接收機(jī)

15、想要有較好的性能，必須要滿足下面的要求：光檢測器的響應(yīng)度要高、 噪聲要低并且響應(yīng)速度要快。目前pin光電二極管（pin-pd）和雪崩光電二極管（apd） 在光檢測器中比較常見6。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 在光接收機(jī)中，光檢測器是在檢測完光信號之后再將其裝換成電信號的。光檢測器 的檢測有直接檢測和外差檢測兩種方式7。用檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的檢測方 式稱為直接檢測。由于直接對光信號進(jìn)行檢測受到信道干擾的影響較嚴(yán)重，我們提出使 用中頻光信號通過檢測器轉(zhuǎn)化為電信號的方法，中頻光信號是將本地的振蕩光與光纖的 輸出信號在光混頻器產(chǎn)生差拍而產(chǎn)生的，我們把使用本地光振蕩器和光混頻器提高檢測 能

16、力的方法稱為外差檢測7。外差檢測方式有許多難點(diǎn)，其中比較典型的是它需要一個單 模激光源，這個單模激光源需要有一個非常穩(wěn)定的頻率、很窄的譜線寬度，而且他的相 位和偏振方向必須是可控的。外差檢測方式比直接檢測方式的接收靈敏度要高，所以這 種方式是很有發(fā)展前途的通信方式。目前，直接檢測方式由于其簡單實(shí)用的特點(diǎn)被廣泛 應(yīng)用于實(shí)用光纖通信系統(tǒng)。 圖1.2所示的是采用直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖，它主要包括光檢測器、偏 壓控制電路、前置放大器、主放大器、agc電路、時鐘提取電路以及取樣判決器。 圖1.2 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 光接收機(jī)有很多性能參數(shù)，其中最重要的有四個：信噪比，誤碼率，靈敏度，輸入 動態(tài)

17、范圍。 1.3.1 信噪比信噪比 信噪比（snr）可以用來定量地對光接收機(jī)的性能進(jìn)行描述1。系統(tǒng)總平均噪聲功率 (均方噪聲電流)為 (1.1)b r kt biieiii l dtsn 4 )(2)()()( 222 式中，為散粒噪聲的功率，為熱噪聲的功率， 為電子電荷量，為光電流強(qiáng)度，)( 2 n i)( 2 t iei 為光檢測器暗電流強(qiáng)度，為等效噪聲帶寬，為熱能量，為光檢測器負(fù)載電阻1。 d ibkt l r 外差檢測的信噪比 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (1.2) )()(2 )(2 )( )( 2 2 2 2 tdl ls n ac ibipe pp i i snr 光接收機(jī)的噪聲

18、強(qiáng)度與光信號功率的大小無關(guān)，因為相干光接收機(jī)的噪聲的強(qiáng)度主要由 本振光功率引入的散粒噪聲決定了，因此，上式中和項可以略去，由此得到 l p d i)( 2 t i 。 (1.3) eb p snr s) ( 為光檢測器的響應(yīng)能力，用公式可以表示為：， 為光檢測器的量子效率，hfe/ 為電子電荷量，光子的能量；其等效噪聲帶寬，為信號的傳輸速率1。ehf2/ b fb b f 平均信號光功率可以用即每比特時間內(nèi)的光子數(shù)的多少來表示，由 s p bps hffnp)( 和可得到 eb p snr s) ( bps hffnp)( (1.4) p nsnr2 公式（1.4）是外差檢測的信噪比。外差檢測

19、的平均信號光功率是零差檢測的一半，所以 得出零差檢測的信噪比為 (1.5) p nsnr4 1.3.2 誤碼率誤碼率 由于信道中噪聲以及設(shè)備的干擾，所以放大器輸出的是一個原信號與系統(tǒng)隨機(jī)噪聲 相加后的一個受了干擾的信號，因為噪聲功率是隨機(jī)的，因此在判決時噪聲可能會影響 判決結(jié)果而導(dǎo)致誤判。對碼元誤判的概率稱為誤碼率。誤碼率是在足夠長時間內(nèi)傳輸?shù)?大量碼流中，通過誤判的碼元數(shù)與接收的總的碼元個數(shù)的比值來表示。 1.3.3 靈敏度靈敏度 在規(guī)定的誤碼率條件下，接收機(jī)正常工作所需要的最小入射光功率稱為接收機(jī)靈敏 度，即正常接收光信號所需的最小平均光功率8。光接收機(jī)內(nèi)部的隨機(jī)噪聲的大小決定了 信號的影

