關鍵詞： 光收發模塊；SFF；SFP；MAX3861；限幅放大器

引言
隨著光收發模塊尺寸的減小，對帶有接收信號強度指示(RSSI)、結構緊湊的限幅放大器的需求也迅速增長。限幅放大器可提供低抖動數據輸出，而RSSI則可反映出互阻放大器(TIA)增益的變化和激光管的變化，監視光輸入功率。這兩種性能都是可熱插拔的小型化結構(SFP)多源協議及其它應用所必需的。
采用4mm x 4mm QFN微型封裝、內置RSSI的MAX3861適合作SFP模塊的后置放大。它與限幅放大器不同、是一款具有自動增益控制(AGC)功能的后置放大器。在SFP模塊中，AGC放大器并不象限幅放大器那樣具有吸引力。本文討論通過修正MAX3861后置放大器，使其成為一個具有RSSI的限幅放大器。

MAX3861和AGC放大器的應用
通常，AGC放大器在保持固定輸出幅度的前提下，通過反饋環路放大或衰減輸入信號。功率檢測器用來監視放大器輸出、調節可變增益放大器的增益，保持固定的輸出電壓。通過連續反饋方式保證信號不被限幅，輸出電壓與輸入電壓保持線性關系。
線性放大對于引入了光放大器的長距離DWDM系統很實用，這些光放大器，特別是摻鉺光纖放大器(EDFA)會在高電平數據上引入更多的噪聲。AGC對于這種應用非常有用，而限幅放大器則不然。這一點可以從下面的范例中找到答案：通過光二極管-互阻放大器-限幅放大器檢測光信號時，限幅放大器通過限制信號的高、低電平確定數據是“1”還是“0”。如果信號為“1”、而且信噪比相當低，受噪聲的影響，信號有可能跌落到高電平的判決門限以下，使限幅放大器輸出為“0”。如果利用AGC和工作在線性區域的TIA保持一條從光二極管到后置放大器的線性信號通路，可由下一級電路(通常是時鐘和數據恢復單元)做出高、低電平的判決。帶有縱向門限調節的時鐘與數據恢復(CDR)電路可以將電平判決門限調節到噪聲電平以下，以獲得最低誤碼率(BER)。
線性放大器并非對所有系統都是最優的。在沒有光放大器的光纖系統中，假設作用到“1”和“0”電平的噪聲相同，選用限幅放大器比較合適，因為它可以提供快速的輸出瞬態響應，有利于減小輸出抖動。另一方面，由于AGC是線性的，其輸出瞬態響應時間取決于輸入瞬態響應。在一個2.7Gbps模塊內，后置放大器的輸入瞬態響應時間一般在130ps~140ps(20%~80%)范圍內，具體與接收器帶寬、FR4帶狀線的限制以及其它因素有關。這時，AGC放大器的輸出瞬態響應大約為：140ps~150ps。較低的邊沿速度將會導致抖動增大、提高系統的誤碼率。

開環增益控制
為了使MAX3861限制輸入信號的幅度，需要打開AGC環路、增益設置為最大。圖1是MAX3861的AGC環路增益隨VCG的變化關系曲線。當CG+和CG-之間的差分電壓VCG約為80mV時，放大器達到其最大增益：43.5dB，此時，如果輸入為6mVp-p，輸出為920mVp-p。
增益設置方式
從圖1所示MAX3861的增益曲線可以看出：當VCG高于80mV時增益達到飽和，所以，只要(VCG+-VCG-)大于80mV，MAX3861即提供其最大增益。最簡單的設置最大增益的方法是將CG+引腳接Vcc、CG-引腳接地，但這種方式并不切實可行，因為VCG電壓很接近其臨界值：(Vcc-3.5V)至(Vcc+0.5V)，為保證可靠性必須尋求其它解決方案。
CG+引腳利用適當的自偏置電路設置在Vcc-1V，用一個外部電阻RCG將CG-引腳接地可建立一個內部分壓電路，只要CG-引腳的電壓拉得足夠低(至少比CG+引腳的電位低80mV)，放大器將處于限幅狀態。從圖2所示曲線可知：RCG阻值越大、CG-引腳的電位越接近其內部自偏置的狀態，放大器就越接近于AGC模式，輸入信號的邊沿速度直接影響著輸出信號的邊沿速度。如果在芯片的整個供電電壓范圍內(3.0V~3.6V)保持138ps以內的輸入上升時間(20%~80%)，RCG可選擇800kW左右的電阻，阻值也可以低至100kW，最好不要選用100 kW以下的電阻。圖3為具體的檢測電路。當VCG在限定的范圍內、輸入信號幅度高于靈敏度的要求，MAX3861的壓擺率保持固定值，這意味著對于較大的輸出幅度將對應較長的傳輸時間。圖2中的曲線是在Vsc=0伏下測試得到的。
元件數量
限幅模式下MAX3861所需要的元件數量與AGC模式下的元件數相同。AGC模式下需要在CG-和CG+引腳直接連接一個電容CCG，該電容構成AGC的閉環控制回路。限幅模式下，用RCG_連接在CG-與地之間，替代了CCG，MAX3861的外部元件數不變。

