10Gb-s PON系統(tǒng)突發(fā)模式接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、面對無源光網(wǎng)絡(luò)(PassiveOpticalNetwork，PON)系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景與國內(nèi)缺乏底層實(shí)現(xiàn)相關(guān)研究的現(xiàn)狀，論文依據(jù)最新的PON標(biāo)準(zhǔn)——IEEE802.3av(10Gbit/sEthernetPON，10G-EPON)標(biāo)準(zhǔn)和ITU-TG.987(10-Gigabit-capablepassiveopticalnetworks，XG-PON》系列建議，重點(diǎn)研究了10Gbit/sPON物理層突發(fā)模式接收技術(shù)及其芯片實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用軟硬

2、件結(jié)合的方法以及自動控制理論，在突發(fā)接收機(jī)結(jié)構(gòu)、超高速峰值檢測、即時(shí)相位技術(shù)等方面提出了一系列新的方法和設(shè)計(jì)思路。采用相對低廉的CMOS工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了速率為10Gbit/s的突發(fā)模式前置放大器芯片與時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路芯片，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域研究的空白，對我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖接入網(wǎng)建設(shè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　針對10G-EPON及XG-PON應(yīng)用提出了前饋式直流耦合(DC-coupled)結(jié)構(gòu)的突發(fā)模式前置放大器結(jié)構(gòu)。利用調(diào)

3、節(jié)型共源共柵(RegulatedCascode，RGC)結(jié)構(gòu)的輸入級減小了電路的輸入電阻，將包括光檢測器電容在內(nèi)的大寄生電容與電路的主極點(diǎn)隔離，在不使用在片電感的前提下提高了帶寬。研制了一種快速響應(yīng)的反饋型峰值檢測模塊，實(shí)現(xiàn)了超高速的自動增益切換與閾值提取功能，解決了大動態(tài)范圍和快速響應(yīng)之間的矛盾。該前置放大器采用低成本的SMIC0.13μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，核心電路面積136μm×90μm，芯片面積425μm×475μm，總功耗23.

4、4mW。經(jīng)測試，電路支持最高為10.3125Gbit/s的多種速率配置模式，提供64.0dBΩ的高跨阻增益與54.6dBΩ的低跨阻增益，輸入動態(tài)范圍大于22.9dB，等效輸入噪聲電流23.4pA/√Hz，滿足突發(fā)接收的應(yīng)用需求。
　　設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于數(shù)字邏輯門的門控振蕩器(GatedVoltage-Vontrolled-Oscillator，GVCO)結(jié)構(gòu)，采用電流模技術(shù)設(shè)計(jì)了一種類似XNOR/XOR門的邏輯單元門，基于

5、這種單元門研制了可工作在突發(fā)模式的環(huán)形壓控振蕩器，從時(shí)域與頻域兩個角度闡述了該門控振蕩器用作突發(fā)模式半速率時(shí)鐘恢復(fù)的工作原理，分析了它的相位捕獲時(shí)間，推導(dǎo)了其調(diào)諧特性與噪聲性能。電路采用SMIC0.18μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，芯片面積425μm×480μm，振蕩頻率3.46GHz-5.15GHz，最高工作速率＞10.3125Gbit/s。無輸入數(shù)據(jù)時(shí)，GVCO在1‰頻偏處的相位噪聲為-74.68dBc/Hz。輸入碼型為27-1偽隨機(jī)碼時(shí)，

6、振蕩器迅速同步到數(shù)據(jù)，在1‰頻偏處相位噪聲為-112dBc/Hz。
　　在半速率門控振蕩器的基礎(chǔ)上提出了一種對相位誤差不敏感的鑒頻器(FrequencyDetector,FD)以及參考鎖頻環(huán)路(FrequencyLockedLoop，F(xiàn)LL)，實(shí)現(xiàn)了單片集成突發(fā)模式(ClockandDataRecovery,CDR)電路芯片。由于環(huán)路結(jié)構(gòu)中取消了鏡像振蕩器，因此避免了電路的失配問題并減小了功耗。采用SMIC0.13μmCMOS工藝

7、對該突發(fā)模式CDR進(jìn)行了流片驗(yàn)證，芯片面積675μm×625μm。測得含輸出緩沖在內(nèi)的芯片總功耗為38.4mW，恢復(fù)出的時(shí)鐘抖動為4.98ps，數(shù)據(jù)抖動5.67ps，同步時(shí)間小于5bit。該芯片可以即時(shí)的實(shí)現(xiàn)10Gbit/s的突發(fā)數(shù)據(jù)恢復(fù)，恢復(fù)出的時(shí)鐘數(shù)據(jù)符合IEEE802.3av標(biāo)準(zhǔn)。
　　本文是江蘇省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《10G-EPON物理層芯片核心技術(shù)研發(fā)》(BE2008128)的重要組成部分，論文所屬的江蘇省科技支撐計(jì)劃