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FTTH光模块集成电路设计与验证

2020-11-23阅读(309)

FTTH光模块集成电路设计与验证

论文摘要

随着信息技术的高速发展,光纤到户越来越成为通信领域的热点。本文提出一套用于FTTH (Fiber To The Home)光收发模块集成电路的系统结构和电路实现,并加以完备的仿真和验证,以构建一个完整的光纤到户光收发模块系统。论文首先介绍了FTTH (Fiber To The Home)的基本概念及应用背景,经过详细的对比和分析,选定EPON (Ethernet over Passive Optical Network) FTTH作为本文遵循的通信协议作为突发模式光模块设计的目标。在分析各类光通信收发模块的特性和要求以及部分光通信收发模块产品的不足的基础上,论文提出一种EPON突发光模块系统结构和电路实现,该系统结构无论是OLT (Optical Line Terminal)端还是ONU(Optical Network Unit)端的光模块都具有时钟与数据恢复(CDR, Clock and Data Recovery)功能,同时又不需要任何外界的伺服信号,这能大大简化整个光通信系统的设计。论文提出的光模块系统结构的光信号接收最前端为光前置跨阻放大器。论文对光前置放大器做了理论上的参数分析。随后提出一种用于EPON FTTH的带自动增益控制(AGC)的突发模式跨阻放大器系统结构和电路实现,并分析了构成该系统的各个电路子模块的设计思路和工作原理。针对连续模式和突发模式的电路仿真表明,这种突发模式跨阻放大器系统的性能指标符合设计要求。为了将光前置放大器输出的微弱电压信号转化为固定的电压信号,论文提出了一种带信号检测功能的限幅放大器系统结构和电路实现。这种系统结构能够自动检测输入信号的失效,当输入信号失效时可以选择关闭输出信号,以免噪声被放大后传到后级。本文随后分析了构成该系统的各个电路子模块的设计思路和工作原理,并给出了符合设计要求的仿真波形。对于光模块系统结构的发送方向,论文提出了一种功能完备的产品化的激光驱动器系统结构和电路实现。这种系统结构设有自动平均发光功率控制及温度补偿的功能。其中各项控制及补偿的参数都可以由用户自行设置。本文随后分析了构成该系统的各个电路子模块的设计思路和工作原理,并给出了符合设计要求的仿真波形。论文还提出了一种不需要外部参考时钟的时钟产生和数据恢复电路系统和电路实现。当系统工作于突发模式时,只要环路有锁定的情况发生,则锁定的频率点将保存在环路滤波电容中,保证了对于有效信号组信号相位的快速锁定。为了尽可能减小时钟产生和数据恢复电路的相位误差,本文设计了一种自平衡电荷泵电路,从电荷平衡的角度出发,自身产生偏置电流,解决了锁相环电荷泵的失配问题,得到了趋近于零的相位误差。最后的仿真和分析结果表明,本系统的技术指标完全符合设计的要求。在芯片的物理设计与实现方面,论文介绍了CMOS和BiCMOS两种常用集成电路制造工艺的特点,并根据各个集成电路设计要求的不同,分别选择了合适的制造工艺。随后讨论了集成电路的版图设计和静电放电(ESD)保护电路设计,并提出了一种应用于突发模式光模块的系统验证方法。系统验证的结果表明,本文提出的EPON FTTH光模块系统结构符合设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 光模块集成电路研究现状
  • 1.3 FTTH 协议方案的选择
  • 1.4 本文的结构
  • 2 EPON FTTH 光模块系统结构设计
  • 2.1 激光通信收发模块体系结构
  • 2.2 EPON FTTH 光模块的设计要求
  • 2.3 EPON FTTH 突发模式光模块的系统结构
  • 2.4 本章小结
  • 3 突发模式跨阻放大器研究与设计
  • 3.1 跨阻放大器原理
  • 3.2 突发模式跨阻放大器系统结构与技术指标
  • 3.3 突发模式跨阻放大器电路设计
  • 3.4 跨阻放大器电路仿真
  • 3.5 本章小结
  • 4 限幅放大器研究与设计
  • 4.1 限幅放大器原理
  • 4.2 限幅放大器系统结构设计与技术指标
  • 4.3 限幅放大器电路设计与仿真
  • 4.4 本章小结
  • 5 激光驱动器研究与设计
  • 5.1 激光驱动器原理
  • 5.2 突发模式激光驱动器系统结构设计与技术指标
  • 5.3 激光驱动器电路设计与仿真
  • 5.4 突发模式激光驱动器电路设计与仿真
  • 5.5 本章小结
  • 6 突发模式时钟产生电路研究与设计
  • 6.1 NRZ 码时钟恢复电路原理
  • 6.2 突发模式时钟产生系统结构设计与技术指标
  • 6.3 突发模式时钟产生电路设计与仿真
  • 6.4 本章小结
  • 7 后端设计与系统验证
  • 7.1 集成电路制造工艺的选择
  • 7.2 版图设计
  • 7.3 ESD 保护设计
  • 7.4 验证方法与结果分析
  • 7.5 本章小结
  • 8 全文总结
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录1 攻读学位期间发表的论文目录

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