光模块接收电路原理

1 2 3
C2 D1 D2
C3
D3
Vapd OUT
C4 R1
R2
倍压电路原理
1. 开关管关断，在电感L上产生反激电压，通过D1 对C3充电，VC3=VO
2. 开关管开通，L充电，D1断，C3通过D2向C2转移 电荷，C2被充电到VO(C3=10C2 VC2=VO)
3. 开关管关断， L上产生的反激电压与VC2叠加,通 过D3对C4充电 VC4=VO+VC2=2VO
� APD在工作时需要比较高的反向偏压,模块 中要附加额外的DC－DC升压电路,增大了 模块的成本和电路的复杂程度
APD的工作特点
� 需要比较高(30～70V)的反向偏压，最佳 Vapd≈0.9Vbr Vbr 是APD的反向击穿电压
� Vbr 是正温度系数，所以升压电路输出的 Vapd 要做温度补偿
CDR典型电路（2）
D Flip -F lo p
评估CDR的基本性能
� 抖动—包括抖动传递、抖动发生、抖动容 限、抖动峰值
� 相位误差 � 捕获 � (锁定)时间 � 捕获范围
雪崩光电二极管(APD)
� 利用光生载流子雪崩效应工作的PN结光电 二极管叫做雪崩光电二极管,它能使信号光 电流发生倍增,从而使接收机灵敏度增加
时钟和数据恢复(CDR)电路
� 在数字通信系统中，码元同步是系统正常 工作的必要条件
� 时钟和数据恢复电路(Clock and Data Recovery —CDR)的作用就是在输入数据 信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正 确的相位关系
锁相环(PLL)电路
� 基本锁相环(PLL)电路主要由三部分组成： 相位检测器(鉴相器 PD) 低通滤波器(LPF) 压控振荡器(VCO)
� 右图就是误码率和信噪比的关系 曲线
� 只要知道了TIA的等效输入噪声 电流，应用此曲线就可推算出接 收灵敏度
接收灵敏度测量
图案发生器
D ata
Pattern Generator
光发送模块
光可变衰减器
C lock
误码检测仪 Bit Error Detector
Rx D ata
待测光接收模块
什么是比特误码率？
限幅放大器
� TIA输出的是模拟信号，要把它转换成数字 信号才能被信号处理电路识别
� 限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度 不同的信号处理成等幅的数字信号
� 限幅放大器 Limiting Amplifier 主放大器 Post Amplifier 量化器 Quantizer
限幅放大器工作原理和典型电路
主要内容
� 前置放大电路工作原理 � 限幅放大器电路工作原理 � 误码率测试和接收灵敏度评估 � 时钟数据恢复（CDR）电路工作原理 � APD及APD偏置电压的升压电路原理
电流—电压转换电路
V cc
V cc i
Rf
i
+A
-
R
uo =K iR
i
A
uo=i R f
(a)
(b)
� 电流i流过电阻R就会产生电压iR—图(a)
误码仪(BERT)
� 误码仪(Bit Error Ratio Tester)由图案发生器和误 码分析仪组成
� 它通过比较图案发生器产生的数据码和光接收机 收到并转换成电信号的数据码来测试待测光接收 机在不同输入光功率时的误码率
Patter G enerator
C lo ck So u rce
Pattern G enerator
自动增益控制（AGC）电路
� 放大器对大信号是双 向限幅的
� 光信号是单向的（0、 1）
� 光信号过大时就会产 生脉冲失真（单边削 波），‘0’‘1’判别就会 出错—出现误码
� TIA就必须有AGC功 能，以保证足够的信 号动态范围
V out Iin
AGC电路（1）--可变跨阻
AGC电路(2)--消直流和二极管限幅
� APD要求稳定、“干净”的反向偏压， 否则 会影响接收灵敏度
� 过大的光电流(＞0.5～1mA)会烧坏APD， 在测试时，输入光功率不能超过0～-4dBm
DC－DC升压电路原理
DC－DC升压电路波形
DC－DC升压典型电路
DC－DC输出倍压电路
L
Vcc IN
C1
5 VIN 4 SHDN
SW GND FB
D
Q
1
CP
D-F F
D
Q
2
27-1 PRBS Generation
CP
D-F F
D
Q
3
CP
D-F F
D
Q
4
CP
D-F F
D
Q
5
XOR gate
CP
D-F F
D
Q
6 (R)
CP
D-F F
D
Q
7 (n)
PRBS O utput
“n” 7 11 15 23 31
序 列 长 度 （bits ） 127 2,0 4 7
D ecision C irc u it
E rro r D etector
