毕业论文(设计)-FTTH光模块集成电路设计与验证.pdf
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1、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 Th e Ho me)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 Th e Ho me)的基本概念及应用背景,经过详细的 对比和分析,选定 EPON(Et h er n et o ver Pa ssive Opt ic a l Net wo r k)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
2、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(Opt ic a l Lin e Ter min a l)端还是 ONU(Opt ic a l Net wo r k Un it)端的光模块都具有时钟 与数据恢复(CDR,Cl o c k a n d Da t a Rec o ver y)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
3、,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
4、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 II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
5、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。关键词:模拟集成电路设计 FTTH EPON 跨阻放大器 限幅放大器激光驱动器 时钟与数据恢复 锁相环il lAbstractWit h t h e r a pid impr o vmen t o f in f o r ma t io
6、 n t ec h n o l o g y,FTTH(Fiber t o t h e h o me)bec o mes t h e h o t po in t in c o mmu n ic a t io n a r ea.Th e pu r po se o f t h e pa per is t o br in g f o r wa r d a d esig n pr o jec t t o c o n st r u c t a n in t eg r a t ed c ir c u it syst em f br FTTH Tr a n smit e/Rec eive Mo d u l e
7、.At f ir st,t h e ba sic c o n c ept a n d a ppl ic a t io n ba c k g r o u n d o f FTTH a r e in t r o d u c ed.Af t er d et a il ed c o mpa r a t io n a n d a n a l ysis,EPON(Et h er n et o ver Pa ssive Opt ic a l Net wo r k)FTTH pr o t o c o l is c h o o sed f o r t h e FTTH Tr a n smit e/Rec eiv
8、e Mo d u l e.Ch a r a c t er s o f ma n y k in d s o f FTTH Tr a n smit e/Rec eive Mo d u l e pr o d u c t s a r e a n a l ysed.A n ew bu r st mo d e EPON FTTH syst em st r u c t u r e a n d c ir c u it impl emen t io n a r e in t r o d u c ed l a t er.It is sh o wn t h a t t h e pr o po sed syst em
9、 a r c h it ec t u r e ma y o ver c o me t h e sh o r t c o min g s o f t h e pr esen t pr o d u c t s.Th e bu r st mo d e EPON FTTH syst em f ea t u r es CDR(Cl o c k a n d Da t a Rec o ver y)wit h bo t h OLT a n d ONT sid es,a n d d o es n o t n eed a n y ser vo sig n a l s,wh ic h ma y g r ea t l
10、 y simpl f y t h e FTTH syst em d esig n.Th e f ir st st a g e o f t h e pr o po sed syst em a r c h it ec t u r e r ec eive sid e is t r a n simped a n c e a mpl if ier(TIA).Ba sic pa r a met er s o f TIA a r e a n a l ysed in t h is t h esis,u po n wh ic h a syst em st r u c t u r e a n d c ir c u
11、 it impl emen t io n o f bu r st mo d e TIA a r e t h en r esea r c h ed a n d pr o po sed wit h d et a il ed d ia g r a m.Al l c ir c u it s in t h e TIA syst em a r e a l so a n a l ysed in d et a il.Simu l a t io n s f br bo t h c o n t in u e mo d e a n d bu r st mo d e sh o w t h a t t h e pr o
12、 po sed TIA f u l f il l s t h e d esig n r eq u ir emen t s.In o r d er t o t r a n sf o r m t h e wea k vo l t a g e sig n a l t o st a bl e va l u e,a syst em st r u c t u r e a n d c ir c u it impl emen t io n o f l imit in g a mpl if ier(LA)wit h sig n a l d et ec t io n a r e a l so pr o po se
13、d.Th e syst em st r u c t u r e ma y d isa bl e t h e o u t pu t po r t wh en t h e in pu t sig n a l l evel is n o t h ig h en o u g h,pr even t in g t h e o u t pu t f r o m n o ise.Al l c ir c u it s in t h e t r a n simped a n c e a mpl if ier syst em a r e a l so a n a l ysed in d et a il.Simu
