千兆SFP光纖收發(fā)器中控制電路參數(shù)的設(shè)計(jì)與仿真

序言

小型封裝可熱插拔式光纖收發(fā)模塊（small form－factor pluggable optical transceiver，簡(jiǎn)稱sfp）又稱mini－gbic模塊，是繼標(biāo)準(zhǔn)化的可熱插拔光接口模塊gbic之后的第二代產(chǎn)品，具有小型化、可熱插拔和自診斷功能。本文就千兆sfp光纖收發(fā)器中控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)及利用cadence軟件仿真進(jìn)行了討論。

發(fā)射模塊主要電路設(shè)計(jì)

光發(fā)射模塊原理

模塊的發(fā)送部分包括ld、max3735a芯片和外圍電路。激光器（1310nm）組件由一個(gè)專用的集成電路驅(qū)動(dòng)，該集成電路接收差分邏輯信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變成激光器驅(qū)動(dòng)電流。max3735為＋3.3v激光驅(qū)動(dòng)器，接收差分輸入數(shù)據(jù)并提供驅(qū)動(dòng)激光器需要的偏置電流和調(diào)制電流。自動(dòng)功率控制（apc）反饋環(huán)路使平均光功率在整個(gè)溫度范圍及工作壽命期間保持恒定。

發(fā)送機(jī)部分參數(shù)設(shè)計(jì)

max3735激光器驅(qū)動(dòng)芯片包括三個(gè)部分：高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)部分、帶apc環(huán)路的激光器偏置功能塊和安全檢測(cè)電路。輸出部分由高速差分線和調(diào)制電流源構(gòu)成。max3735芯片已經(jīng)優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)15歐姆的負(fù)載，out＋處所需的最小瞬時(shí)電壓是0.6v。本設(shè)計(jì)中采用的是交流耦合方式，調(diào)制電流最大可達(dá)85ma，并提供1ma－100ma的偏置電流。

apc控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)及性能改進(jìn)

為了克服溫度及老化造成的輸出功率的下降，在驅(qū)動(dòng)電路中要采取穩(wěn)定補(bǔ)償措施，apc可通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：

1、自動(dòng)跟蹤閾值的變化，使ld偏置在最佳狀態(tài)。

2、控制調(diào)制脈沖電流幅度，自動(dòng)跟蹤微分外量子效率的變化，由于隨溫度的變化不是很大，因此，簡(jiǎn)單的方法是通過檢測(cè)直流光功率控制偏置電流。

自動(dòng)功率控制電路是發(fā)射機(jī)中的一個(gè)很重要的組成部分，無(wú)論溫度和使用年限導(dǎo)致激光器的閾值如何變化，apc電路進(jìn)行控制，可保證帶有檢測(cè)光電二極管的激光器獲得恒定的功率值。

接收模塊主要電路設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了，光接收機(jī)的作用就是把經(jīng)過傳輸后的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并放大、整形，再生成原輸入信號(hào)，它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器。

在數(shù)字接收模塊中，還要增加判決、時(shí)鐘提取和自動(dòng)增益控制（agc）等電路，在光接收模塊中，首先由光電檢測(cè)器（光電二極管或雪崩光電二極管）對(duì)光信號(hào)解調(diào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電檢測(cè)器的輸出電流信號(hào)很小，必須由低噪聲前置放大器進(jìn)行放大。光電檢測(cè)器和前置放大器構(gòu)成光接收模塊的前端，其性能是決定接收靈敏度的主要因素，主放大器與均衡器構(gòu)成接收模塊的線性通道，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，降低誤碼率。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生，光接收模塊性能優(yōu)劣的主要技術(shù)指標(biāo)是接收靈敏度、誤碼率和信噪比、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。

max3748的組成

max3748芯片通常放置在光電探測(cè)器和前置放大器之后，限制處理放大器給邏輯輸出提供必須的增益，由輸入緩沖器、多級(jí)放大器、失調(diào)校準(zhǔn)電路、輸出緩沖器、功率檢測(cè)電路及信號(hào)檢測(cè)電路組成。

1、輸入緩沖器：輸入緩沖器為每一個(gè)輸入信號(hào)in＋in－提供50歐姆的終端電阻，max3748與tia可以直流耦合或交流耦合。對(duì)于max3748的tia，cml輸入緩沖器處于最優(yōu)化。高帶寬的增益范圍大約是53db。

