光纤通信系统的光接收机前端电路的方案设计课程方案设计.docx

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光纤通信系统的光接收机前端电路的方案设计课程方案设计

本科毕业设计（论文）

题

目

基于光纤通信系统的光接收机前端电路的设计

原创性声明

本人声明：

所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。

参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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日期：

本论文使用授权说明

本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

学生签名：

指导教师签名：

日期：

摘要

随着通信技术产业的迅速发展，光纤通信由于其频带宽、容量大、损耗低、抗辐射等诸多优点成为高速通信系统研究热点。

光接收机在整个光纤通信系统中占有重要地位，而前置放大器和限幅放大器是构成光接收机的两个关键电路，所以它们的性能在很大程度上决定了光接收机甚至是光纤通信系统的性能。

为了设计一个满足性能要求、结构简单的光接收机，我们对前置放大器和限幅放大器进行了详细的分析设计，利用电路仿真软件Pspice对跨阻型前置放大器进行了直流分析、交流分析和温度分析等。

也对限幅放大器进行了单元电路的设计与仿真。

通过对两种电路的分析设计，实现了高增益大带宽的放大目标，可以最大地消除寄生参量的影响，减小混合电路的组装环节，使集成电路的速度性能和可靠性得到显著的提高。

关键词：

光接收机，前端放大电路，前置放大器，限幅放大器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofcommunicationtechnologyindustry,opticalfibercommunicationhavebecomethehigh-speedcommunicationssystemsresearchfocusbecauseofitsfrequencybandwidth,largecapacity,lowloss,anti-radiation,andmanyotheradvantages.Opticalreceiverplaysanimportantroleintheopticalcommunicationsystems,andthepreamplifierandlimitingamplifieristhetwokeycircuitswhichconstitutetheopticalreceiver,sotheirperformancelargelydeterminestheperformanceoftheopticalreceiverandeventheopticalfibercommunicationsystems.

Inordertodesignanopticalreceiverwhichmeetstheperformancerequirementsandhasasimplestructure,weanalyzeanddesignthepreamplifierandlimitingamplifierindetail,andweusethecircuitsimulationsoftwarePspicefortransimpedancetypepreamplifier’sDCanalysis,ACanalysisandtemperatureanalysis.Wealsodesignandsimulateunitcircuitoflimitingamplifier.Throughtheanalysisofthetwocircuitdesign,weachievetheamplifiedtargetofhighgainandlargebandwidth,itcaneliminatetheeffectsofparasiticparameterslargelyandreducetheassemblyofhybridcircuits,sothespeedperformanceandreliabilityofintegratedcircuitscanbeimprovedsignificantly.

Keywords:

OpticalReceiver,Front-endAmplifier,Preamplifier,LimitingAmplifier

1.1课题背景5

1.2课题的目的和意义6

1.3光接收机概述及其性能指标6

1.3.2误码率8

1.4论文组织9

第二章前置放大电路分析与设计10

2.1前置放大器概述10

2.2前置放大器类型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跨阻型前置放大器的Pspice仿真13

3.3电路系统设计16

3.3.1电路总体框图设计16

3.4.2使能控制电路19

第四章总结22

参考文献23

致谢24

第一章绪论

1.1课题背景

可靠地实现信息传输容量和传输距离的最大化是通信系统追求的最终技术目标。

对载波调制的频带宽度决定了通信系统的传输容量，频带宽度是随着载波频率的增高而变宽。

在通信技术发展的过程中，载波频率不断地提高，同时传输容量也不断增加。

光纤通信的载波是光波，它是通过光导纤维进行传输的[1]。

光纤通信在现有通信手段中是非常有发展前途的。

在光纤通信系统中，光波频率要比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤，它的损耗比同轴电缆或波导管的损耗低得多[1]。

因此相比较于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多优点:

（1）容许频带很宽，传输容量很大。

（2）损耗很小，可传输的距离很长并且误码率很小。

（3）重量相比较而言很轻，体积也相对较小。

（4）对电磁干扰有很好的抗性。

（5）能很好地对传输信息进行保密。

（6）对金属材料的使用率很高，有利于资源合理使用[1]。

由于以上的优点，光纤通信在信息社会中将发挥越来越重要的作用，它也被认为是影响21世纪的最新技术。

完整的光纤通信系统如图1.1所示，复接器作用是按照某种编码规则将接收到数据速率比较低的并行信号转化成高速串行数据，从而提高光纤通信容量的利用率；激光驱动器是通过产生高强度的电压和电流来将电信号转换为光信号，然后将光信号送入光纤进行传输；光电检测二极管将光脉冲信号转化为微弱的电流信号；前置放大器的作用是将从光电二极管得到的微弱的电流放大并转化成电压信号；限幅放大器将从前置放大器接收到的较小且不稳定的电压信号进行放大，使电压信号到达稳定的幅值并且可满足后续时钟数据恢复电路要求[6]；前置放大器和限幅放大器被合称为前端放大电路，也就是本文的主要设计任务；时钟数据恢复电路将时钟信号提取出来后进行数据的再生；分接器的作用是解串恢复出来的数据，并将得到的数据还原为多路并行数据[4]。

