單片OEIC光接收機(jī)限幅放大器的設(shè)計(jì)

張紅嶺 洪 斌 龔志廣 張連連

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075024）

0 引 言

光纖通信系統(tǒng)以其高速、大容量的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于眾多多媒體網(wǎng)絡(luò)中.光接收機(jī)是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，作為光接收機(jī)前端模擬電路的關(guān)鍵模塊之一的限幅放大器，在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛.首先限幅放大器可以作為光接收機(jī)的主放大器，將來自低噪聲前置放大器的毫伏級信號放大并保持在恒定幾百毫伏，以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)判決和時(shí)鐘恢復(fù)電路輸入電平的需要；其次限幅放大器可用于含無源濾波器的時(shí)鐘恢復(fù)電路，以抑制時(shí)鐘信號的幅度變化.

限幅放大器的幅度約束功能直接作用于每個(gè)脈沖上，對接收信號的幅度波動(dòng)有較好的抑制作用.此外限幅放大器還具有工作速度高，電路設(shè)計(jì)簡單，芯片面積小，功耗低，時(shí)間抖動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn).

1 限幅放大器的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的限幅放大器電路，需要將來自低噪聲前置放大器的輸出信號放大至一定幅度，以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)判決和時(shí)鐘恢復(fù)電路輸入電平的需要.除了大帶寬和高增益的要求外，較大的動(dòng)態(tài)范圍是限幅放大器的另一個(gè)重要性能指標(biāo).本文采用的限幅放大器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.該系統(tǒng)由輸入緩沖、兩級放大、輸出緩沖和失調(diào)電壓補(bǔ)償回路四部分組成.整個(gè)系統(tǒng)采用全差分的電路結(jié)構(gòu)，以降低電源電壓和溫度變化對電路器件的影響，級與級之間直接耦合，各級單獨(dú)提供直流偏置.以達(dá)到提高偏置穩(wěn)定度和減小級間干擾的目的.

圖1 限幅放大器電路框圖

1.1 輸入緩沖

在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，各集成電路之間的信號通道應(yīng)以50Ω的傳輸線來相互連接，以消除信號反射而造成的功率損耗.限幅放大器電路中的輸入緩沖級即用來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電平位移.輸入緩沖一般采用射極（源極）跟隨器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示.

圖2 輸入緩沖級

1.2 輸出緩沖

本文采用兩級的輸出緩沖，以減少信號的上升下降時(shí)間，電路形式如圖3所示，其負(fù)載電阻為50Ω.輸出緩沖采用漏極開路輸出的電流放大單元形式.這樣較之源極跟隨器，其工作速度較快，并可以保持一定的增益，但必須保證其輸出具有足夠大的電流以在50Ω的電阻上產(chǎn)生足夠高的電壓輸出.

圖3 輸出緩沖級

1.3 失調(diào)電壓補(bǔ)償回路

因?yàn)橹鞣糯笃鞲骷壷g采用直接耦合方式，并且增益很高，由前級放大單元的不匹配因素而產(chǎn)生的DC失調(diào)電壓經(jīng)過放大后，會(huì)導(dǎo)致后級放大單元直流工作點(diǎn)大幅度的偏移，甚至可能將最后一級的輸出電壓驅(qū)動(dòng)到一個(gè)幅度極限，使整個(gè)電路失效.為了穩(wěn)定工作點(diǎn)和直流增益，失調(diào)電壓補(bǔ)償回路十分必要.補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理如圖4所示.

電壓失調(diào)補(bǔ)償回路的帶寬由內(nèi)部電阻和外部電容共同決定，如電路框圖1所示.電阻R11、R12、R21和R22.與外接電容C1和C2構(gòu)成了失調(diào)電壓補(bǔ)償回路，用以減小器件不匹配對工作點(diǎn)和放大器增益的影響.C1和C2的電容值應(yīng)足夠大，一般都采取外部連接，以減小補(bǔ)償回路對放大器幅頻特性的影響.

1.4 放大器單元

為使放大器在所需的速率上正常工作，放大器應(yīng)當(dāng)有足夠的帶寬；同時(shí)，限幅放大器放大單元的增益必須足夠大，以保證在輸入較小的信號時(shí)，最后一級放大單元的輸出端信號也能達(dá)到限幅狀態(tài)，從而提高限幅放大器的動(dòng)態(tài)范圍.根據(jù)選擇的工藝不同，放大器單元電路有著不同的電路形式，帶源極跟隨的主放大單元如圖5所示.

圖4 反饋補(bǔ)償原理圖

圖5 源級跟隨式主放大單元

2 仿真測試

利用ORCAD軟件設(shè)計(jì)了限幅放大器，采用輸入輸出緩沖、兩級主放和DC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，圖6給出了其仿真結(jié)果，其中（a）是信號源，（b）是限幅放大器5 Gb／s信號輸出圖，在輸入Vi＝10 mV到Vi＝500 mV的范圍內(nèi)，都有500 m V的穩(wěn)定輸出.

圖6 限幅放大器仿真圖

3 結(jié) 論

本文利用耗盡型PHEMT設(shè)計(jì)了限幅放大器，在1.5 V電源電壓供電下，電路的功耗為70.8 m W.通過仿真表明，在輸入信號幅度為10 m V—500 m V動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，可以保持500 m V的穩(wěn)定輸出幅度.

［1］張明德，孫小菡.光纖通信原理與系統(tǒng).南京：東南大學(xué)出版社，2009

［2］張肅文，陸兆熊.高頻電子線路.北京：高等教育出版社，2005

［3］Zhi-Gong Wang and Manfred Betroth.17GHz-Bandwidth 17dB-Gain 0.3 um-HEMTLow—Power Limiting Amplifier.1995 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers PP.97～98

［4］Makoto Nakamura and Yuhki Imai.Limiting Amplifier with Low Phase Deviation Using an A1GaAs／Ga As HBT.IEEE J-SSC，1992，27（10）：1421～1426