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密集波分复用(DWDM)电路中使用的互阻抗前置放大器的设计和样品制作

J. Wareberg, D. Kennedy, OPTOTEK LTD.
S. Schmidt, LPKF Laser and Electronics

作为密集波分复用电路中使用的光功率计的开发的一部分,我们对一种对数运算互阻抗前置放大器进行了研究,将其性能与另一种开关增益互阻抗前置放大器进行了比较。利用MMICAD LAYOUT™软件以及LPKF C60 样品电路板雕刻机,我们制作了电路的样品。

上市周期以及设计的完整性对当今高度竞争,快速发展的通讯市场而言,是两个至为关键的因素。如果能够在自己的设计室内,利用精密的铣刻系统,生产样品电路板,将使公司受益良多。这意味着,你能更快的获得样品,更好的保护自己的知识产权,同时不会受到任何有害化学物质的侵害。铣刻的线路能够更好的反映CAD系统的综合分析。当应用蚀刻方法量产产品时,你可以据此提出适当的修正。考虑到所有这些益处,设计师们有理由相信,在制作样品电路板时,铣制线路方法和化学方法一样有效。

我们所讨论的对数放大器在运算放大器的反馈回路中使用了一对相互反平行的二极管(图一)。光敏二极管阵列中的一个二极管中的所测得的电流被引到该对数放大器的输入端。


图一:电路原理图(MMICAD SCHEMATIC™)


MMICAD SCHEMATIC™软件被用来做电路布局布线,数据被以扩展Gerber RS-274X格式导出。这个格式能够被LPKF C60样品电路板雕刻机直接识别(图二)。


图二:LPKF ProtoMat® C60雕刻机。


对扩展Gerber RS-274X格式的支持是MMICAD LAYOUT的一个新特性。在这种格式中,“刀具”的信息被以一种标准的方式包含在数据文件中。图三是四通道对数互阻抗放大器在MMICAD LAYOUT中的布线图。


图三 互阻抗放大器布线图。


图四是一张贴片组装后的PCB照片。这个PCB是使用LPKF的样品板雕刻机制作的。


图四 装配板


该样品板使用的FR4材料厚度为62mil,其上有一盎司(35µm)的铜铂。使用这种铣制方法,制作这样一个放大器样品板大约只需要15分钟。由于铣刻的轨迹方正笔直(图五),铣制出来的线路与MMICAD中的设计原型就可以吻合的非常之好。


图五: LPKF ProtoMat® C60加工的10 mil (250µm)铣槽。


为了进行比较,在图六中,我们展示了使用开关增益,实际开关反馈电阻以及对数互阻抗结构时相应的宽动态范围。


图6a:开关增益TIA结构的传输响应。



图6b:基于二极管反馈的TIA结构的传输响应。


图7是均方根噪声电压关于等效光输入功率的函数曲线。我们预先假设了单个光敏二极管的响应率为0.2 Amp/watt。在具体做测量时,我们在前置TIA放大级的输入端导入一个量化的电流,然后用一个连接了电脑的高精度低噪声的16位A/D转换器来测量输出端的噪声水平。为了最小化输入端电流源带来的电气噪声,我们在电流源中使用了低噪声的金属薄膜芯片电阻。


图7 均方根噪声电压比上输入功率。


从以上的测量结果可以看出,对于线性TIA放大级来说,它的均方根噪声响应,不论其为高增益还是低增益,都是一条水平直线。对于低增益放大级,RMS噪声电压大约为20 µV;在高增益的情形,这个值大约为100 µV。在实际应用中,当输入光功率小于–35 dBm时,放大器需要能够从低增益切换到高增益。

与此不同的是,对数TIA前置放大器的RMS噪声电压随着入射光功率的减小而近似线性增加。这是因为,随着入射光功率的减小,从光敏二极管进入放大器的电流随之减小,从而导致反馈二极管的小信号阻抗增加;TIA的增益随之增加,最终引起RMS噪声电压的上升。

结论

这两种互阻抗前置放大器的设计各有利弊。开关增益放大电路相对而言更加稳定而且修正起来简单明了。而对数互阻抗设计允许放大器有更大的动态范围,它的传输函数是简单的线性关系并且它的电路更加简单。在噪声水平方面,开关增益电路对输入信号依赖较少,其高增益和低增益状态下的噪声水平值不同。相反,对数电路的噪声于输入功率线性相关。只有考虑系统的需要,我们才能决定选择怎样的放大器结构。

从样品板的制作活动上考虑,样品板制作的目的是在保证电路电气性能的基础上,通过制作样品板来获得一个令人满意的设计。因此,样品板设备必须能够达到卓越的机械精度。并且,考虑到大多数的设计总是要经过反复的修改,快速高效的样品板制作就能够为设计节约大量的时间。如果把设计图交给当地的电路板厂,让他们代为加工,那么,你通常需要等上一周的时间。等板子终于回来的时候,你可能已经把这个设计放在了一边。对于某些时间紧的项目,如此累积的停顿时间可能成为严重的负担。


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