跨阻放大器自动静噪电路的设计与实现-AET-电子技术应用

跨阻放大器自动静噪电路的设计与实现

来源：电子技术应用2013年第6期

张书磊，莫太山，叶甜春

中国科学院微电子研究所，北京100029

摘要： 采用0.35 μm CMOS工艺设计并实现了一种新的应用于光纤通信跨阻放大器的自动静噪电路。提出的系统结构包括信号强度检测模块、比较基准产生电路、迟滞比较器和静噪控制单元。当输入信号减小到低于静噪使能阈值时，静噪模块将产生静噪使能信号，关闭信号通路；而当输入信号增大到高于静噪解除阈值时，静噪模块将产生静噪解除信号，打开信号通路。仿真结果表明，对于误码率10-10、灵敏度-40 dBm(100 nA)的155 Mb/s跨阻放大器，静噪使能和静噪解除两个阈值分别为47 nA和85 nA，静噪迟滞宽度为2.57 dB，满足系统要求。

关键词： 放大器自动静噪跨阻放大器接收信号强度指示迟滞比较器

中图分类号： TN432
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)06-0046-03

Design and Implementation of an auto-squelch circuit in transimpedance amplifier

Zhang Shulei，Mo Taishan，Ye Tianchun

Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029，China

Abstract： A novel auto-squelch circuit in transimpedance amplifier for optical fiber communication was designed and realized in a standard 0.35 μm CMOS technology. The system architecture described in this paper is composed of a received signal strength detector, a comparing reference generator, a hysteresis comparator and a squelch control cell. When input current signal is below the squelch assert level, the squelch circuit will disable the data path automatically. Otherwise, when input current signal is above the squelch de-assert level, the squelch circuit will open the data path. The squelch circuit was implemented in 155 Mb/s transimpedance amplifier with -40 dBm sensitivity(BER=10-10). The squelch assert and de-assert level are 47 nA and 85 nA respectively. And the squelch hysteresis width is 2.57 dB.

Key words : auto-squelch；TIA；RSSI；hysteresis comparator

光网络的智能化是光纤通信领域新的发展潮流和趋势，智能光模块是其标志性产品[1-2]。作为智能光模块的重要组成部分，光接收机前端电路智能跨阻放大器TIA（TransImpedance Amplifier）的需求越来越大。

   光接收机的灵敏度主要由前置跨阻放大器的噪声性能所决定。当输入光电流信号低于灵敏度时，光接收机前端的噪声将在跨阻放大器的输出端产生大量无效的随机信号。该随机信号很可能导致判决电路做出错误的判决，即误码；同时判决电路将占用大量的处理时间和缓存资源来分辨是否存在有效信号，而这些时间和资源完全可以用来处理其他功能以实现最优的时间性能和资源配置[3-4]。
   为了解决上述问题，同时顺应智能光网络的潮流，本文为跨阻放大器引入自动静噪模块[5-6]，实现静噪告警和自动静噪功能。当输入信号低于灵敏度时，静噪模块将产生静噪使能（告警）信号，关闭信号通路，避免对噪声产生响应；而当输入信号高于灵敏度时，信号通路保持导通，跨阻放大器正常输出。此外，输入信号由于受到外界干扰可能出现一些随机波动而导致静噪模块的误告警，因此在自动静噪模块中引入回滞机制，可有效地提高抗干扰能力[7]。
1 结构和电路设计
   本文提出的静噪模块及其在跨阻放大器中的位置如图1所示。静噪功能模块包括信号强度检测模块、基准产生电路、迟滞比较器和静噪控制单元。

    信号强度检测模块检测输入光电流信号强度，再将它与基准产生电路产生的电流和电压基准进行比较，然后采用迟滞比较器消除当输入信号接近设定门限时由于随机扰动而造成的静噪误判，比较结果将作为静噪控制单元的控制信号来确定是否关断信号通路。
1.1 信号强度检测模块
   跨阻放大器的输入光电流信号通常是随机二进制序列RBS（Random Binary Sequence）的形式[8]，其非零平均值与信号幅度成严格的线性正比关系。因此，可以用输入平均电流来精确地表示输入信号强度。
   MOS管输入的跨阻放大器可以采用图2所示的直流恢复(DC-Restore)电路检测输入平均电流。其中，TIA_IN和TIA_OUT分别是跨阻放大器的输入和输出。电阻R0、电容C0和运放A1组成积分器，对VOUT和VIN的差值进行积分放大；MOS管M1、M2和电阻R1组成反馈网络，M2接在跨阻放大器的输入端，为直流恢复提供直流通道。初始时，平均电流流过跨阻，VOUT<VIN；当积分器稳定后，VOUT=VIN，流过跨阻的直流电流为零，输入信号的平均电流全部流过M2，最终精确地完成了直流恢复。

