《電子技術(shù)應(yīng)用》
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跨阻放大器自動(dòng)靜噪電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第6期
張書(shū)磊，莫太山，葉甜春
中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029
摘要： 采用0.35 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的應(yīng)用于光纖通信跨阻放大器的自動(dòng)靜噪電路。提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊、比較基準(zhǔn)產(chǎn)生電路、遲滯比較器和靜噪控制單元。當(dāng)輸入信號(hào)減小到低于靜噪使能閾值時(shí)，靜噪模塊將產(chǎn)生靜噪使能信號(hào)，關(guān)閉信號(hào)通路；而當(dāng)輸入信號(hào)增大到高于靜噪解除閾值時(shí)，靜噪模塊將產(chǎn)生靜噪解除信號(hào)，打開(kāi)信號(hào)通路。仿真結(jié)果表明，對(duì)于誤碼率10-10、靈敏度-40 dBm(100 nA)的155 Mb/s跨阻放大器，靜噪使能和靜噪解除兩個(gè)閾值分別為47 nA和85 nA，靜噪遲滯寬度為2.57 dB，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 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

    光網(wǎng)絡(luò)的智能化是光纖通信領(lǐng)域新的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，智能光模塊是其標(biāo)志性產(chǎn)品[1-2]。作為智能光模塊的重要組成部分，光接收機(jī)前端電路智能跨阻放大器TIA（TransImpedance Amplifier）的需求越來(lái)越大。

    光接收機(jī)的靈敏度主要由前置跨阻放大器的噪聲性能所決定。當(dāng)輸入光電流信號(hào)低于靈敏度時(shí)，光接收機(jī)前端的噪聲將在跨阻放大器的輸出端產(chǎn)生大量無(wú)效的隨機(jī)信號(hào)。該隨機(jī)信號(hào)很可能導(dǎo)致判決電路做出錯(cuò)誤的判決，即誤碼；同時(shí)判決電路將占用大量的處理時(shí)間和緩存資源來(lái)分辨是否存在有效信號(hào)，而這些時(shí)間和資源完全可以用來(lái)處理其他功能以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的時(shí)間性能和資源配置[3-4]。
    為了解決上述問(wèn)題，同時(shí)順應(yīng)智能光網(wǎng)絡(luò)的潮流，本文為跨阻放大器引入自動(dòng)靜噪模塊[5-6]，實(shí)現(xiàn)靜噪告警和自動(dòng)靜噪功能。當(dāng)輸入信號(hào)低于靈敏度時(shí)，靜噪模塊將產(chǎn)生靜噪使能（告警）信號(hào)，關(guān)閉信號(hào)通路，避免對(duì)噪聲產(chǎn)生響應(yīng)；而當(dāng)輸入信號(hào)高于靈敏度時(shí)，信號(hào)通路保持導(dǎo)通，跨阻放大器正常輸出。此外，輸入信號(hào)由于受到外界干擾可能出現(xiàn)一些隨機(jī)波動(dòng)而導(dǎo)致靜噪模塊的誤告警，因此在自動(dòng)靜噪模塊中引入回滯機(jī)制，可有效地提高抗干擾能力[7]。
1 結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)
    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(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊、基準(zhǔn)產(chǎn)生電路、遲滯比較器和靜噪控制單元。

