千兆SFP光纤收发器中控制电路参数的设计与仿真

序言

小型封装可热插拔式光纤收发模块（Small Form－Factor Pluggable Optical Transceiver，简称SFP）又称MINI－GBIC模块，是继标准化的可热插拔光接口模块GBIC之后的第二代产品，具有小型化、可热插拔和自诊断功能。本文就千兆SFP光纤收发器中控制电路参数设计及利用Cadence软件仿真进行了讨论。

发射模块主要电路设计

光发射模块原理

模块的发送部分包括LD、MAX3735A芯片和外围电路。激光器（1310nm）组件由一个专用的集成电路驱动，该集成电路接收差分逻辑信号，并将其转变成激光器驱动电流。MAX3735为＋3.3V激光驱动器，接收差分输入数据并提供驱动激光器需要的偏置电流和调制电流。自动功率控制（APC）反馈环路使平均光功率在整个温度范围及工作寿命期间保持恒定。

发送机部分参数设计

MAX3735激光器驱动芯片包括三个部分：高速调制驱动部分、带APC环路的激光器偏置功能块和安全检测电路。输出部分由高速差分线和调制电流源构成。MAX3735芯片已经优化，驱动15欧姆的负载，OUT＋处所需的最小瞬时电压是0.6V。本设计中采用的是交流耦合方式，调制电流最大可达85mA，并提供1mA－100mA的偏置电流。

APC控制电路的参数设计及性能改进

为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，在驱动电路中要采取稳定补偿措施，APC可通过两个途径实现：

1、自动跟踪阈值的变化，使LD偏置在最佳状态。

2、控制调制脉冲电流幅度，自动跟踪微分外量子效率的变化，由于随温度的变化不是很大，因此，简单的方法是通过检测直流光功率控制偏置电流。

自动功率控制电路是发射机中的一个很重要的组成部分，无论温度和使用年限导致激光器的阈值如何变化，APC电路进行控制，可保证带有检测光电二极管的激光器获得恒定的功率值。

接收模块主要电路设计

发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了，光接收机的作用就是把经过传输后的微弱光信号转变为电信号，并放大、整形，再生成原输入信号，它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。

在数字接收模块中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制（AGC）等电路，在光接收模块中，首先由光电检测器（光电二极管或雪崩光电二极管）对光信号解调，将光信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放大。光电检测器和前置放大器构成光接收模块的前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素，主放大器与均衡器构成接收模块的线性通道，对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，降低误码率。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生，光接收模块性能优劣的主要技术指标是接收灵敏度、误码率和信噪比、带宽和动态范围。

MAX3748的组成

MAX3748芯片通常放置在光电探测器和前置放大器之后，限制处理放大器给逻辑输出提供必须的增益，由输入缓冲器、多级放大器、失调校准电路、输出缓冲器、功率检测电路及信号检测电路组成。

1、输入缓冲器：输入缓冲器为每一个输入信号IN＋IN－提供50欧姆的终端电阻，MAX3748与TIA可以直流耦合或交流耦合。对于MAX3748的TIA，CML输入缓冲器处于最优化。高带宽的增益范围大约是53dB。

2、CML输出缓冲：MAX3748限幅放大器是CML输出为阻抗失配和感性连接器提供了较高的容限。输出电流大约是18mA。当DISABLE端接VCC时可禁止输出。当LOS端与DISABLE端相连时，只要输入信号电平低于LOS阈值，输出端OUT＋和OUT－仍处于静态电压状态（静噪）。

3、失调校准环路：由于其高增益的特性，在信道传输中，MAX3748易受到信号通道直流失调的影响，在使用占空比为50％NRZ码型的通信系统中，信号的脉宽失真或互阻放大器产生的脉宽失真表现为输入失调，需要靠失调校准环路抑制。在千兆以太网和光纤通信系统中，电容是不需要的，对于SONET应用，推荐值Caz＝0.1μF。

4、功率监测和LOS显示：AX3748有一个LOS电路，指示输入信号是否低于设置门限，门限值TH引脚的外接Rth设置，平均峰值功率检测器将输入幅值和阈值进行比较，将比较信号反馈给集电极开路输出的LOS，两路控制电压Vassert和Vdeassert定义了LOS的报警和接触报警门限。为了防止LOS在设定阈值附近抖动，在LOS的报警/解除报警电路中引入了大约2dB的滞回。一旦报警产生，LOS将在输入信号幅度恢复到所需要的电平Vdeassert后解除报警。

SPICE模型的I/O仿真

SPICE的I/O宏模型可以用来做SI分析，或者通过对其进行仿真来获取IBIS模型数据。这里，通过对MAX3748的SPICE的I/O宏模型仿真来验证其是否满足1.25G赫兹光收发模块的性能要求。

为了更好地分析模型，可将网表形式的模型转换为电路图形式的模型，并采用层次式的原理图来分析其模型结构，下面以MAX3748差分输入端口的SPICE网表为例来进行仿真。

MAX3748差分输入口的模型INPKG封装电路和INPUT缓冲输入电路组成，INPKG如图1所示。其中，在差分输入端，通过外部的两个脉冲源来模拟激励信号，并分别串连两个50欧姆的电阻和并联两个0.02pF的电容。

INPKG封装子电路主要描述的是差分输入引脚的特性，它由每个引脚上的分布参数和两个引脚之间的寄生参数组成。

差分输入的每一个端口可由一个等效三极管电路模型N102m006_2和一个恒定源组成，用来描述MAX3748的差分输入特性，三极管等效子电路模型n102m006_2如图2所示。

根据原理图，可以做出该I/O口的仿真波形，如图3所示，V（2）和V（3）是在输入端加的脉冲源。根据MAX3748的芯片资料可知，其上升/下降沿时间为86ps，因此可以确定相应脉冲源的参数，V（8）和V（9）为对应的输入响应波形，将仿真波形和器件资料提供的参数进行比较，发现两者的数据基本吻合，因此，仿真波形较好地体现了器件的特性。

同理，根据上述方法，也可作出MAX3748差分输出端的仿真波形，其波形也较好地反应了器件的响应特性。

结语

在实际设计调试过程中，光功率参数的设计还要综合考虑调制和波长调谐、噪声特性等各方面因素，才能设计出具有理想传输特性的光收发机。