開環增益控制環路的影響
從圖4、圖5可以看出，輸出數據的邊沿速率越高、在輸入端產生的反射就越強，MAX3861工作在限幅模式時需要考慮一些額外因素。
輸出抖動
當MAX3861置于限幅模式時能夠減小抖動，從AGC模式轉換到限幅模式確定性抖動(DJ)基本保持不變，圖6表示VIN=6mVp-p和VIN = 20mVp-p時DJ隨CG-外接電阻的變化關系。VIN=6mVp-p時，AGC模式下DJ為29ps p-p，與限幅模式下(RCG->700kW)的DJ基本相同；VIN= 20mVp-p時，AGC模式下DJ為21.1ps p-p，與限幅模式下的DJ相同。
限幅模式和AGC模式下的最大差異在于隨機抖動(RJ)輸出，對于低速的輸入邊沿，線性放大器產生較大的隨機抖動，而限幅放大器的輸出邊沿非常陡、使隨機抖動大大減小。圖7所示曲線表明：RJ隨著RCG-的增大而增大，因為當RCG-增大時，放大器更接近于AGC模式。限幅模式下隨機抖動明顯降低，從而使總輸出抖動大大減小。
輸出幅度
由于增益被設定在最大值，內部放大器處于過驅動，輸出幅度增大約25%，輸出幅度范圍是：500~ 1150mVp-p，而不是400~920mVp-p。
靈敏度
與AGC模式相同，SC引腳能夠控制輸出幅度。所不同的是：由于始終保持最大增益，靈敏度在輸出幅度較低的情況下得到改善。對于920mVp-p的輸出，靈敏度仍為6mVp-p，隨著輸出幅度的降低，靈敏度相應得到改善。實際應用中很難將靈敏度做到4mVp-p以下，因為此時的信號已接近噪聲基底。
不受限幅模式影響的因素
信號檢測、RSSI以及輸出信號監視器不受限幅模式或AGC模式的影響。實驗數據表明：室溫下(25℃)，VRSSI在AGC模式和限幅模式下的相差的最大值為10mV。通常，MAX3861在限幅模式下的性能指標不會低于AGC模式下的性能指標。

結語
MAX3861自動增益控制放大器可以很容易地配置成限幅放大器，而且不會降低系統的性能指標，也沒有增多外部元件的數量。只需簡單的電路修改，MAX3861即可提供一種理想的SFP應用方案。

圖1 放大器增益隨增益控制電壓的變化曲線(左)

圖2 數據上升時間隨CG-引腳外接電阻的變化關系(右)

圖3 MAX3861測試電路

圖4 AGC模式下，MAX3861輸出眼圖(Vcc=3.3V，輸入邊沿速率138ps)

圖5 限幅模式下，MAX3861輸出眼圖(RCG- =1MW，Vcc=3.3V，輸入邊沿速度138ps)

圖6 確定性抖動與CG-外接電阻的關系(輸入上升時間為138ps)

圖7 隨機抖動與CG-外接電阻的關系