光接收机前置放大器设计

光接收机前置放大器的设计
光纤通信系统以其高速、通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、资源丰富等优点被广泛应用于众多多媒体网络中。

光接收机是整个光纤通信系统的重要组成部分之一,其中的前置放大器是一个关键电路,它直接影响整个光接收机的性能,诸如速度、噪声、灵敏度。

当其工作在较高速率时,通常采用跨阻放大器的形式。

为了减少前端噪声,保持较高的灵敏度以降低误码率,避免因主放大器的
级联而引起的信噪比的下降,此跨阻放大器需要有较高的增益。

同时为了使放大器工作在恰当的速率上,它又需要有适当的宽带特性,但是高增益和宽带是两个相互矛盾的要求, 因此,前置放大器的设计需在各种参数之间进行适当的折衷,最终取得一个平衡点。

1.光纤接收系统简介
以往,高速率的前置放大器大多数用制造费用高的砷化镓或双极性硅工艺来实现[1,2]。

由于工艺限制,cmos很难用于高速电路的设计中,但是随着cmos工艺向着亚微米和深亚微米方向发展,其工作速率上限已逐渐接近砷化镓和双极性硅电路的常规工作速率,深亚微米cmos工艺越来越多地应用于高速高性能的集成电路设计。

本文采用tsmc0.18μm cmos工艺设计实现了用于sdh系统
stm-16(2.5gb/s)速率级光接收机前置放大器。

光接收机系统框图如图1 所示,它主要由光检测器、前置放大器、主放大器、时钟恢复电路、数据判决电路,以及分接器[3]等几部分
组成。

图1中,光检测器将光纤传来的微弱光脉冲信号转换为电流脉冲信号,并通过一个低噪声的前置放大器将其转换为电压信号。

光检测器与前置放大器构成光接收机前端电路。

紧随其后的主放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至限幅。

主放大器的输出电压脉冲的幅度应该足够的大,以便驱动后续的时钟恢复和数据判决电路。

时钟恢复和数据判决电路用来实现信号的再生。

最后高速数据流由分接器分接为低速码流。

2.前置放大器的选择
作为光接收机中的关键部分,前置放大电路的性能在很大的程度上决定了整个光接收机的性能。

它要求与光检测器相匹配,得到高的输出信噪比,将来自pin光电二极管或者雪崩光电二极管(apd)的电流脉冲信号放大输出并转换成一定的电压脉冲信号。

在光纤通信系统中,光信号通过长达几十甚至几百公里的光纤的传输,到达接收端时已变得非常微弱,如果采用一般的放大器进行放大,放大器本身会引入较高噪声,后一级放大器将对前一级放大器输出的信号和引入的噪声进行放大,因此,信噪比不会得到改善。

为了克服上述问题,需要一个低噪声、高增益的前置放大器,以获得较高的信噪比。

设计光接收前置放大器有以下几点要求:
(1)尽量减小等效输入噪声电流,提高灵敏度;
(2)与信号速率相适应的带宽;
(3)有足够大的增益,以克服后续电路噪声的影响。

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当保持增益、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。

因此,前置放大器的电路形式的选择十分关键。

常见的前置放大器有低阻放大器、高阻放大器和跨阻放大器三种类型,但是目前在超高速光通信系统中,为减小输入电阻以保证足
够的带宽,最常见的前置放大器选用跨阻放大器的电路形式,其电
路拓扑如图2 所示。

这种放大器实际上就是一种通过反馈电阻给放大器输入端提供负反馈的高增益高阻抗放大器。

这种设计方法既有低噪声又有大带宽和宽动态范围的特点。

跨阻放大器实质上是一个电流-电压变换器,其优点是:
(1) 放大器的输入电阻小,因而电路的时间常数小,减小了波
形失真,基本不需要均衡;
(2) 动态范围大;
(3) 输出电阻小,放大器受噪声影响小,不易发生串话和电磁
干扰;
(4) 负反馈使放大器特性易于控制,稳定性也显著提高;
(5) 灵敏度在宽带应用时,仅比高阻放大器的低2～3db。

3.电路设计
我们选用的跨阻放大器的电路拓扑如图3 所示。

图中,m1、r 1 构成共源放大器,m2、m 3 构成源极跟随器,m4、r 2构成电路的输出级,r3和r4提供了栅极偏置电压。

其中,共源放大器和源极跟随器构成基本放大单元,反馈电阻r f跨接在基本放大单元的输入端和输出端之间,构成电压并联负反馈。

图3跨阻前置放大器
为了使高速光接收机在给定的速率下正常工作,其前置放大器的带宽应该尽量的宽。

图3所示类型的跨阻前置放大器,其频带宽度可以表示为:f w=1/2πc in r in,其中r
in=r f/a为输入电阻(r f为反馈电阻, a为放大器开环增益) ,输入寄生电容c in包括了光检测器寄生电容c s,以及封装电容c p。

输入电容c in和较大的输入电阻r in是影响放大器频带的主要因素。

可以通过减小输入电阻或输入电容来展宽带宽,但是减小放大器的输入寄生电容十分困难,通常采用减小放大器输入电阻的方式。

但通过减小反馈电阻r f来减小输入电阻,会因为反馈电阻r f的减小而引入额外的热噪声电流,降低前置放大器的灵敏度。

因此,在保证放大器的足够大开环增益的同时,合理选择反馈电阻r f的阻值大小,在保证放大器的带宽的情况下,尽可能减小反馈电
阻的热噪声,提高前置放大器的灵敏度,降低误码率。

此跨阻放大器的等效输入噪声电流功率谱函数表示如下[4,5]
式中:r f为反馈电阻,k为玻尔兹曼常数,t为绝对温度,q为单位电荷常量,i gl为fet的栅极漏电流,g m1为fet 的跨导,γ为fet 的沟道噪声系数, c gs1和c gd1
分别为fet的栅源和栅漏电容。

式中第一项表示由r f引入的热噪声电流的贡献;第二项代表mosfet的栅极漏电流引入的噪声,一般很小,可以忽略不计;最后一项代表了mosfet 的沟道热噪声。

由式(1)知,可以采取增大r f和g m1的方式来减小等效输入电流噪声。

本文介绍了利用0.18μm tsmc cmos工艺实现了用于sdh
stm-16速率级光接收机的跨阻前置放大器的设计,其工作频率为2.5gb/s ,单端输出摆幅为165mvp-p ,在5v电源工作下,功耗仅为7.74mw。

参考文献
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[2] scheinberg n, bayruns r j, laverick t m. monolithicgaas transimpedance amplifiers for fiber optic receivers [j]. ieee
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[3] rein h m. multi2gigabit2per2second silicon bipolar ics for future optical2fiber transmission systems [j]. ieeej. solid state circuits, 1998, 23(3): 664 - 675.
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low-noise current-mode optical transimpedance preamplifier: theory and practice [j]. ieee j. solid state circuits, 1995, 30 (6): 677 - 685.。