高速光接收利器：ONET8501T限幅跨阻放大器解析

在高速光通信系統(tǒng)中，高性能的限幅跨阻放大器是不可或缺的關(guān)鍵組件。今天我們就來(lái)深入剖析德州儀器（TI）的ONET8501T，一款專(zhuān)為高速光接收器設(shè)計(jì)的限幅跨阻放大器。

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一、ONET8501T概述

1. 產(chǎn)品特性

ONET8501T擁有諸多令人矚目的特性。它具備10GHz的帶寬，能夠滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?kΩ的差分小信號(hào)跨阻，為信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大提供了有力支持；高達(dá)(2.5mA_{PP})的輸入過(guò)載電流，保證了在強(qiáng)信號(hào)環(huán)境下的穩(wěn)定工作。同時(shí)，它還具備接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）功能，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。在功耗方面，典型功耗僅100mW，非常節(jié)能。其CML數(shù)據(jù)輸出帶有片上50Ω背端匹配，以及片上電源濾波電容，采用單3.3V電源供電，芯片尺寸為940×1195μm。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

ONET8501T的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了SONET OC - 192、SFP + 光接收器、10x光纖通道光接收器、10G以太網(wǎng)接收器、PIN前置放大器 - 接收器以及APD前置放大器接收器等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場(chǎng)景都對(duì)信號(hào)處理的速度和精度有較高要求，而ONET8501T正好能夠滿(mǎn)足。

二、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

1. 總體架構(gòu)

從簡(jiǎn)化的框圖來(lái)看，ONET8501T主要由信號(hào)路徑、電源濾波器、直流輸入偏置控制塊、自動(dòng)增益控制（AGC）和接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）等部分組成。

2. 信號(hào)路徑

信號(hào)路徑包含跨阻放大器級(jí)、電壓放大器和CML輸出緩沖器?？缱璺糯笃鲗?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/2800/" target="_blank">光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，當(dāng)輸入信號(hào)電流超過(guò)一定值時(shí)，通過(guò)非線性AGC電路降低跨阻增益，以限制信號(hào)幅度。電壓放大器提供額外的限幅增益，并將單端輸入電壓轉(zhuǎn)換為差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)。輸出級(jí)提供CML輸出，帶有片上50Ω背端匹配到(V_{CC}) 。

3. 濾波電路

FILTER引腳為PIN光電二極管偏置提供濾波后的(V{CC}) 。片上針對(duì)光電二極管的低通濾波器通過(guò)220Ω的濾波電阻和電容實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角頻率低于5MHz?？缱璺糯笃鞯碾娫措妷和ㄟ^(guò)片上電容進(jìn)行濾波，避免了使用外部電源濾波電容的必要性。輸入級(jí)有單獨(dú)的(V{CC}) 電源（VCC_IN），與限幅和CML級(jí)的電源（VCC_OUT）在芯片上不相連。

4. AGC和RSSI

當(dāng)使用FILTER引腳對(duì)PIN二極管進(jìn)行偏置時(shí)，偏置和RSSI控制電路塊會(huì)監(jiān)測(cè)內(nèi)部光電二極管電源濾波電阻上的電壓降。如果直流輸入電流超過(guò)一定水平，會(huì)通過(guò)受控電流源部分抵消，使跨阻放大器級(jí)保持在足夠的工作范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。自動(dòng)增益控制電路會(huì)調(diào)整AGC放大器的電壓增益，確保整個(gè)放大器具有限幅特性。此外，該電路塊還會(huì)感應(yīng)通過(guò)濾波電阻的電流，并生成與輸入信號(hào)強(qiáng)度成比例的鏡像電流，該鏡像電流可在RSSI_IB輸出端獲取，并通過(guò)外部電阻接地。需要注意的是，要確保RSSIIB焊盤(pán)的電壓不超過(guò)(V{CC}-0.65V) 。如果使用帶有外部偏置的APD或PIN光電二極管，則應(yīng)使用RSSI_EB引腳。不過(guò)，為了在外部光電二極管偏置條件下獲得更高的精度，建議從外部偏置電路導(dǎo)出RSSI。