14、l a t io n r esu l t s sh o w t h a t t h e pr o po sed LA f u l f il l s t h e d esig n r eq u ir emen t s.Fo r t h e t r a n smit sid e o f t h e pr o po sed syst em a r c h it ec t u r e,ba sic c o n c ept io n o f l a ser d io d e d r iver(LDD)is st u d ied a n d a syst em st r u c t u r e a n d
15、 c ir c u it impl emen t io n o f LDD a r e IVin t r o d u c ed a f t er wo r d s.Th e LDD syst em is wit h a u t o l a ser po wer c o n t r o l l o o p a n d t emper a t u r e c o n pen d sa t e.Ea c h va r ia bl es f br c o n t r o l c a n be set by c o n su mer.Al l c ir c u it s in t h e LDD sys
16、t em a r e a l so a n a l ysed in d et a il.Simu l a t io n r esu l t sh o ws t h a t t h e pr o po sed LDD f u l f il l s t h e d esig n r eq u ir emen t s.A CDR syst em a n d c ir c u it t h a t n eed n t r ef er en c e c l o c k a n d ser vo sig n a l s a r e a l so pr o po sed.Wh en t h e syst e
17、m is in bu r st mo d e,so l o n g a s t h e l o o p is l o c k ed,t h e l o c k ed f r eq u en c y va l u e is sa ved in LPF(Lo w Pa ss Fil t er)o f PLL(Ph a se Lo c k Lo o p).A sel f-ba l a n c ed CP(Ch a r g e pu mp)in t r o d u c ed in t h is t h esis t a k es t h e a d ven t a g e o f c h a r g
18、e ba l a n c e,g en er a t es bia s c u r r en t by it sel f,o ver c o me t h e misma t c h o f CP,a n d f in a l l y g a in s a n ea r l y zer o ph a se er r o r.Simu l a t io n r esu l t s sh o w t h a t t h e pr o po sed CDR syst em meet s t h e d esig n r eq u ir emen t s.Ch a r a c t er s o f b
19、o t h CMOS a n d BiCMOS pr o c ess f br IC(In t eg r a t ed c ir c u it)f a br ic a t io n a r e in vest ig a t d in t h is t h esis.La yo u t a n d ESD(El ec t r o st a t ic Disc h a r g e)d esig n o f ea c h IC f br t h e pr o po sed FTTH T/R Mo d u l e a r e a l so in t r o d u c ed in t h is t h
20、 esis.Th e syst em l evel ver if ic a t io n sh o ws t h a t t h e EPON FTTH t r a n smit t er a n d r ec eiver mo d u l e f o r med by pr o po sed IC meet s t h e d esig n r eq u ir emen t s.Key words:An a l o g IC Desig nLDD CDRFTTHPLLEPON TIA LAv独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文
21、中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:蒋湘日期:2005年12月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在 本论文属于不保密口 Vo年解密后适用本授权书。(请在
22、以上方框内打“J”)学位论文作者签名:蒋湘指导教师签名:日期:2006年2月 日日期:年 月日I1绪论1.1 研究背景1.1.1 FTTH应用背景进入21世纪以来,全球宽带接入网进入了大发展阶段。目前总用户数已经超过 1.5亿,主体是非对称数字用户线路(ADSL)技术。按照IDC的预测,2007年全球宽带 总用户数可能达到2.09亿,其中约2000万用户采用光纤到户(FTTH)技术口。在亚太地区,韩国和日本是宽带接入发展最迅猛的国家,这与政府的大力推动政 策密不可分。韩国宽带普及率达世界第一,占家庭的70%,互联网用户的90%。日本 政府也通过各种国家项目(包括e-Ja pa n u-Ja p
23、a n等)大力推进宽带业务,计划2005年 将宽带用户总数提高到3000万,其中FTTH达到1000万。事实上,日本是世界上推 进FTTH最激进的国家,2004年光纤就已经通达1800多万户家庭,但是用户发展滞 后,2004年大约为200万,2010年计划发展到3000万用户。美国依然是世界最大的宽带接入市场,2004年总用户数超过3200万。美国FCC 将宽带业务定位为2003-2008年的六大目标之一,事实上宽带接入正成为美国普遍服 务的下一个目标。美国宽带接入是以电缆调制解调器(CM)和ADSL为主发展的,光 纤到驻地(FTTP,包括光纤到达普通家庭和小型办公室)也引起不少地方市政、公共
24、公 司、房地产开发商和非主导电信运营商的兴趣,已经建了 270个工程。2004年以来主 导运营商对FTTP的发展也开始变得积极,特别是Ver izo n最激进。主要原因之一是 其管辖地区中心城市的电缆严重老化,需要替换,加上由于电信管制政策鼓励采用新 技术建设网络以及有线电视公司竞争和业务增长的压力,决定一步到位,直接在部分 地区实施FTTPo 2004年已经敷设了约100万FTTP,计划在2005年完成300万FTTP 的网络建设。预计到2009年,全美国FTTP的总数可能达到1180万。我国宽带接入网在近两年发展也十分迅速,到2004年底我国宽带用户已达2500 万,成为仅次于美国的第二大
25、宽带接入市场,其中主导技术是ADSL,大约占70%左 右,其次是以太网技术,还有少量宽带无线接入和电缆调制解调器接入,FTTH主要 处于现场试验和试商用阶段。下图是基于EPON(Et h emet Pa ssive Opt ic a l Net wo r k s)的FTTH光网络应用结构框架。1Tel e.图1.1 EPON FTTH光网络应用结构框架图中应用结构框架分为三个层次。公网传输设备与冗余双核心交换机构成信号传 输的核心层(Co r e La yer)。EPON局端设备(OLT)与光分路器(Spl it t er)以及EPON用 户端设备(ONU)构成接入层(Ac c ess La
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