通过MOS管M3与M2匹配可以精确地复制流过M2的平均电流，得到图中所示的IRSSI，作为信号强度指示器RSSI(Received Signal Strength Indicator)。M3、M4组成共源共栅结构，提高了电流源输出电阻。

     迟滞宽度完全由m1与m2的比值决定，因此可以很准确地控制迟滞宽度。同时，通过调节m1和m2的值可以调整迟滞阈值的大小。
1.4 静噪控制单元
   静噪控制单元利用比较器产生的静噪控制信号对信号通路进行控制。当静噪使能时，关闭信号通路，输出固定值；静噪解除时，打开信号通路，输出信号。
   采用如图6所示的传输门对即可完成自动静噪。当DIS=1时，传输门TG1关闭，TG2导通，关闭了信号通路，单转差分的参考电平VS2D_REF作为单转差分的输入，没有有效信号，即实现静噪；而当DIS=0时，传输门TG1导通，TG2关闭，打开信号通路，经过单转差分等后续电路输出有效信号。

2 仿真结果
本设计基于0.35 μm CMOS工艺，采用Cadence Spectre软件进行仿真。自动静噪功能的仿真波形如图7、图8所示。

    图7是静噪解除功能的仿真波形。当输入信号小于IDe-Assert时，DIS为1，跨阻放大器输出直流，处于静噪使能状态；而当输入信号增大到大于IDe-Assert时，DIS由1变为0，完成静噪解除，正常输出信号。
   图8是静噪使能功能的仿真波形。当输入信号大于IAssert时，DIS为0，跨阻放大器正常输出信号，处于静噪解除状态；而当输入信号减小到小于IAssert时，DIS由0变为1，完成静噪使能，输出直流。
   通过仿真得到IAssert和IDe-Assert分别为47 nA和85 nA，计算可得迟滞宽度为2.57 dB。在仿真过程中人为加入失调，虽然IAssert和IDe-Assert的绝对值会变化，但迟滞宽度保持不变，这是因为迟滞宽度与工艺参数无关，仅与两个常量的比值有关，如式(7)所示。
   本文采用0.35 μm CMOS工艺设计并实现了一种应用于光纤通信跨阻放大器的自动静噪电路。该电路已成功应用于光纤通信跨阻放大器中，对于误码率为10-10、灵敏度为-40 dBm(100 nA)的155 Mb/s跨阻放大器，静噪使能和静噪解除两个阈值分别为47 nA和85 nA，静噪迟滞宽度为2.57 dB，完成了光接收机智能跨阻放大器对自动静噪功能的需求，具有信号检测准确、迟滞宽度稳定、便于阈值调节等优点。
参考文献
[1] JAIN A K.Intelligence in optical networks[J].IEEE Communications Magazine，2001，139(9)：69-70.
[2] ROMANIUK R S.Intelligence in optical networks[J/OL].SPIE Proceedings，2003，5125：17-31[2013-02-03].http://wenku.baidu.com/view/d99e79651ed9ad51f01df2a9.html.
[3] Micrel.Application note 28：data squelch using the MICRF002[EB/OL].(1999-xx-xx)[2013-02-03].http：//www.micrel.com.
[4] Melexis.Application note 28：receiver design notes[EB/OL]. [2003-xx-xx][2013-02-03].http：//www.melexis.com/Assets/Receiver-Design-Notes-3842.aspx.
[5] CHANEY W G，MYERS R T.Squelch systems — New designs for high performance[J].IEEE Transactions on Vehicular Communications，1965，14(1)：126-133.
[6] CARTER A J A.A robust digital signal processing HF squelch[A].Proceeding of COMSIG 1991 on Communication and Signal Processing[C].South Africa，1991：155-159.
[7] PEDRONI V A.Low-voltage high-speed Schmitt trigger and compact window comparator[J].Electronics Letters，2005，41(22)：1213-1214.
[8] RAZAVI B.Design of integrated circuits for optical communications[M].New York：McGraw-Hill，2003.

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