光模块接收电路原理

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�电流i流过电阻R就会产生电压iR—图(a)�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—TranimpedanceAmplifier）�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VccRiAuo=iRiff(b)Vcc+-RiAuo=KiR(a)对TIATIATIATIA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ICICICIC原理电路�上图是一个低速差分输出的集成电路TIA的内部原理电路自动增益控制（AGCAGCAGCAGC）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IinVoutAGCAGCAGCAGC电路（1111）--------可变跨阻AGCAGCAGCAGC电路(2)--(2)--(2)--(2)--消直流和二极管限幅消直流电路原理AGCAGCAGCAGC电路(3)--(3)--(3)--(3)--混合方案TIATIATIATIA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LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer限幅放大器工作原理和典型电路�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�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PatternGenerator误码检测仪BitErrorDetector光发送模块待测光接收模块DataRxData光可变衰减器Clock什么是比特误码率？�比特误码率(BER—BitErrorRatio)是衡量一个光接收机性能的最基本的参数BER==�BER的表示形式：1×10-N或者1.0E-N(N是正整数)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误码仪(BERT)(BERT)(BERT)(BERT)�误码仪(BitErrorRatioTester)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ClockSourcePatternGeneratorDataBufferClockBufferDataPatterGeneratorOpticalReceiverOpticalTransmitterDecisionCircuitErrorDetectorCounterPatternGeneratorErrorAnalyzerOpticalVariablAttenuatorDataClockOpticalPowermater(Transmmitter)(Receiver)伪随机二进制序列(PRBS)(PRBS)(PRBS)(PRBS)�PRBS：PseudoRandomBinarySequence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D-FFQDCPD-FFQDCPD-FFQDCPD-FFQDCPD-FFQDCPD-FFQDCPD-FFQDCPXORgate27-1PRBSGenerationClock123456(R)7(n)PRBSOutput“n”731231511序列长度（bits）最长连1个数最长连0个数127762,04732,7678,388,6072,147,483,6471110151423223130为何采用PRBSPRBSPRBSPRBS？�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�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和测量误码率时钟和数据恢复(CDR)(CDR)(CDR)(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(ClockandDataRecovery—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)(PLL)(PLL)(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)锁相环(PLL)(PLL)(PLL)(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—VCON分频器PFDChargePumpLoopFiterVCO÷NOutputDataInputupdownCDRCDRCDRCDR典型电路(1)(1)(1)(1)DFlip-FlopCDRCDRCDRCDR典型电路（2222）DFlip-Flop评估CDRCDRCDRCDR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)(APD)(APD)(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�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APDAPDAPDAPD的工作特点�需要比较高(30～70V)的反向偏压，最佳Vapd≈0.9VbrVbr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�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～-4dBmDCDCDCDC－DCDCDCDC升压电路原理DCDCDCDC－DCDCDCDC升压电路波形DCDCDCDC－DCDCDCDC升压典型电路DCDCDCDC－DCDCDCDC输出倍压电路SW1GND2FB3SHDN4VIN5LC1D1D2D3C2C3C4R1R2VapdOUTVccIN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=VO2.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=10C2VC2=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=2VODCDCDCDC－DCDCDCDC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