20、響能力也決定了接收機(jī)靈敏度，它對中繼器與中繼器之間最大延伸距離的實(shí)現(xiàn) 起著關(guān)鍵作用。 1.3.4 動態(tài)范圍動態(tài)范圍 對于微弱輸入信號，接收機(jī)的隨機(jī)噪聲會導(dǎo)致誤碼，相反，若對于較大的輸入信號， 會導(dǎo)致脈沖寬度畸變，從而也會導(dǎo)致誤碼。因此，在一定的誤碼率要求下，除了需要確 定最小輸入信號幅度（靈敏度）之外，還需要確定輸入信號幅度的上限，在這兩個值之 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 間的范圍稱為輸入動態(tài)范圍。越寬的輸入動態(tài)范圍使得光接收機(jī)應(yīng)用范圍越廣，越能適 應(yīng)環(huán)境的變化，因此輸入動態(tài)范圍也是衡量光接收機(jī)的重要指標(biāo)之一。 此外，設(shè)計一個光接收機(jī)也要考慮其他的因素，比如說功耗、可靠性、尺寸、性價 比，這

21、些因素都能影響到光接收機(jī)的性能,想要讓接收機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)，我們需要在綜 合考慮各種因素后再進(jìn)行光接收機(jī)前端放大電路的設(shè)計9。 1.4 論文組織論文組織 本文的文章結(jié)構(gòu)如下： 第一章為緒論部分，闡述課題背景、目的和意義，以及對光接收機(jī)作了簡要的介紹。 第二章為前置放大電路分析與設(shè)計，簡要介紹了前置放大器的三種類型，并對本論 文使用的跨阻型前置放大器進(jìn)行了 pspice 仿真。 第三章為限幅放大電路分析，簡要地介紹了限幅放大器的各個單元模塊，然后從中 選取了幾個單元電路進(jìn)行了仿真。 第四章為總結(jié)。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第二章第二章 前置放大電路分析與設(shè)計前置放大電路分析與設(shè)計 2.1

22、 前置放大器概述前置放大器概述 光接收機(jī)作為光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，它的性能對光纖通信系統(tǒng)的各種性能指標(biāo) 有直接的影響9。光接收機(jī)的任務(wù)就是把從發(fā)送端檢測出來的微弱光信號，放大再生成原 來的電信號。設(shè)計一個性能優(yōu)異的光纖通信系統(tǒng)需要光接收機(jī)的輸出信噪比要高，帶寬 要足夠，幅頻特性要好13。 前置放大器是光接收機(jī)的一個重要組成部分，它的性能對光接收機(jī)的設(shè)計和最終技 術(shù)指標(biāo)有直接影響。在光電器件和電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，前置放大器的第一級就 有了一個有固定數(shù)值的輸入電容，因此在依照系統(tǒng)要求，選擇適當(dāng)?shù)碾娐窌r，前置放大 器第一級輸入電阻和偏置電阻的大小就成了我們需要考慮的主要對象。我們一般使前置

23、放大器的第一級采用場效應(yīng)晶體管（fet）或雙極型晶體管（bjt） 。這兩者不論選用哪一 種作為前置放大器的第一級，并聯(lián)源電阻產(chǎn)生的熱噪聲都會存在于前置放大 ibs rrr/ 器的噪聲中。從上式中我們可以看出，為了使前置放大器的噪聲盡可能地小，我們需要 加大光電檢測器的偏置電阻和放大器的輸入電阻。但是，為了使輸入電阻變大，輸 b r i r 入端的時間常數(shù)就會相應(yīng)的變大，從而導(dǎo)致放大器的高頻特性變差，帶寬變窄。因此， 我們應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選擇適當(dāng)?shù)碾娐沸问絹韺?shí)現(xiàn)前置放大器，從而使前置放 大器能夠滿足噪聲和帶寬兩方面要求。 2.2 前置放大器類型前置放大器類型 前置放大器的電路類型主要有三