    信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊檢測(cè)輸入光電流信號(hào)強(qiáng)度，再將它與基準(zhǔn)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的電流和電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后采用遲滯比較器消除當(dāng)輸入信號(hào)接近設(shè)定門(mén)限時(shí)由于隨機(jī)擾動(dòng)而造成的靜噪誤判，比較結(jié)果將作為靜噪控制單元的控制信號(hào)來(lái)確定是否關(guān)斷信號(hào)通路。
1.1 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊
    跨阻放大器的輸入光電流信號(hào)通常是隨機(jī)二進(jìn)制序列RBS（Random Binary Sequence）的形式[8]，其非零平均值與信號(hào)幅度成嚴(yán)格的線性正比關(guān)系。因此，可以用輸入平均電流來(lái)精確地表示輸入信號(hào)強(qiáng)度。
    MOS管輸入的跨阻放大器可以采用圖2所示的直流恢復(fù)(DC-Restore)電路檢測(cè)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(yùn)放A1組成積分器，對(duì)VOUT和VIN的差值進(jìn)行積分放大；MOS管M1、M2和電阻R1組成反饋網(wǎng)絡(luò)，M2接在跨阻放大器的輸入端，為直流恢復(fù)提供直流通道。初始時(shí)，平均電流流過(guò)跨阻，VOUT<VIN；當(dāng)積分器穩(wěn)定后，VOUT=VIN，流過(guò)跨阻的直流電流為零，輸入信號(hào)的平均電流全部流過(guò)M2，最終精確地完成了直流恢復(fù)。

    通過(guò)MOS管M3與M2匹配可以精確地復(fù)制流過(guò)M2的平均電流，得到圖中所示的IRSSI，作為信號(hào)強(qiáng)度指示器RSSI(Received Signal Strength Indicator)。M3、M4組成共源共柵結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)確地控制遲滯寬度。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)m1和m2的值可以調(diào)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(chǎn)生的靜噪控制信號(hào)對(duì)信號(hào)通路進(jìn)行控制。當(dāng)靜噪使能時(shí)，關(guān)閉信號(hào)通路，輸出固定值；靜噪解除時(shí)，打開(kāi)信號(hào)通路，輸出信號(hào)。
    采用如圖6所示的傳輸門(mén)對(duì)即可完成自動(dòng)靜噪。當(dāng)DIS=1時(shí)，傳輸門(mén)TG1關(guān)閉，TG2導(dǎo)通，關(guān)閉了信號(hào)通路，單轉(zhuǎn)差分的參考電平VS2D_REF作為單轉(zhuǎn)差分的輸入，沒(méi)有有效信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)靜噪；而當(dāng)DIS=0時(shí)，傳輸門(mén)TG1導(dǎo)通，TG2關(guān)閉，打開(kāi)信號(hào)通路，經(jīng)過(guò)單轉(zhuǎn)差分等后續(xù)電路輸出有效信號(hào)。


2 仿真結(jié)果
      本設(shè)計(jì)基于0.35 &mu;m CMOS工藝，采用Cadence Spectre軟件進(jìn)行仿真。自動(dòng)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(dāng)輸入信號(hào)小于IDe-Assert時(shí)，DIS為1，跨阻放大器輸出直流，處于靜噪使能狀態(tài)；而當(dāng)輸入信號(hào)增大到大于IDe-Assert時(shí)，DIS由1變?yōu)?，完成靜噪解除，正常輸出信號(hào)。
    圖8是靜噪使能功能的仿真波形。當(dāng)輸入信號(hào)大于IAssert時(shí)，DIS為0，跨阻放大器正常輸出信號(hào)，處于靜噪解除狀態(tài)；而當(dāng)輸入信號(hào)減小到小于IAssert時(shí)，DIS由0變?yōu)?，完成靜噪使能，輸出直流。
    通過(guò)仿真得到IAssert和IDe-Assert分別為47 nA和85 nA，計(jì)算可得遲滯寬度為2.57 dB。在仿真過(guò)程中人為加入失調(diào)，雖然IAssert和IDe-Assert的絕對(duì)值會(huì)變化，但遲滯寬度保持不變，這是因?yàn)檫t滯寬度與工藝參數(shù)無(wú)關(guān)，僅與兩個(gè)常量的比值有關(guān)，如式(7)所示。
    本文采用0.35 &mu;m CMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于光纖通信跨阻放大器的自動(dòng)靜噪電路。該電路已成功應(yīng)用于光纖通信跨阻放大器中，對(duì)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(gè)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(jī)智能跨阻放大器對(duì)自動(dòng)靜噪功能的需求，具有信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確、遲滯寬度穩(wěn)定、便于閾值調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[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 &mdash; 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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