跨阻放大器自动静噪电路的设计与实现

张书磊，莫太山，叶甜春

（中国科学院微电子研究所，北京100029）

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。

1.2 比较基准产生电路

比较基准(包括电流和电压基准)的产生电路如图3所示。其中，输入电压VBGR由带隙基准产生，如果反馈环路的增益足够大，则：

I1由带隙基准直接产生，通过 M2、R2与 M0、R0匹配来镜像复制I1，作为电流比较基准IREF。用M1的漏极电压作为电压比较基准VREF，即：

用式(2)表示 I1，并设定 R0/R1=α，则：

其中，VDDIC是由基准产生的芯片内部电源，用于保证得到准确的电压比较基准。

1.3 迟滞比较器

由于外界干扰，输入信号可能发生随机扰动，进而引起静噪判决的误翻转。为了避免这种情况的发生，电路中采用了迟滞比较器。

迟滞比较器的波形图如图4所示，其中IAssert和IDe-Assert分别为静噪使能阈值和静噪解除阈值，二者将输入信号强度分成 3个区域，分别用状态 S0、S1、S2表示。从图中可见，状态S1总是保持之前的状态值，因此可以利用SR锁存器的保持功能产生迟滞现象。

迟滞比较器的电路包括电流比较器、电压比较器、SR锁存器3部分，其原理图如图5所示。信号强度指示IRSSI通过 Mp0与 Mp1、Mp2组成的电流镜分别放大 m1、m2倍之后，通过电流比较器与电流基准IREF进行比较，得到Vcmp1、Vcmp2；二者分别通过电压比较器 CMP1、CMP2与电压基准VREF进行比较，比较结果为两个逻辑值D1、D2；再经SR锁存器转化为静噪控制信号DIS和。

表1 迟滞比较器功能原理描述表

系统迟滞宽度为：

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。

[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.