24、種：低阻型前置放大器，高阻型前置放大器和跨阻 型前置放大器。但由于在本設(shè)計中，需要前置放大電路具有較低的輸入阻抗，我選取的 是跨阻型前置放大器，因此下面對跨阻型前置放大器進(jìn)行仿真。 2.2.1 低阻型前置放大器低阻型前置放大器 低阻型前置放大電路如圖 2.1 所示，它的第一級是雙極型晶體管（bjt）放大器，它 的輸入阻抗較低。采用這種電路是希望光電轉(zhuǎn)換器和前置放大器所構(gòu)成的輸入電路的時 間常數(shù)小于信號脈沖寬度，這樣就能防止碼間干擾。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 e q1 bjt rb rc +v 圖 2.1 低阻型前置放大電路 這種前置放大器選擇偏置電阻是從帶寬 b 的要求出發(fā)的, 電阻應(yīng)

25、該滿足 b r b r (2.1) t b bc r 2 1 其中，是總輸入電容。這種電路線路簡單，一個簡單的均衡電路就能滿足接收機(jī)的需 t c 求，并且它有很大的動態(tài)范圍。但是，這種前置放大器的噪聲偏大，并且靈敏度較差， 所以很少被用在實(shí)際當(dāng)中。 2.2.2 高阻型前置放大器高阻型前置放大器 高阻型前置放大電路如圖 2.2 所示。這種電路由于電阻很大，所以稱之為高阻型 b r 前置放大器。場效應(yīng)晶體管（fet）放大器作為它的第一級，這種放大電路有比較大的輸 入阻抗，所以它的噪聲比較小。在這個電路中我們應(yīng)盡量加大偏置電阻來降低前端電路 的噪聲，提高接收機(jī)的靈敏度。 e rb rc +v fet

26、 圖 2.2 高阻型前置放大電路 高阻型前置放大器的帶寬公式如下： 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 (2.2) tt hz cr b 2 1 其中,是前置放大器的輸入電阻，是總輸入電容。因此上式又可寫成 bit rrr/ i r t c (2.3) tbi bi hz crr rr b 2 由于和都很大，其帶寬 b 較窄，所以信號脈沖失真嚴(yán)重。因而均衡器在這種電路中 i r b r 將會起到非常重要的作用，用均衡器來補(bǔ)償在前端電路中受到失真的信號脈沖，這樣接 收機(jī)就能輸出一個有利于判決的升余弦函數(shù)波形。 這種放大器在低碼率工作時所引入的放大器噪聲比低阻型前置放大器要小得多，但 是它有比較高的輸

27、入阻抗，較大的輸入電路時間常數(shù)，較小的動態(tài)范圍，因此這種電路 只適用于在中低速率系統(tǒng)8。 2.2.3 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器 上面已經(jīng)介紹了兩種放大器，在上述兩種放大器中引入負(fù)反饋，可以使它們成為跨 阻型前置放大器。在跨阻型前置放大器中，電路的噪聲特性并不會和前面兩種放大器有 不同，雖然噪聲特性不變，但在引入負(fù)反饋后前置放大器的帶寬會提高，這非常有利于 高阻型前置放大器的設(shè)計14。fet 跨阻型前置放大器在接收電路中的應(yīng)用比較廣泛。但 由于高阻型前置放大器的噪聲隨工作碼率的增加而增加的速度比低阻型前置放大器變化 的速度大，因此在高碼率和超高碼率條件下，應(yīng)該采用 bjt 跨阻型前置放大

28、器。bjt 跨 阻型前置放大器在中低速碼率工作時，其引入的噪聲比 fet 跨阻型前置放大器大，但這 種電路價廉且耐用，容易買到且更牢固，不易損壞。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 2.3 跨阻型前置放大電路 跨阻型前置放大器頻帶寬度的增加實(shí)質(zhì)上是以增益下降為代價的（高阻型前置放大 器的增益是跨阻型前置放大器增益的 1.4 倍）5。適當(dāng)?shù)亟档头糯笃鞯脑鲆鎸ζ浞€(wěn)定性有 很大的好處。 2.3 跨阻型前置放大器的跨阻型前置放大器的 pspice 仿真仿真 由于 pspice 仿真軟件十分先進(jìn)，對電路的很多繁瑣工作都可以由計算機(jī)完成。我們 所做的工作是根據(jù)所選用的工藝設(shè)計出的初略的電路，進(jìn)行初步的理

