千兆SFP光纖收發器中控制電路參數的設計與仿真

序言

小型封裝可熱插拔式光纖收發模塊（small form－factor pluggable optical transceiver，簡稱sfp）又稱mini－gbic模塊，是繼標準化的可熱插拔光接口模塊gbic之后的第二代產品，具有小型化、可熱插拔和自診斷功能。本文就千兆sfp光纖收發器中控制電路參數設計及利用cadence軟件仿真進行了討論。

發射模塊主要電路設計

光發射模塊原理

模塊的發送部分包括ld、max3735a芯片和外圍電路。激光器（1310nm）組件由一個專用的集成電路驅動，該集成電路接收差分邏輯信號，并將其轉變成激光器驅動電流。max3735為＋3.3v激光驅動器，接收差分輸入數據并提供驅動激光器需要的偏置電流和調制電流。自動功率控制（apc）反饋環路使平均光功率在整個溫度范圍及工作壽命期間保持恒定。

發送機部分參數設計

max3735激光器驅動芯片包括三個部分：高速調制驅動部分、帶apc環路的激光器偏置功能塊和安全檢測電路。輸出部分由高速差分線和調制電流源構成。max3735芯片已經優化，驅動15歐姆的負載，out＋處所需的最小瞬時電壓是0.6v。本設計中采用的是交流耦合方式，調制電流最大可達85ma，并提供1ma－100ma的偏置電流。

apc控制電路的參數設計及性能改進

為了克服溫度及老化造成的輸出功率的下降，在驅動電路中要采取穩定補償措施，apc可通過兩個途徑實現：

1、自動跟蹤閾值的變化，使ld偏置在最佳狀態。

2、控制調制脈沖電流幅度，自動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，簡單的方法是通過檢測直流光功率控制偏置電流。

自動功率控制電路是發射機中的一個很重要的組成部分，無論溫度和使用年限導致激光器的閾值如何變化，apc電路進行控制，可保證帶有檢測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計

發射機發射的光信號經光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了，光接收機的作用就是把經過傳輸后的微弱光信號轉變為電信號，并放大、整形，再生成原輸入信號，它的主要器件是利用光電效應把光信號轉變為電信號的光電檢測器。

在數字接收模塊中，還要增加判決、時鐘提取和自動增益控制（agc）等電路，在光接收模塊中，首先由光電檢測器（光電二極管或雪崩光電二極管）對光信號解調，將光信號轉換為電信號。光電檢測器的輸出電流信號很小，必須由低噪聲前置放大器進行放大。光電檢測器和前置放大器構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成接收模塊的線性通道，對信號進行高增益放大與整形，提高信噪比，降低誤碼率。判決器和時鐘恢復電路對信號進行再生，光接收模塊性能優劣的主要技術指標是接收靈敏度、誤碼率和信噪比、帶寬和動態范圍。

max3748的組成

max3748芯片通常放置在光電探測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、多級放大器、失調校準電路、輸出緩沖器、功率檢測電路及信號檢測電路組成。

1、輸入緩沖器：輸入緩沖器為每一個輸入信號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。對于max3748的tia，cml輸入緩沖器處于最優化。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disable端接vcc時可禁止輸出。當los端與disable端相連時，只要輸入信號電平低于los閾值，輸出端out＋和out－仍處于靜態電壓狀態（靜噪）。

3、失調校準環路：由于其高增益的特性，在信道傳輸中，max3748易受到信號通道直流失調的影響，在使用占空比為50％nrz碼型的通信系統中，信號的脈寬失真或互阻放大器產生的脈寬失真表現為輸入失調，需要靠失調校準環路抑制。在千兆以太網和光纖通信系統中，電容是不需要的，對于sonet應用，推薦值caz＝0.1μf。

4、功率監測和los顯示：ax3748有一個los電路，指示輸入信號是否低于設置門限，門限值th引腳的外接rth設置，平均峰值功率檢測器將輸入幅值和閾值進行比較，將比較信號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的報警和接觸報警門限。為了防止los在設定閾值附近抖動，在los的報警/解除報警電路中引入了大約2db的滯回。一旦報警產生，los將在輸入信號幅度恢復到所需要的電平vdeassert后解除報警。

spice模型的i/o仿真

spice的i/o宏模型可以用來做si分析，或者通過對其進行仿真來獲取ibis模型數據。這里，通過對max3748的spice的i/o宏模型仿真來驗證其是否滿足1.25g赫茲光收發模塊的性能要求。

為了更好地分析模型，可將網表形式的模型轉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構，下面以max3748差分輸入端口的spice網表為例來進行仿真。

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，通過外部的兩個脈沖源來模擬激勵信號，并分別串連兩個50歐姆的電阻和并聯兩個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，它由每個引腳上的分布參數和兩個引腳之間的寄生參數組成。

差分輸入的每一個端口可由一個等效三極管電路模型n102m006_2和一個恒定源組成，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max3748的芯片資料可知，其上升/下降沿時間為86ps，因此可以確定相應脈沖源的參數，v（8）和v（9）為對應的輸入響應波形，將仿真波形和器件資料提供的參數進行比較，發現兩者的數據基本吻合，因此，仿真波形較好地體現了器件的特性。

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

結語

在實際設計調試過程中，光功率參數的設計還要綜合考慮調制和波長調諧、噪聲特性等各方面因素，才能設計出具有理想傳輸特性的光收發機。