图1.1完整的光纤通信系统

1.2课题的目的和意义

光接收机作为光纤通信系统的主要器件广泛应用于现实生活中，例如光纤通信、光盘系统、光电检测系统等领域[2]。

我们把在一个衬底上集成具有多种功能的光器件、电子器件和光电转换器件所形成的电路称为光电集成电路[12]。

光电集成电路能使寄生参量对集成电路的影响降到最低，也能使混合电路的组装简单化，减少其组装环节，它同时还能显著地提高集成电路的速度性能和可靠性。

光电集成电路在集成电路行业具有很强的竞争力，是因为光电集成的体积小、成品率高、装配容易，并且其成本低，性价比很高，所以光电集成电路被广泛地应用。

光接收机前端放大电路的前置放大器和主放大器是光纤通信系统的两个关键电路，光接收机的性能在很大程度上受他们的影响[9]。

主放大器有自动增益控制（AGC）放大器和限幅放大器两种实现方式，这两种实现方式都有各自的优点,但是限幅放大器比自动增益控制放大器设计更简单、功耗更低、芯片面积更小并且外接元件更少，所以本文经过比较后选择采用限幅放大器来实现光接收机的主放大器[13]。

我们设计一个集成电路需要达到的基本目标是不断减少功耗、不断减小芯片尺寸和不断降低芯片成本[9]。

1.3光接收机概述及其性能指标

光信号在经过光纤传输后，幅度会衰减、波形会展宽，这时就需要光接收机将其转换为电信号，之后再对其进行放大和处理，从而使其恢复为原始的信号。

光接收机是由光检测器、放大器和相关电路组成的，它的核心是光检测器，因为只有光检测器的性能好，能较好的把光信号转换成电信号，后续电路才能对从光检测器中的到的电信号进行放大。

光接收机想要有较好的性能，必须要满足下面的要求：

光检测器的响应度要高、噪声要低并且响应速度要快。

目前PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）在光检测器中比较常见[6]。

在光接收机中，光检测器是在检测完光信号之后再将其装换成电信号的。

光检测器的检测有直接检测和外差检测两种方式[7]。

用检测器直接把光信号转变成电信号的检测方式称为直接检测。

由于直接对光信号进行检测受到信道干扰的影响较严重，我们提出使用中频光信号通过检测器转化为电信号的方法，中频光信号是将本地的振荡光与光纤的输出信号在光混频器产生差拍而产生的，我们把使用本地光振荡器和光混频器提高检测能力的方法称为外差检测[7]。

外差检测方式有许多难点，其中比较典型的是它需要一个单模激光源，这个单模激光源需要有一个非常稳定的频率、很窄的谱线宽度，而且他的相位和偏振方向必须是可控的。

外差检测方式比直接检测方式的接收灵敏度要高，所以这种方式是很有发展前途的通信方式。

目前，直接检测方式由于其简单实用的特点被广泛应用于实用光纤通信系统。

图1.2所示的是采用直接检测方式的数字光接收机方框图，它主要包括光检测器、偏压控制电路、前置放大器、主放大器、AGC电路、时钟提取电路以及取样判决器。

图1.2数字光接收机方框图

光接收机有很多性能参数，其中最重要的有四个：

信噪比，误码率，灵敏度，输入动态范围。

1.3.1信噪比

信噪比（SNR）可以用来定量地对光接收机的性能进行描述[1]。

系统总平均噪声功率（均方噪声电流）为

（1.1）

式中，

为散粒噪声的功率，

为热噪声的功率，

为电子电荷量，

为光电流强度，

为光检测器暗电流强度，

为等效噪声带宽，

为热能量，

为光检测器负载电阻[1]。

外差检测的信噪比

（1.2）

光接收机的噪声强度与光信号功率的大小无关，因为相干光接收机的噪声的强度主要由本振光功率

引入的散粒噪声决定了，因此，上式中

和

项可以略去，由此得到

。

（1.3）

为光检测器的响应能力，用公式可以表示为：

，

为光检测器的量子效率，

为电子电荷量，

光子的能量；其等效噪声带宽

，

为信号的传输速率[1]。

平均信号光功率

可以用

即每比特时间内的光子数的多少来表示，由

和

可得到

（1.4）

公式（1.4）是外差检测的信噪比。

外差检测的平均信号光功率是零差检测的一半，所以得出零差检测的信噪比为

（1.5）

1.3.2误码率

由于信道中噪声以及设备的干扰，所以放大器输出的是一个原信号与系统随机噪声相加后的一个受了干扰的信号，因为噪声功率是随机的，因此在判决时噪声可能会影响判决结果而导致误判。