29、論估算，然后再對 每個管子的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至仿真出來的結(jié)果滿足性能要求。本文采用 pspice 對 mos 管尺寸仿真調(diào)整，經(jīng)過多次仿真與參數(shù)修改，不斷的分析總結(jié)，最后得到可滿足要求的 一套電路參數(shù)，如表 2.1。 表 3.1 元件參數(shù)表 mos 管寬長比 m1（nmos）2.5/12 m2（pmos）120/1.0 m3（nmos）14/1.0 m4（nmos）1.0/3.0 下面就針對以上參數(shù)，對圖 2.3 的電路進(jìn)行直流分析、交流小信號分析。 一、直流分析 圖 2.4 前置放大器直流特性模擬結(jié)果 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 由圖 2.4 所示，橫坐標(biāo)為對輸入電流的掃描，縱坐標(biāo)為輸出

30、電壓。從圖中可以看出在 010ua 范圍內(nèi)均是線性的，可見跨阻型前置放大器的線性還是比較好的。在 i=0 時， v=3.2v，滿足指標(biāo)要求。 二、交流小信號分析 圖 2.3 的電路只需要把直流電流源 i2 換成交流電流源就可以進(jìn)行交流小信號分析。 圖 2.5 前置放大器交流特性模擬結(jié)果 圖 2.5 所示的是前置放大器交流特性模擬結(jié)果，由圖中可知-3db 帶寬為 3.55mhz， 滿足指標(biāo)要求。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 第三章第三章 限幅放大電路分析限幅放大電路分析 3.1 主放大器概述主放大器概述 在光纖通信系統(tǒng)中，光信號在經(jīng)過超長距離的光纖傳輸后，接收端只能接收到微弱 的光信號。為了

31、滿足后續(xù)電路的需求，我們需要將接收端接收到的微弱的光信號轉(zhuǎn)換為 電信號，并放大該微弱的電信號，使其到達(dá)一個穩(wěn)定的幅度，然后把該電信號用作時鐘 恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路的輸入信號，這是對光接收機(jī)前端放大電路的要求10。為了滿足這 個要求，光接收機(jī)的前端通常設(shè)置前置放大器單元和主放大器單元兩個放大單元。 前置放大器在上一章節(jié)中我們已經(jīng)討論過了，這一章節(jié)我們主要討論主放大器。主 放大器的作用是將接收端接收到的微弱的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大該微弱的電信號， 使其到達(dá)一個穩(wěn)定的幅度，然后把該電信號用作時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路的輸入信號。 主放大器除了高速度和高增益的要求之外，還有另一個重要的性能指標(biāo)，就是在較

32、大的 輸入動態(tài)范圍內(nèi)，使輸出電平保持在恒定的幅度。 3.2 主放大器類型選擇主放大器類型選擇 在前文中我們知道了主放大器有兩種實(shí)現(xiàn)方式：自動增益控制放大器和限幅放大器。 下面我們對兩種放大器進(jìn)行比較來確定本論文選取哪種放大器來實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)中的主放 大器。 光接收機(jī)主放大器的兩種實(shí)現(xiàn)方式各自有各自的特點(diǎn)。自動增益控制放大器在模擬 信號接收系統(tǒng)這方面應(yīng)用的比較廣泛，它通過反饋環(huán)路來自動調(diào)節(jié)放大器的增益，從而 能夠穩(wěn)定地輸出信號。自動增益控制放大器穩(wěn)定工作的時間比較長，并且它有很復(fù)雜的 電路形式，所以它占用的芯片面積就比較大。 限幅放大器對輸入數(shù)據(jù)的每個脈沖進(jìn)行直接限幅，也就是說限幅放大器可以抑制數(shù)

33、 據(jù)信號幅度的變化，不管其數(shù)據(jù)信號是強(qiáng)還是弱，它都能很好地對其有一個抑制作用， 自動增益控制放大器存在時間常數(shù)問題，而限幅放大器卻不存在這個問題11。此外，限 幅放大器還取消了增益控制環(huán)路，它的電路設(shè)計比較簡單，芯片面積相對較小，并且它 的外界元器件較少，所以芯片移植容易。限幅放大器還有其他的優(yōu)點(diǎn)，這里就不全部介 紹了。 由于以上優(yōu)點(diǎn)，在本課題的設(shè)計中，我們采用了限幅放大器來實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的主放 大器。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 3.3 電路系統(tǒng)設(shè)計電路系統(tǒng)設(shè)計 3.3.1 電路總體框圖設(shè)計電路總體框圖設(shè)計 限幅放大器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1，該電路主要包括偏置電路、使能控制電路、寬 帶

