光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图

接线图 2023年10月21日 10:39 235 admin

　　一个完整的光纤通信系统包括电接口、光发射机、光纤通道、中继器，以及光接收器等，如1所示。光接收器把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生后输出。对于长距离的光纤通信系统，需要有中继器，其作用是把经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大和整形，再生成高强度低失真的光信号，继续传送，以保证良好的通信质量。

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第1张
图1 光纤通信系统基本结构

　　光接收器是光纤传输系统的重要组成部分，它的技术性能指标是整个数字光纤通信系统技术性能指标的综合体现。在光纤通信系统中，光接收器的任务是以最小的附加噪声及失真，将经光纤传输后衰减和畸变的微弱光脉冲信号通过光/电转换变为电脉冲信号，加以放大、均衡与定时再生后还原为与发送端一致的数字脉冲信号。因此，一个高性能的数字光接收器应该具有尽可能高的灵敏度，以适应长距离中继传输的要求。图2给出了一个光接收器的简单系统框图。

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第2张
图2 光接收器系统框图

　　一个完整的光接收器包括：光电二极管（PD）或光探测器、前置放大器、具有均衡和滤波特性的主放大器、时钟恢复电路、数据判决电路，以及进一步的数据处理电路等。

　　光探测器是光/电转换器件，其作用是把接收到的光信号转换为电流，对光探测器的基本要求是高光电转换效率，低附加噪声和快速响应。在经历了光纤衰减后，信号到达接收端时已经很微弱，光探测器产生的光电流也非常微弱（pA），如果采用一般的放大器进行放大，由于放大器本身会引入噪声，后一级放大器必然会将前一级放大器引入的噪声进行放大，因此，信噪比不会得到明显改善。为了解决上述问题，需要一个低噪声、高增益的前置放大器对信号进行放大。因此前置放大器是数字光接收器的关键部分，它应该与光探测器有最佳的匹配，以得到尽可能大的输出信噪比，同时具有将电流信号转换成电压的能力。

　　为了与光探测器达到良好的匹配，并获得较低的噪声和较宽的带宽，前置放大器的增益不能太高。其输出电压范围大约为几至几十亳伏。由于后续时钟恢复及数据判决电路的理想输入电压的范围大约为几百毫伏至一点几伏，中间就需要有进一步获得40～50 dB增益的主放大器，其任务是把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的电平。经主放大器放大后的数据信号需要被重新定时，并进行幅度判决，从而实现数据的再生。再生的数据经分接器降低数据比特速率，供后续的信号处理电路使用。

　　前置放大器作为光接收器中的关键部分，前置放大电路的性能在很大程度上决定了整个光接收器的性能。其作用可总结为阴：

　　（1）将电流信号转变为电压信号；

　　（2）提供较大的放大倍数；

　　（3）引入较小的噪声；

　　（4）提供合适的传输函数。

　　设计光接收前置放大器需要注意以下几点：①较小的等效输入噪声电流，提高灵敏度；②足够的带宽使其与信号速率相适应；③足够大的增益，以克服后续电路噪声的影响。这三个要求是相互矛盾和相互影响的，例如带宽的增加将导致噪声的增加和增益的下降。因此应该合理设计前置放大器以满足实际需要。

　　就前置放大器组态来说，可分为低阻、高阻及跨阻三种。低阻抗前置放大器是一种最基本的放大器电路，具有如图3所示相对简单的拓扑结构。

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第3张
图3 低阻前置放大器

　　这种结构中，探测器产生的光生电流流过偏置电阻Rb后产生信号电压，然后对该电压进行放大。如果放大器噪声相对较低，偏置电阻fib将是产生前置放大器噪声的主要因素。随着电阻凡值的增大，噪声电流减小，但是频率响应变差。该前置放大器带宽受第一级放大器的等效输入电阻Ri和等效输入电容G的限制，即

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第4张

　　从式（5－1）可见，放大器带宽与时间常数RiCi成反比。如果Ci不变，而通过减小风来提高带宽，根据分析可知会增大噪声，从而使信噪比SNR下降。为获得大的带宽，Rb通常取值较小（50Ω或15Ω）。一般选用50Ω的低电阻接在前置放大器的输入端，这种类型较适合于探测器和前置放大器混合集成的光接收器。在这种情况下，传输线被用于连接两个器件，50Ω的电阻能够与传输线较好的匹配，从而可以减少放大器输入端的反射。但是，最大的增益只从传输线至放大器之间获得，而不从探测器至传输线之间获得，系统增益远远低于高阻放大器，噪声性能也不理想。

　　这种低阻前置放大器的特点是简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大。缺点是噪声大，灵敏度低。

　　与低阻前置放大器相反，高阻前置放大器具有高的灵敏度，它的输入阻抗非常高（1～10 MΩ），热噪声非常小。这类前置放大器较早用于低比特率的光接收系统。它是建立在获得最大增益的理论基础上的，作为一个高电阻的受控电流源，需要和一个高负载电阻相匹配以获得最大的增益，其电路拓扑如图4所示。

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第5张
图4 高阻前置放大器

　　高阻抗前置放大器由于其输入阻抗较大，一般不考虑它的输入阻抗对其噪声特性的影响，所以可提供较低的噪声，有着最高的探测灵敏度。但是，由于高阻放大器输入阻抗高，输入电路的时间常数较大，其频率响应也就受到了限制，因此带宽较窄。由于时间常数较大，高阻放大器将对探测信号积分，高阻放大器可以看做是一个积分型前端电路。当信号速率提高时，信号脉冲会产生严重的失真。为使输出的波形有利于定时判决，我们需要采取频率补偿技术。人们通常采用均衡网络，将放大器的极点与均衡网络的零点相匹配，对频响特性进行补偿，使接收器的带宽扩展至所需的值，这就增加了接收器设计的复杂度。而且放大器的极点可能随着系统工作时间而改变，如果不采取零极点的补偿方案，任何零极点的不匹配都会引起接收器灵敏度的下降。高阻放大器的另一个主要缺点是由于其高的输入阻抗使其动态范围受到了限制。由于它对较长的连0、连1的积分效应、基线偏离效应十分明显，只有采用较好的线性编码才可以解决这一问题。

　　通过以上分析可知，虽然高阻抗前置放大器设计成能够得到噪声最小的放大器，但是它存在着两个局限性：① 高的输入阻抗减小了放大器带宽。在宽带应用时，必须进行均衡；②动态范围有限。为了解决这一矛盾，可以采用并联高阻抗负反馈放大器，即跨阻放大器，其电路拓扑如图5所示。

光栅/光放大器中的光接收器前置放大电路图第6张
图5 跨阻抗前置放大器