文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)06-0046-03
光網絡的智能化是光纖通信領域新的發展潮流和趨勢，智能光模塊是其標志性產品[1-2]。作為智能光模塊的重要組成部分，光接收機前端電路智能跨阻放大器TIA（TransImpedance Amplifier）的需求越來越大。
光接收機的靈敏度主要由前置跨阻放大器的噪聲性能所決定。當輸入光電流信號低于靈敏度時，光接收機前端的噪聲將在跨阻放大器的輸出端產生大量無效的隨機信號。該隨機信號很可能導致判決電路做出錯誤的判決，即誤碼；同時判決電路將占用大量的處理時間和緩存資源來分辨是否存在有效信號，而這些時間和資源完全可以用來處理其他功能以實現最優的時間性能和資源配置[3-4]。
為了解決上述問題，同時順應智能光網絡的潮流，本文為跨阻放大器引入自動靜噪模塊[5-6]，實現靜噪告警和自動靜噪功能。當輸入信號低于靈敏度時，靜噪模塊將產生靜噪使能（告警）信號，關閉信號通路，避免對噪聲產生響應；而當輸入信號高于靈敏度時，信號通路保持導通，跨阻放大器正常輸出。此外，輸入信號由于受到外界干擾可能出現一些隨機波動而導致靜噪模塊的誤告警，因此在自動靜噪模塊中引入回滯機制，可有效地提高抗干擾能力[7]。
1 結構和電路設計
本文提出的靜噪模塊及其在跨阻放大器中的位置如圖1所示。靜噪功能模塊包括信號強度檢測模塊、基準產生電路、遲滯比較器和靜噪控制單元。
信號強度檢測模塊檢測輸入光電流信號強度，再將它與基準產生電路產生的電流和電壓基準進行比較，然后采用遲滯比較器消除當輸入信號接近設定門限時由于隨機擾動而造成的靜噪誤判，比較結果將作為靜噪控制單元的控制信號來確定是否關斷信號通路。
1.1 信號強度檢測模塊
跨阻放大器的輸入光電流信號通常是隨機二進制序列RBS（Random Binary Sequence）的形式[8]，其非零平均值與信號幅度成嚴格的線性正比關系。因此，可以用輸入平均電流來精確地表示輸入信號強度。
MOS管輸入的跨阻放大器可以采用圖2所示的直流恢復(DC-Restore)電路檢測輸入平均電流。其中，TIA_IN和TIA_OUT分別是跨阻放大器的輸入和輸出。電阻R0、電容C0和運放A1組成積分器，對VOUT和VIN的差值進行積分放大；MOS管M1、M2和電阻R1組成反饋網絡，M2接在跨阻放大器的輸入端，為直流恢復提供直流通道。初始時，平均電流流過跨阻，VOUT<VIN；當積分器穩定后，VOUT=VIN，流過跨阻的直流電流為零，輸入信號的平均電流全部流過M2，最終精確地完成了直流恢復。
通過MOS管M3與M2匹配可以精確地復制流過M2的平均電流，得到圖中所示的IRSSI，作為信號強度指示器RSSI(Received Signal Strength Indicator)。M3、M4組成共源共柵結構，提高了電流源輸出電阻。
遲滯寬度完全由m1與m2的比值決定，因此可以很準確地控制遲滯寬度。同時，通過調節m1和m2的值可以調整遲滯閾值的大小。
1.4 靜噪控制單元
靜噪控制單元利用比較器產生的靜噪控制信號對信號通路進行控制。當靜噪使能時，關閉信號通路，輸出固定值；靜噪解除時，打開信號通路，輸出信號。
采用如圖6所示的傳輸門對即可完成自動靜噪。當DIS=1時，傳輸門TG1關閉，TG2導通，關閉了信號通路，單轉差分的參考電平VS2D_REF作為單轉差分的輸入，沒有有效信號，即實現靜噪；而當DIS=0時，傳輸門TG1導通，TG2關閉，打開信號通路，經過單轉差分等后續電路輸出有效信號。
2 仿真結果
本設計基于0.35 μm CMOS工藝，采用Cadence Spectre軟件進行仿真。自動靜噪功能的仿真波形如圖7、圖8所示。
圖7是靜噪解除功能的仿真波形。當輸入信號小于IDe-Assert時，DIS為1，跨阻放大器輸出直流，處于靜噪使能狀態；而當輸入信號增大到大于IDe-Assert時，DIS由1變為0，完成靜噪解除，正常輸出信號。
圖8是靜噪使能功能的仿真波形。當輸入信號大于IAssert時，DIS為0，跨阻放大器正常輸出信號，處于靜噪解除狀態；而當輸入信號減小到小于IAssert時，DIS由0變為1，完成靜噪使能，輸出直流。
通過仿真得到IAssert和IDe-Assert分別為47 nA和85 nA，計算可得遲滯寬度為2.57 dB。在仿真過程中人為加入失調，雖然IAssert和IDe-Assert的絕對值會變化，但遲滯寬度保持不變，這是因為遲滯寬度與工藝參數無關，僅與兩個常量的比值有關，如式(7)所示。
本文采用0.35 μm CMOS工藝設計并實現了一種應用于光纖通信跨阻放大器的自動靜噪電路。該電路已成功應用于光纖通信跨阻放大器中，對于誤碼率為10-10、靈敏度為-40 dBm(100 nA)的155 Mb/s跨阻放大器，靜噪使能和靜噪解除兩個閾值分別為47 nA和85 nA，靜噪遲滯寬度為2.57 dB，完成了光接收機智能跨阻放大器對自動靜噪功能的需求，具有信號檢測準確、遲滯寬度穩定、便于閾值調節等優點。
參考文獻
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