34、放大電路、輸出緩沖電路、直流失調(diào)補(bǔ)償電路和閾值可編程的丟失信號檢測電路等9。 限幅放大器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示。 5050 din _din ro ro 偏置電路 dout _dout 直流失調(diào) 補(bǔ)償電路 sd 丟失信號 檢測電路 使能控 制電路 + - + + - - - a1a2a3a4 寬帶放大電路 輸出 緩沖 en az2az1 sdlvlvref 圖 3.1 限幅放大電路的總體結(jié)構(gòu)框圖 偏置電路主要的任務(wù)分為兩部分：一是產(chǎn)生電路所需求的不受溫度影響的參考電壓； 二是為限幅放大器的其他模塊提供所需的電流源。使能控制電路主要控制輸出緩沖電路。 寬帶放大電路主要任務(wù)一是對輸入的小

35、信號進(jìn)行放大，二是為限幅放大器提供與傳輸數(shù) 率相適應(yīng)的帶寬。輸出緩沖電路的主要目的一是為限幅放大器提供合適的輸出阻抗以實(shí) 現(xiàn)輸出匹配，二是產(chǎn)生穩(wěn)定的信號輸出。直流失調(diào)補(bǔ)償電路為限幅放大器抑制由于工藝 等因素產(chǎn)生的失配引起電路信號的失真。丟失信號檢測電路主要是檢測輸入信號的幅度 值是否有效，如果認(rèn)為輸入信號無效，則開啟使能控制電路，抑制限幅放大器真實(shí)數(shù)據(jù) 的輸出，并發(fā)出告警信號。 3.3.2 電路性能指標(biāo)要求電路性能指標(biāo)要求 在光接收機(jī)中為了滿足對信號的放大作用，在光檢測器之后設(shè)置了前置放大器和主 放大器兩個放大單元。一般情況下，為了使噪聲降低到最小，人們將前置放大器的帶寬 設(shè)置成大約是數(shù)據(jù)速率

36、的 70%。這樣，在實(shí)際的應(yīng)用中，為了滿足帶寬的要求，將設(shè)計 的限幅放大器的帶寬設(shè)置為至少數(shù)據(jù)數(shù)率一樣。對于本課題，為了使限幅放大器能夠滿 足 155mbps 傳輸數(shù)率，它的帶寬至少要與傳輸速率一致；為了能夠給后續(xù)數(shù)據(jù)處理電路 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 提供所需要的輸入電平，該限幅放大器的增益至少要達(dá)到 43db；另外由于光接收機(jī)前端 電路的輸出信號在一定的范圍內(nèi)變化，要求限幅放大器能夠有足夠?qū)挼妮斎雱討B(tài)范圍。 在設(shè)計的調(diào)研過程中，為了使課題研究項目更加的貼近實(shí)際，符合市場需求，參考了許 多相關(guān)產(chǎn)品或課題的性能指標(biāo)要求，來設(shè)計工作于 155mbps 速率標(biāo)準(zhǔn)下的限幅放大器。 下面是本課題

37、所研究的 155mbps 光接收機(jī)限幅放大器的性能指標(biāo)： （1）基于 chartered 0.35m cmos 工藝設(shè)計 （2）端口描述差分輸入，差分輸出 （3）電源電壓 3.3v/5v （4）電流30ma （5）小信號帶寬155mhz （6）中頻增益約為 50db （7）輸入電壓范圍 18mvpp1800mvpp （8）差分輸出電壓擺幅 800mvpp1200mvpp （9）差分輸出波形上升或下降時間1000ps （10）輸入丟失信號檢測范圍 5mvpp50mvpp 3.4 單元電路設(shè)計與仿真單元電路設(shè)計與仿真 3.4.1 偏置電路偏置電路 偏置電路在限幅放大器電路中的主要任務(wù)一是為電路產(chǎn)生

38、一個具有低溫漂系數(shù)的基 準(zhǔn)電壓；二是為限幅放大器電路中的其他模塊提供相應(yīng)的電流源。本課題中用到的基準(zhǔn) 電壓生成電路如圖 3.2。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 3.2 基準(zhǔn)電壓生成電路 根據(jù)需要，我們設(shè)定 mos 管參數(shù)如表 3.1。 表 3.1 基準(zhǔn)電壓生成電路 mos 管參數(shù) mos 管寬長比 m1（pmos）3.33/19.99 m2（pmos）3.33/19.99 m3（pmos）3.33/19.99 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 3.3 參考電壓隨溫度變化曲線 圖 3.3 為參考電壓對溫度變化抑制的特性曲線。當(dāng)電源電壓為 1.8v，溫度從 10變 化到 130時，參考電壓