2、cml輸出緩沖：max3748限幅放大器是cml輸出為阻抗失配和感性連接器提供了較高的容限。輸出電流大約是18ma。當(dāng)disable端接vcc時(shí)可禁止輸出。當(dāng)los端與disable端相連時(shí)，只要輸入信號(hào)電平低于los閾值，輸出端out＋和out－仍處于靜態(tài)電壓狀態(tài)（靜噪）。

3、失調(diào)校準(zhǔn)環(huán)路：由于其高增益的特性，在信道傳輸中，max3748易受到信號(hào)通道直流失調(diào)的影響，在使用占空比為50％nrz碼型的通信系統(tǒng)中，信號(hào)的脈寬失真或互阻放大器產(chǎn)生的脈寬失真表現(xiàn)為輸入失調(diào)，需要靠失調(diào)校準(zhǔn)環(huán)路抑制。在千兆以太網(wǎng)和光纖通信系統(tǒng)中，電容是不需要的，對(duì)于sonet應(yīng)用，推薦值caz＝0.1μf。

4、功率監(jiān)測(cè)和los顯示：ax3748有一個(gè)los電路，指示輸入信號(hào)是否低于設(shè)置門限，門限值th引腳的外接rth設(shè)置，平均峰值功率檢測(cè)器將輸入幅值和閾值進(jìn)行比較，將比較信號(hào)反饋給集電極開路輸出的los，兩路控制電壓vassert和vdeassert定義了los的報(bào)警和接觸報(bào)警門限。為了防止los在設(shè)定閾值附近抖動(dòng)，在los的報(bào)警/解除報(bào)警電路中引入了大約2db的滯回。一旦報(bào)警產(chǎn)生，los將在輸入信號(hào)幅度恢復(fù)到所需要的電平vdeassert后解除報(bào)警。

spice模型的i/o仿真

spice的i/o宏模型可以用來做si分析，或者通過對(duì)其進(jìn)行仿真來獲取ibis模型數(shù)據(jù)。這里，通過對(duì)max3748的spice的i/o宏模型仿真來驗(yàn)證其是否滿足1.25g赫茲光收發(fā)模塊的性能要求。

為了更好地分析模型，可將網(wǎng)表形式的模型轉(zhuǎn)換為電路圖形式的模型，并采用層次式的原理圖來分析其模型結(jié)構(gòu)，下面以max3748差分輸入端口的spice網(wǎng)表為例來進(jìn)行仿真。

max3748差分輸入口的模型inpkg封裝電路和input緩沖輸入電路組成，inpkg如圖1所示。其中，在差分輸入端，通過外部的兩個(gè)脈沖源來模擬激勵(lì)信號(hào)，并分別串連兩個(gè)50歐姆的電阻和并聯(lián)兩個(gè)0.02pf的電容。

inpkg封裝子電路主要描述的是差分輸入引腳的特性，它由每個(gè)引腳上的分布參數(shù)和兩個(gè)引腳之間的寄生參數(shù)組成。

差分輸入的每一個(gè)端口可由一個(gè)等效三極管電路模型n102m006_2和一個(gè)恒定源組成，用來描述max3748的差分輸入特性，三極管等效子電路模型n102m006_2如圖2所示。

根據(jù)原理圖，可以做出該i/o口的仿真波形，如圖3所示，v（2）和v（3）是在輸入端加的脈沖源。根據(jù)max3748的芯片資料可知，其上升/下降沿時(shí)間為86ps，因此可以確定相應(yīng)脈沖源的參數(shù)，v（8）和v（9）為對(duì)應(yīng)的輸入響應(yīng)波形，將仿真波形和器件資料提供的參數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)基本吻合，因此，仿真波形較好地體現(xiàn)了器件的特性。

同理，根據(jù)上述方法，也可作出max3748差分輸出端的仿真波形，其波形也較好地反應(yīng)了器件的響應(yīng)特性。

結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，光功率參數(shù)的設(shè)計(jì)還要綜合考慮調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)諧、噪聲特性等各方面因素，才能設(shè)計(jì)出具有理想傳輸特性的光收發(fā)機(jī)。