Pattern G enerator
Counter
(Receiver )
伪随机二进制序列(PRBS)
� PRBS：Pseudo Random Binary Sequence 序列长度2n-1，即每隔2n-1个比特就重复
� PRBS的特点：
1. PRBS可以由n个移位寄存器串接并加上反馈产生 2. 在2n-1比特长度内，‘0’和‘1’是随机分布的(类似噪声)，其
中0和1的个数是相等的 3. 在PRBS码型中包含最大n个连‘1’码和n-1个连‘0’码(反转后
就是n-1个连‘1’码和n个连‘0’码)
伪随机码的产生
C lock
CP
D-F F
� 这种数据的排列规则是确定的
� 一个PRBS序列可以串/并转换成多路(2、4、8、 16…路)，每路输出的速率降低，但仍然保持原序 列的一切特征；反之，同一时钟源低速率多路 (2、 4、8、16…路)同一n数的PRBS可以经并/串转换 成高速率的n阶PRBS。在高速时很容易产生 PRBS和测量误码率
� 运算放大器构成的I-V变换电路—图(b) 在这种I-V变换电路中，接入一个负反馈电阻 Rf，所以又被称做跨阻放 大器（TIA—Tranimpedance Amplifier ）
� 跨阻放大器的优点：减小了放大器输入端的电容，使电路的通频带 得到扩展，以适应高速率使用
对TIA的技术要求
� 低的等效输入噪声电流 � 高输入阻抗，低输入电容 � 足够宽的通频带fH≈0.75×工作速率 � 宽动态范围 � Rf要足够大，以保证有足够大的输出电压
D ata B uffer
D ata
O ptical
Transmitter
Clock B uffer
(Transmmitter )
O ptical V ariabl Attenuator
Optical D ata Receiver
ຫໍສະໝຸດ Baidu
O ptical Pow ermater
C lo ck
Error A nalyzer
锁相环(PLL)电路
� 这是改进型PLL电路，由下列几部分组成： 相位频率检测器—PFD 充电泵 环路滤波器 压控振荡器—VCO N分频器
D ata Input
PFD
up dow n
C harge Pump
Loop F iter
VCO
÷N
O utput
CDR典型电路(1)
D F lip -F lo p
DC－DC 升压电路元件
� 二极管—肖特基二极管或高速开关二极管 要求小的反向恢复时间tr＜50ns 结电容＜5pF
� 功率电感—线绕磁芯电感 最好有屏蔽罩 考虑直流电阻值RDC小、合适的电流额定值
� 输入输出端滤波电容 要求有小的等效串联电阻ESR 多层陶瓷电容是很好的选择
消直流电路原理
AGC电路(3)--混合方案
TIA应用
� TIA和探测器偏置（Vpd）必须通过良好的 去耦滤波电路供电
� PD和TIA必须有良好的屏蔽
� TIA的通频带(-3db高频截止频率)： fH=(0.7～0.75)×数据率 fH过小，会产生码间干扰；过高，会降低信 噪比
� 选用低的等效输入噪声电流、高的跨阻抗 的TIA，才能得较高灵敏度
� 比特误码率(BER—Bit Error Ratio)是衡量 一个光接收机性能的最基本的参数
BER=
接收的误码比特数 被接收到的比特数
=
在测量时间内误码数 比特率X测量时间
� BER的表示形式：1×10-N 或者 1.0E-N
(N是正整数)
影响误码率的因素
� 光功率(和消光比)的大小 � 信号噪声比(SNR) � 传输速率(数据比特率) � 抖动 � 信号码型 � 工作波长 � 码间干扰 � 模块中元器件性能劣化或故障
3 2 ,7 6 7 8,3 8 8 ,6 0 7 2,1 4 7 ,4 8 3 ,6 4 7
最 长 连 1个 数 7 11 15 23 31
最 长 连 0个 数 6 10 14 22 30
为何采用PRBS？
� PRBS相当于“随机数据”，因此它的频谱特征(在 有限频带内)与白噪声接近，所以它适合用于测试 通信系统的性能
跨阻放大器典型电路
� 右图是分离元件构成的 TIA典型电路
� Q1也可以采用高频FET， 这样输入阻抗可以做得很 高
� 因为采用分离元件，寄生 参数的影响就很严重，所 以电路的工作速率不高， 通常在早期低速模块中采 用
一个跨阻放大器IC原理电路
� 上图是一个低速差分输出的集成电路TIA的内部原 理电路
� 限幅放大器主要有三 部分组成： 直流耦合多级放大器 直流漂移补偿（自动 调零）电路 光功率检测告警电路 (有滞回的比较器)
接收灵敏度
� 接收灵敏度指光接收机满足指定 比特误码率(如10-10或10-12)时可 接收的最小平均光功率(dBm) 这是光接收机的重要指标之一
� 噪声是限制接收灵敏度的最主要 因素