39、變化了 0.15v，未能滿足芯片性能要求。 3.4.2 使能控制電路使能控制電路 使能控制電路的任務(wù)主要是產(chǎn)生一個控制信號，該信號控制輸出緩沖電路能否正常 工作。根據(jù)芯片性能的需求，要求真正對輸出緩沖電路起控制作用的信號具有一定的滯 回電壓，以抑制“毛刺”(glitch)。本論文采用施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示 圖 3.3 使能控制電路 如圖 3.3 所示，根據(jù)其原理我們可知，管子 m1 和 m2 寬長比相同，m4 和 m5 寬長 比相同，調(diào)節(jié)管子 m5 和 m6 的寬長比可以調(diào)整正翻轉(zhuǎn)電壓 v+的大小，調(diào)節(jié)管子 m1 和 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 m3 的寬長比可以調(diào)

40、整負(fù)翻轉(zhuǎn)電壓 v-的大小。根據(jù)芯片性能需要，本論文中預(yù)設(shè)電源電壓 為 3.3v 時，正翻轉(zhuǎn)電壓 v+最小值為 2v，負(fù)翻轉(zhuǎn)電壓 v-最大值為 1v；電源電壓為 5v 時， 正翻轉(zhuǎn)電壓 v+最小值為 2.8v，負(fù)翻轉(zhuǎn)電壓 v-最大值為 1.4v。 圖 3.3 所示電路的 mos 管參數(shù)如表 3.2。 表 3.2 使能控制電路 mos 管參數(shù) mos 管寬長比 m1（pmos）2/0.6 m2（pmos）2/0.6 m3（pmos）12/0.6 m4（nmos）0.8/0.6 m5（nmos）0.8/0.6 m6（nmos）1.2/0.6 圖 3.4 電源電壓為 3.3v 時使能控制電路的仿真波形

41、 圖 3.4 為電源電壓為 3.3v 時使能控制電路輸出信號對使能信號的直流掃描特性曲線。 當(dāng)使能信號增加到 2.15v 時，輸出信號由高電平轉(zhuǎn)低電平；當(dāng)使能信號減小到 0.85v 時， 輸出信號由低電平轉(zhuǎn)為高電平。從此圖中得到的數(shù)據(jù)與上文中預(yù)設(shè)的值相近，所以電源 電壓為 3.3v 時使能控制電路基本滿足芯片性能要求。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 3.5 電源電壓為 5v 時使能控制電路的仿真波形 圖 3-5 為電源電壓為 5v 時使能控制電路輸出信號對使能信號的直流掃描特性曲線。 當(dāng)使能信號增加到 3.15v 時，輸出信號由高電平轉(zhuǎn)低電平；當(dāng)其減小到 1.25v 時，輸出信 號由低電

42、平轉(zhuǎn)為高電平。從此圖中得到的數(shù)據(jù)與上文中預(yù)設(shè)的值相近，所以電源電壓為 5v 時使能控制電路滿足芯片性能要求。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 第四章第四章 總總 結(jié)結(jié) 光纖通信由于其容量大、頻帶寬、損耗低和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，目前在通信系統(tǒng)中占有 主導(dǎo)地位。而光接收機(jī)是光纖通信中非常重要的一個模塊，所以光接收機(jī)性能的好壞將 會直接影響到光纖通信系統(tǒng)性能的好壞。前置放大器和限幅放大器是組成光接收機(jī)的兩 個關(guān)鍵模塊，所以設(shè)計一個性能優(yōu)異的前置放大器和限幅放大器是很有意義的。 本文簡要的介紹了前置放大器和主放大器的類型和實(shí)現(xiàn)方式。在第二章中，我們對 前置放大器的三種類型進(jìn)行了簡要的介紹，然后著重介紹了跨阻型前置放大器，并對跨 阻型前置放大器進(jìn)行了設(shè)計與仿真。第三章簡要介紹了主放大器的兩種類型，然后將限 幅放大器拆分成單元電路進(jìn)行介紹，然后對部分單元電路進(jìn)行了設(shè)計與仿真。 從前面的研究我們可以得出，光接收機(jī)的性能會越來越優(yōu)異，它必然會被更廣泛地 應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 劉增基，周洋溢，胡遼