基于光纖通信系統(tǒng)的光接收機(jī)前端電路的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)-全文預(yù)覽
【正文】 ，進(jìn)行初步的理論估算，然后再對(duì)每個(gè)管子的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至仿真出來(lái)的結(jié)果滿(mǎn)足性能要求。從圖中可以看出在0~10uA 范圍內(nèi)均是線(xiàn)性的，可見(jiàn)跨阻型前置放大器的線(xiàn)性還是比較好的。南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15第三章 限幅放大電路分析 主放大器概述在光纖通信系統(tǒng)中，光信號(hào)在經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)距離的光纖傳輸后，接收端只能接收到微弱的光信號(hào)。主放大器的作用是將接收端接收到的微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并放大該微弱的電信號(hào)，使其到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的幅度，然后把該電信號(hào)用作時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路的輸入信號(hào)。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)。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(jì)比較簡(jiǎn)單，芯片面積相對(duì)較小，并且它的外界元器件較少，所以芯片移植容易。限幅放大器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。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(hào)輸出。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)速率的 70%。下面是本課題所研究的 155Mbps 光接收機(jī)限幅放大器的性能指標(biāo)：（1）基于 CHARTERED CMOS 工藝設(shè)計(jì)（2）端口描述差分輸入，差分輸出（3）電源電壓 （4）電流≤30mA（5）小信號(hào)帶寬≥155MHz（6）中頻增益約為 50dB（7）輸入電壓范圍 18mVpp~1800mVpp（8）差分輸出電壓擺幅 800mVpp~1200mVpp（9）差分輸出波形上升或下降時(shí)間≤1000ps（10）輸入丟失信號(hào)檢測(cè)范圍 5mVpp~50mVpp 單元電路設(shè)計(jì)與仿真 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)生一個(gè)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。當(dāng)電源電壓為 ，溫度從 10℃變化到 130℃時(shí)，參考電壓變化了 ，未能滿(mǎn)足芯片性能要求。根據(jù)芯片性能需要，本論文中預(yù)設(shè)電源電壓為 時(shí)，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(shí)，正翻轉(zhuǎn)電壓 V+最小值為 ，負(fù)翻轉(zhuǎn)電壓 V最大值為 。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 時(shí)使能控制電路基本滿(mǎn)足芯片性能要求。南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22第四章 總 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。在第二章中，我們對(duì)前置放大器的三種類(lèi)型進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后著重介紹了跨阻型前置放大器，并對(duì)跨阻型前置放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。南京：東南大學(xué)，2022.[15] Jungwon, Han, Mikyung. A 20Gb/s TransformerBased CurrentMode Optical Receiver in CMOS[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2022:348352[16] Samira. Bashiri, Calvin. Plett. A 40 Gb/s Transimpedance Amplifier in 65 nm CMOS[J]. Proceedings of 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 2022:757760南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24致 謝本文是在導(dǎo)師黃靜老師的指導(dǎo)下，對(duì)光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)作了基本的了解，并對(duì)光接收機(jī)中兩個(gè)主要模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)與仿真， ，基本達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。在此，我衷心的感謝黃靜老師一直以來(lái)對(duì)我們的幫助，相信沒(méi)有您的幫助，我們的論文不會(huì)達(dá)到這樣的水平。從前面的研究我們可以得出，光接收機(jī)的性能會(huì)越來(lái)越優(yōu)異，它必然會(huì)被更廣泛地應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中。前置放大器和限幅放大器是組成光接收機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵模塊，所以設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的前置放大器和限幅放大器是很有意義的。當(dāng)使能信號(hào)增加到 時(shí)，輸出信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)低電平；當(dāng)其減小到 時(shí)，輸出信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)為高電平。表 使能控制電路 MOS 管參數(shù)MOS 管 寬長(zhǎng)比M1（PMOS） 2/M2（PMOS） 2/M3（PMOS） 12/M4（NMOS） M5（NMOS） M6（NMOS） 圖 電源電壓為 時(shí)使能控制電路的仿真波形圖 為電源電壓為 時(shí)使能控制電路輸出信號(hào)對(duì)使能信號(hào)的直流掃描特性曲線(xiàn)。根據(jù)芯片性能的需求，要求真正對(duì)輸出緩沖電路起控制作用的信號(hào)具有一定的滯回電壓，以抑制“ 毛刺”(glitch)。南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18圖 基準(zhǔn)電壓生成電路根據(jù)需要，我們?cè)O(shè)定 MOS 管參數(shù)如表 。對(duì)于本課題，為了使限幅放大器能夠滿(mǎn)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(jì)（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(hào)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?dòng)態(tài)范圍。丟失信號(hào)檢測(cè)電路主要是檢測(cè)輸入信號(hào)的幅度值是否有效，如果認(rèn)為輸入信號(hào)無(wú)效，則開(kāi)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(hào)。使能控制電路主要控制輸出緩沖電路。由于以上優(yōu)點(diǎn)，在本課題的設(shè)計(jì)中，我們采用了限幅放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的主放大器。自動(dòng)增益控制放大器穩(wěn)定工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，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。 主放大器類(lèi)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(dòng)增益控制放大器和限幅放大器。為了滿(mǎn)足這個(gè)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(gè)放大單元。二、交流小信號(hào)分析圖 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(hào)分析。表 元件參數(shù)表MOS 管 寬長(zhǎng)比M1（NMOS） M2（PMOS） 120/M3（NMOS） 14/M4（NMOS） 下面就針對(duì)以上參數(shù)，對(duì)圖 的電路進(jìn)行直流分析、交流小信號(hào)分析。適當(dāng)?shù)亟档头糯笃鞯脑鲆鎸?duì)其穩(wěn)定性有很大的好處。FET 跨阻型前置放大器在接收電路中的應(yīng)用比較廣泛。因而均衡器在這種電路中ib將會(huì)起到非常重要的作用，用均衡器來(lái)補(bǔ)償在前端電路中受到失真的信號(hào)脈沖，這樣接收機(jī)就能輸出一個(gè)有利于判決的升余弦函數(shù)波形。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）放大器作為它的第一級(jí)，這種放大電路有比較大的輸入阻抗，所以它的噪聲比較小。這種電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，一個(gè)簡(jiǎn)單的均衡電路就能滿(mǎn)足接收機(jī)的需TC求，并且它有很大的動(dòng)態(tài)范圍。但由于在本設(shè)計(jì)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(duì)跨阻型前置放大器進(jìn)行仿真。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(cè)器的偏置電阻 和放大器的輸入電阻 。前置放大器是光接收機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它的性能對(duì)光接收機(jī)的設(shè)計(jì)和最終技術(shù)指標(biāo)有直接影響。第四章為總結(jié)。此外，設(shè)計(jì)一個(gè)光接收機(jī)也要考慮其他的因素，比如說(shuō)功耗、可靠性、尺寸、性?xún)r(jià)比，這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(jì) [9]。光接收機(jī)內(nèi)部的隨機(jī)噪聲的大小決定了信號(hào)的影響能力也決定了接收機(jī)靈敏度，它對(duì)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。外差檢測(cè)的平均信號(hào)光功率是零差檢測(cè)的一半，所以得出零差檢測(cè)的信噪比為 ()pNS?4? 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(gè)原信號(hào)與系統(tǒng)隨機(jī)噪聲相加后的一個(gè)受了干擾的信號(hào)，因?yàn)樵肼暪β适请S機(jī)的，因此在判決時(shí)噪聲可能會(huì)影響判決結(jié)果而導(dǎo)致誤判。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為 ()BRkTIeii LdTsn 4)(2)()2???式中，
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