对码元误判的概率称为误码率。

误码率是在足够长时间内传输的大量码流中，通过误判的码元数与接收的总的码元个数的比值来表示。

1.3.3灵敏度

在规定的误码率条件下，接收机正常工作所需要的最小入射光功率称为接收机灵敏度，即正常接收光信号所需的最小平均光功率[8]。

光接收机内部的随机噪声的大小决定了信号的影响能力也决定了接收机灵敏度，它对中继器与中继器之间最大延伸距离的实现起着关键作用。

1.3.4动态范围

对于微弱输入信号，接收机的随机噪声会导致误码，相反，若对于较大的输入信号，会导致脉冲宽度畸变，从而也会导致误码。

因此，在一定的误码率要求下，除了需要确定最小输入信号幅度（灵敏度）之外，还需要确定输入信号幅度的上限，在这两个值之间的范围称为输入动态范围。

越宽的输入动态范围使得光接收机应用范围越广，越能适应环境的变化，因此输入动态范围也是衡量光接收机的重要指标之一。

此外，设计一个光接收机也要考虑其他的因素，比如说功耗、可靠性、尺寸、性价比，这些因素都能影响到光接收机的性能,想要让接收机的性能达到最优，我们需要在综合考虑各种因素后再进行光接收机前端放大电路的设计[9]。

1.4论文组织

本文的文章结构如下：

第一章为绪论部分，阐述课题背景、目的和意义，以及对光接收机作了简要的介绍。

第二章为前置放大电路分析与设计，简要介绍了前置放大器的三种类型，并对本论文使用的跨阻型前置放大器进行了Pspice仿真。

第三章为限幅放大电路分析，简要地介绍了限幅放大器的各个单元模块，然后从中选取了几个单元电路进行了仿真。

第四章为总结。

第二章前置放大电路分析与设计

2.1前置放大器概述

光接收机作为光纤通信系统的关键模块，它的性能对光纤通信系统的各种性能指标有直接的影响[9]。

光接收机的任务就是把从发送端检测出来的微弱光信号，放大再生成原来的电信号。

设计一个性能优异的光纤通信系统需要光接收机的输出信噪比要高，带宽要足够，幅频特性要好[13]。

前置放大器是光接收机的一个重要组成部分，它的性能对光接收机的设计和最终技术指标有直接影响。

在光电器件和电路结构已经确定的情况下，前置放大器的第一级就有了一个有固定数值的输入电容，因此在依照系统要求，选择适当的电路时，前置放大器第一级输入电阻和偏置电阻的大小就成了我们需要考虑的主要对象。

