【文章內(nèi)容簡介】 2]。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(shí)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?yàn)楣怆娂傻捏w積小、成品率高、裝配容易，并且其成本低，性價(jià)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(gè)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大器設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)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]。 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(shí)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?yàn)橹挥泄鈾z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)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（PINPD）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(jì)（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(gè)單模激光源，這個(gè)單模激光源需要有一個(gè)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)。，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(shí)鐘提取電路以及取樣判決器。 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(gè)：信噪比，誤碼率，靈敏度，輸入動態(tài)范圍。 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 ()BRkTIeii LdTsn 4)(2)()2???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，)(2ni i eI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]。dI BkTL外差檢測的信噪比南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8 ())((2)(22TdLLsnac IBpeISNR???光接收機(jī)的噪聲強(qiáng)度與光信號功率的大小無關(guān)，因?yàn)橄喔晒饨邮諜C(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(xiàng)可以略去，由此得到Lp dI)(2T 。 ()eBpSNRs)(??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]。ehf 2bBb平均信號光功率 可以用 即每比特時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)的多少來表示，由spbpshfN?)(和 可得到eBSNRs)(??bpsf ()SR?2?公式（）是外差檢測的信噪比。外差檢測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 ()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)原信號與系統(tǒng)隨機(jī)噪聲相加后的一個(gè)受了干擾的信號，因?yàn)樵肼暪β适请S機(jī)的，因此在判決時(shí)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(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇罅看a流中，通過誤判的碼元數(shù)與接收的總的碼元個(gè)數(shù)的比值來表示。 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。 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(gè)值之南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)一個(gè)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(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]。 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(jì)，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(gè)單元模塊，然后從中選取了幾個(gè)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(jì)（論文）10第二章 前置放大電路分析與設(shè)計(jì) 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(jì)一個(gè)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(gè)重要組成部分，它的性能對光接收機(jī)的設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，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ibSR/?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bRi入端的時(shí)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。 前置放大器類型前置放大器的電路類型主要有三種：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(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，因此下面對跨阻型前置放大器進(jìn)行仿真。 低阻型前置放大器低阻型前置放大電路如圖 所示，它的第一級是雙極