单片OEIC光接收机限幅放大器的设计

张红岭 洪 斌 龚志广 张连连

（河北建筑工程学院，河北 张家口075024）

0 引 言

光纤通信系统以其高速、大容量的优点被广泛应用于众多多媒体网络中.光接收机是整个光纤通信系统的一个重要组成部分，作为光接收机前端模拟电路的关键模块之一的限幅放大器，在光纤通信系统中应用十分广泛.首先限幅放大器可以作为光接收机的主放大器，将来自低噪声前置放大器的毫伏级信号放大并保持在恒定几百毫伏，以满足后续数据判决和时钟恢复电路输入电平的需要；其次限幅放大器可用于含无源滤波器的时钟恢复电路，以抑制时钟信号的幅度变化.

限幅放大器的幅度约束功能直接作用于每个脉冲上，对接收信号的幅度波动有较好的抑制作用.此外限幅放大器还具有工作速度高，电路设计简单，芯片面积小，功耗低，时间抖动低等优点.

1 限幅放大器的设计

数据传输系统的限幅放大器电路，需要将来自低噪声前置放大器的输出信号放大至一定幅度，以满足后续数据判决和时钟恢复电路输入电平的需要.除了大带宽和高增益的要求外，较大的动态范围是限幅放大器的另一个重要性能指标.本文采用的限幅放大器电路结构如图1所示.该系统由输入缓冲、两级放大、输出缓冲和失调电压补偿回路四部分组成.整个系统采用全差分的电路结构，以降低电源电压和温度变化对电路器件的影响，级与级之间直接耦合，各级单独提供直流偏置.以达到提高偏置稳定度和减小级间干扰的目的.

图1 限幅放大器电路框图

1.1 输入缓冲

在系统应用时，各集成电路之间的信号通道应以50Ω的传输线来相互连接，以消除信号反射而造成的功率损耗.限幅放大器电路中的输入缓冲级即用来实现阻抗匹配和电平位移.输入缓冲一般采用射极（源极）跟随器来实现，如图2所示.

图2 输入缓冲级

1.2 输出缓冲

本文采用两级的输出缓冲，以减少信号的上升下降时间，电路形式如图3所示，其负载电阻为50Ω.输出缓冲采用漏极开路输出的电流放大单元形式.这样较之源极跟随器，其工作速度较快，并可以保持一定的增益，但必须保证其输出具有足够大的电流以在50Ω的电阻上产生足够高的电压输出.

图3 输出缓冲级

1.3 失调电压补偿回路

因为主放大器各级之间采用直接耦合方式，并且增益很高，由前级放大单元的不匹配因素而产生的DC失调电压经过放大后，会导致后级放大单元直流工作点大幅度的偏移，甚至可能将最后一级的输出电压驱动到一个幅度极限，使整个电路失效.为了稳定工作点和直流增益，失调电压补偿回路十分必要.补偿的机理如图4所示.

电压失调补偿回路的带宽由内部电阻和外部电容共同决定，如电路框图1所示.电阻R11、R12、R21和R22.与外接电容C1和C2构成了失调电压补偿回路，用以减小器件不匹配对工作点和放大器增益的影响.C1和C2的电容值应足够大，一般都采取外部连接，以减小补偿回路对放大器幅频特性的影响.

1.4 放大器单元

为使放大器在所需的速率上正常工作，放大器应当有足够的带宽；同时，限幅放大器放大单元的增益必须足够大，以保证在输入较小的信号时，最后一级放大单元的输出端信号也能达到限幅状态，从而提高限幅放大器的动态范围.根据选择的工艺不同，放大器单元电路有着不同的电路形式，带源极跟随的主放大单元如图5所示.

图4 反馈补偿原理图

图5 源级跟随式主放大单元

2 仿真测试

利用ORCAD软件设计了限幅放大器，采用输入输出缓冲、两级主放和DC补偿结构，图6给出了其仿真结果，其中（a）是信号源，（b）是限幅放大器5 Gb／s信号输出图，在输入Vi＝10 mV到Vi＝500 mV的范围内，都有500 m V的稳定输出.

图6 限幅放大器仿真图

3 结 论

本文利用耗尽型PHEMT设计了限幅放大器，在1.5 V电源电压供电下，电路的功耗为70.8 m W.通过仿真表明，在输入信号幅度为10 m V—500 m V动态范围内，可以保持500 m V的稳定输出幅度.

［1］张明德，孙小菡.光纤通信原理与系统.南京：东南大学出版社，2009

［2］张肃文，陆兆熊.高频电子线路.北京：高等教育出版社，2005

［3］Zhi-Gong Wang and Manfred Betroth.17GHz-Bandwidth 17dB-Gain 0.3 um-HEMTLow—Power Limiting Amplifier.1995 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers PP.97～98

［4］Makoto Nakamura and Yuhki Imai.Limiting Amplifier with Low Phase Deviation Using an A1GaAs／Ga As HBT.IEEE J-SSC，1992，27（10）：1421～1426