我们一般使前置放大器的第一级采用场效应晶体管（FET）或双极型晶体管（BJT）。

这两者不论选用哪一种作为前置放大器的第一级，并联源电阻

产生的热噪声都会存在于前置放大器的噪声中。

从上式中我们可以看出，为了使前置放大器的噪声尽可能地小，我们需要加大光电检测器的偏置电阻

和放大器的输入电阻

。

但是，为了使输入电阻变大，输入端的时间常数就会相应的变大，从而导致放大器的高频特性变差，带宽变窄。

因此，我们应该根据系统的具体要求，选择适当的电路形式来实现前置放大器，从而使前置放大器能够满足噪声和带宽两方面要求。

2.2前置放大器类型

前置放大器的电路类型主要有三种：

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。

但由于在本设计中，需要前置放大电路具有较低的输入阻抗，我选取的是跨阻型前置放大器，因此下面对跨阻型前置放大器进行仿真。

2.2.1低阻型前置放大器

低阻型前置放大电路如图2.1所示，它的第一级是双极型晶体管（BJT）放大器，它的输入阻抗较低。

采用这种电路是希望光电转换器和前置放大器所构成的输入电路的时间常数小于信号脉冲宽度，这样就能防止码间干扰。

图2.1低阻型前置放大电路

这种前置放大器选择偏置电阻

是从带宽B的要求出发的,电阻

应该满足

（2.1）

其中，

是总输入电容。

这种电路线路简单，一个简单的均衡电路就能满足接收机的需求，并且它有很大的动态范围。

但是，这种前置放大器的噪声偏大，并且灵敏度较差，所以很少被用在实际当中。

2.2.2高阻型前置放大器

高阻型前置放大电路如图2.2所示。

这种电路由于电阻

很大，所以称之为高阻型前置放大器。

场效应晶体管（FET）放大器作为它的第一级，这种放大电路有比较大的输入阻抗，所以它的噪声比较小。

在这个电路中我们应尽量加大偏置电阻来降低前端电路的噪声，提高接收机的灵敏度。

图2.2高阻型前置放大电路

高阻型前置放大器的带宽公式如下：

（2.2）

其中

是前置放大器的输入电阻，

是总输入电容。

因此上式又可写成

（2.3）

由于

和

都很大，其带宽B较窄，所以信号脉冲失真严重。

因而均衡器在这种电路中将会起到非常重要的作用，用均衡器来补偿在前端电路中受到失真的信号脉冲，这样接收机就能输出一个有利于判决的升余弦函数波形。

这种放大器在低码率工作时所引入的放大器噪声比低阻型前置放大器要小得多，但是它有比较高的输入阻抗，较大的输入电路时间常数，较小的动态范围，因此这种电路只适用于在中低速率系统[8]。

2.2.3跨阻型前置放大器

上面已经介绍了两种放大器，在上述两种放大器中引入负反馈，可以使它们成为跨阻型前置放大器。

在跨阻型前置放大器中，电路的噪声特性并不会和前面两种放大器有不同，虽然噪声特性不变，但在引入负反馈后前置放大器的带宽会提高，这非常有利于高阻型前置放大器的设计[14]。

FET跨阻型前置放大器在接收电路中的应用比较广泛。

但由于高阻型前置放大器的噪声随工作码率的增加而增加的速度比低阻型前置放大器变化的速度大，因此在高码率和超高码率条件下，应该采用BJT跨阻型前置放大器。

BJT跨阻型前置放大器在中低速码率工作时，其引入的噪声比FET跨阻型前置放大器大，但这种电路价廉且耐用，容易买到且更牢固，不易损坏。

图2.3跨阻型前置放大电路

跨阻型前置放大器频带宽度的增加实质上是以增益下降为代价的（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]。

适当地降低放大器的增益对其稳定性有很大的好处。

2.3跨阻型前置放大器的Pspice仿真

由于Pspice仿真软件十分先进，对电路的很多繁琐工作都可以由计算机完成。

我们所做的工作是根据所选用的工艺设计出的初略的电路，进行初步的理论估算，然后再对每个管子的参数进行调整，直至仿真出来的结果满足性能要求。

本文采用Pspice对MOS管尺寸仿真调整，经过多次仿真与参数修改，不断的分析总结，最后得到可满足要求的一套电路参数，如表2.1。

表3.1元件参数表

MOS管

宽长比

M1（NMOS）

2.5/12

M2（PMOS）

120/1.0

M3（NMOS）

14/1.0

M4（NMOS）

1.0/3.0

下面就针对以上参数，对图2.3的电路进行直流分析、交流小信号分析。

一、直流分析

图2.4前置放大器直流特性模拟结果

由图2.4所示，横坐标为对输入电流的扫描，纵坐标为输出电压。

从图中可以看出在0~10uA范围内均是线性的，可见跨阻型前置放大器的线性还是比较好的。

在I=0时，V=3.2V，满足指标要求。

二、交流小信号分析

图2.3的电路只需要把直流电流源I2换成交流电流源就可以进行交流小信号分析。

图2.5前置放大器交流特性模拟结果

图2.5所示的是前置放大器交流特性模拟结果，由图中可知-3dB带宽为3.55MHz，满足指标要求。

第三章限幅放大电路分析

3.1主放大器概述

在光纤通信系统中，光信号在经过超长距离的光纤传输后，接收端只能接收到微弱的光信号。

为了满足后续电路的需求，我们需要将接收端接收到的微弱的光信号转换为电信号，并放大该微弱的电信号，使其到达一个稳定的幅度，然后把该电信号用作时钟恢复和数据判决电路的输入信号，这是对光接收机前端放大电路的要求[10]。