三、電氣特性詳解

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用ONET8501T時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，VCC_IN和VCC_OUT的電源電壓范圍為 - 0.3V至4.0V，F(xiàn)ILTER1、FILTER2、OUT +、OUT -、RSSI_IB、RSSI_EB的電壓范圍同樣為 - 0.3V至4.0V，輸入電流IN的范圍為 - 0.7mA至3.5mA等。超出這些額定值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

2. 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓為2.97V至3.63V，典型值為3.3V；工作背面芯片溫度范圍為 - 40°C至100°C；FILTER和IN引腳的鍵合線電感為0.3nH至0.5nH；光電二極管電容典型值為0.2pF。

3. 直流電氣特性

在直流電氣特性方面，典型工作條件下（(V{CC}=3.3V) ，(T{A}=25^{circ}C) ），電源電壓為3.3V，輸入電流(I{IN}<1500μA{PP}) 時(shí)，電源電流典型值為28mA等。

4. 交流電氣特性

交流電氣特性中，小信號(hào)跨阻在差分輸出、輸入電流(I{IN}=20μA{PP}) 時(shí)，典型值為7000Ω；小信號(hào)帶寬在(i{IN}=16μA{PP}) 時(shí)，典型值為10GHz；輸入?yún)⒖季礁肼曉?0GHz帶寬下，典型值為0.9μA等。這些特性對(duì)于評(píng)估芯片在高速信號(hào)處理中的性能至關(guān)重要。

四、典型應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

1. 典型應(yīng)用電路

PIN接收器應(yīng)用

在使用內(nèi)部光電二極管偏置的典型光纖接收器中，ONET8501T將PIN光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為差分輸出電壓。FILTER輸入為PIN提供直流偏置電壓，該電壓通過(guò)內(nèi)部220Ω電阻和電容的組合進(jìn)行低通濾波。RSSI輸出用于鏡像光電二極管輸出電流，并可通過(guò)電阻連接到GND。需要注意調(diào)整外部電阻以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的電壓增益需求，但要確保RSSI電壓不超過(guò)(V{CC}-0.65V) 。OUT +和OUT -引腳內(nèi)部通過(guò)50Ω上拉電阻連接到(V{CC}) ，輸出必須通過(guò)交流耦合（如使用0.1μF電容）連接到后續(xù)設(shè)備。

APD接收器應(yīng)用

當(dāng)使用外部光電二極管偏置為APD光電二極管時(shí)，也可使用ONET8501T。不過(guò)，外部偏置的RSSI信號(hào)基于直流偏移值，不如基于光電二極管電流的內(nèi)部偏置RSSI信號(hào)準(zhǔn)確。

2. 組裝建議

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，在組裝過(guò)程中需要仔細(xì)考慮寄生參數(shù)和外部組件。具體建議包括：使用低電容光電二極管并注意雜散電容，將光電二極管靠近ONET8501T芯片放置，以最小化鍵合線長(zhǎng)度和寄生電感；在交流耦合差分輸出引腳OUT +和OUT -使用相同的終端和對(duì)稱(chēng)的傳輸線；對(duì)電源端子VCC_IN、VCC_OUT和GND使用短鍵合線連接，雖然芯片上提供了電源電壓濾波，但可使用額外的外部電容進(jìn)一步改善濾波效果。

五、總結(jié)

ONET8501T作為一款高性能的限幅跨阻放大器，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在高速光通信領(lǐng)域具有重要的地位。電子工程師在設(shè)計(jì)高速光接收器時(shí)，合理選擇和使用ONET8501T，并遵循其設(shè)計(jì)建議和電氣特性要求，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高性能表現(xiàn)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)與ONET8501T相關(guān)的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。