为了满足这个要求，光接收机的前端通常设置前置放大器单元和主放大器单元两个放大单元。

前置放大器在上一章节中我们已经讨论过了，这一章节我们主要讨论主放大器。

主放大器的作用是将接收端接收到的微弱的光信号转换为电信号，并放大该微弱的电信号，使其到达一个稳定的幅度，然后把该电信号用作时钟恢复和数据判决电路的输入信号。

主放大器除了高速度和高增益的要求之外，还有另一个重要的性能指标，就是在较大的输入动态范围内，使输出电平保持在恒定的幅度。

3.2主放大器类型选择

在前文中我们知道了主放大器有两种实现方式：

自动增益控制放大器和限幅放大器。

下面我们对两种放大器进行比较来确定本论文选取哪种放大器来实现光接收机中的主放大器。

光接收机主放大器的两种实现方式各自有各自的特点。

自动增益控制放大器在模拟信号接收系统这方面应用的比较广泛，它通过反馈环路来自动调节放大器的增益，从而能够稳定地输出信号。

自动增益控制放大器稳定工作的时间比较长，并且它有很复杂的电路形式，所以它占用的芯片面积就比较大。

限幅放大器对输入数据的每个脉冲进行直接限幅，也就是说限幅放大器可以抑制数据信号幅度的变化，不管其数据信号是强还是弱，它都能很好地对其有一个抑制作用，自动增益控制放大器存在时间常数问题，而限幅放大器却不存在这个问题[11]。

此外，限幅放大器还取消了增益控制环路，它的电路设计比较简单，芯片面积相对较小，并且它的外界元器件较少，所以芯片移植容易。

限幅放大器还有其他的优点，这里就不全部介绍了。

由于以上优点，在本课题的设计中，我们采用了限幅放大器来实现光接收机的主放大器。

3.3电路系统设计

3.3.1电路总体框图设计

限幅放大器的总体结构框图如图3.1，该电路主要包括偏置电路、使能控制电路、宽带放大电路、输出缓冲电路、直流失调补偿电路和阈值可编程的丢失信号检测电路等[9]。

限幅放大器的总体结构框图如图3.1所示。

图3.1限幅放大电路的总体结构框图

偏置电路主要的任务分为两部分：

一是产生电路所需求的不受温度影响的参考电压；二是为限幅放大器的其他模块提供所需的电流源。

使能控制电路主要控制输出缓冲电路。

宽带放大电路主要任务一是对输入的小信号进行放大，二是为限幅放大器提供与传输数率相适应的带宽。

输出缓冲电路的主要目的一是为限幅放大器提供合适的输出阻抗以实现输出匹配，二是产生稳定的信号输出。

直流失调补偿电路为限幅放大器抑制由于工艺等因素产生的失配引起电路信号的失真。

丢失信号检测电路主要是检测输入信号的幅度值是否有效，如果认为输入信号无效，则开启使能控制电路，抑制限幅放大器真实数据的输出，并发出告警信号。

3.3.2电路性能指标要求

在光接收机中为了满足对信号的放大作用，在光检测器之后设置了前置放大器和主放大器两个放大单元。

一般情况下，为了使噪声降低到最小，人们将前置放大器的带宽设置成大约是数据速率的70%。

这样，在实际的应用中，为了满足带宽的要求，将设计的限幅放大器的带宽设置为至少数据数率一样。

对于本课题，为了使限幅放大器能够满足155Mbps传输数率，它的带宽至少要与传输速率一致；为了能够给后续数据处理电路提供所需要的输入电平，该限幅放大器的增益至少要达到43dB；另外由于光接收机前端电路的输出信号在一定的范围内变化，要求限幅放大器能够有足够宽的输入动态范围。

在设计的调研过程中，为了使课题研究工程更加的贴近实际，符合市场需求，参考了许多相关产品或课题的性能指标要求，来设计工作于155Mbps速率标准下的限幅放大器。

下面是本课题所研究的155Mbps光接收机限幅放大器的性能指标：

（1）基于CHARTERED0.35μmCMOS工艺设计

（2）端口描述差分输入，差分输出

（3）电源电压3.3V/5V

（4）电流≤30mA

（5）小信号带宽≥155MHz

（6）中频增益约为50dB

（7）输入电压范围18mVpp~1800mVpp

（8）差分输出电压摆幅800mVpp~1200mVpp

（9）差分输出波形上升或下降时间≤1000ps

（10）输入丢失信号检测范围5mVpp~50mVpp

3.4单元电路设计与仿真

3.4.1偏置电路

偏置电路在限幅放大器电路中的主要任务一是为电路产生一个具有低温漂系数的基准电压；二是为限幅放大器电路中的其他模块提供相应的电流源。

本课题中用到的基准电压生成电路如图3.