第二章 單晶整合光接收器及等化器相關背景
2.2 等化器相關研究介紹
圖 2. 3 檢光二極體各成分之頻率響應
2.2 等化器相關研究介紹
2.2.1 使用斜率偵測器的單迴圈可適性等化器架構
上節提到 CMOS 製程裡的檢光二極體有著低速的頻率響應，並為了能夠使光 接收器接收不同光波長，需要提出一個可偵測不同光波長的響應並作出合適高頻 補償的可適性等化器架構。
現今已有的純類比可適性等化器(Analog Adaptive Equalizer)架構多應用在電 纜通訊系統，因此和本研究的應用有些許的差異，以下以三種具代表性的可適性 等化器作討論。
傳統的可適性架構中，常使用限幅放大器(Limiting Amplifier)的概念，來得 到一個速度極快但是相位不準確的參考訊號，之後藉由不同的偵測方式，將系統 的輸入訊號與此參考訊號作比較，來得到高頻的差異，進而對輸入訊號作補償。
在圖 2.4[10]中，使用了截波器(Slicer)來得到參考訊號，並利用斜率偵測器 (Slope Detector)攫取高頻的資訊。斜率偵測器將參考訊號及輸入訊號的斜率取出 後，將兩者的差異經過一個比較器放大，再產生控制電壓，進而對訊號作補償。
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圖 2. 4 使用斜率偵測器的單迴圈可適性等化器架構
此架構中使用的斜率偵測器如圖 2.5(a)，它會偵測輸入訊號的斜率，並在輸 出端得到不同大小的訊號，如圖 2.5(b)(c)。此偵測器在雙端輸入訊號大小為 1V 時，其取出的斜率訊號振幅不到 0.2V，再加上迴圈控制時，是用此斜率訊號的平 均值來判斷，因此斜率偵測器會對訊號作嚴重的衰減，大幅減低系統的迴圈增 益。
圖 2. 5 斜率偵測器及其操作行為
在此架構中，無法因應廣範圍的輸入訊號振幅，因為不同振幅會影響斜率偵 測器的操作，如圖 2.6，輸入兩個不同大小的訊號，得到的斜率資訊不只在最高 值有了變化，其產生的振幅也不同。此效應將會影響補償的精準性
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圖 2. 6 斜率偵測器對不同輸入振幅的操作行為
2.2.2 使用高低通濾波器的雙迴圈可適性等化器架構
在圖 2.7 的架構[11]中，利用了比較器(Comparator，CMP)來得到參考訊號，
並利用濾波器(Filter)及整流器(Rectifier)來取出正比於訊號強度(Signal Power) 的電壓，使用的整流器電路和圖 2.6(a)之電路相同。高頻的判斷是利用高通濾波 器(High Pass Filter)取出輸入訊號和參考訊號的差異，並經由之後的誤差放大器 (Error Amplifier)放大後，對電容充放電以改變控制電壓，進而作適當程度的補償。
在這個架構中，還導入了低頻的控制迴路(Control Loop)，是因為訊號經傳輸後，
會因經過電纜的長度不同而有不同的振幅衰減，須將振幅提升到和參考電壓相同，
才不會使電路作過度的高頻補償，此作法改善了前一個架構的缺點。此架構使用 了會對訊號作衰減的濾波器及整流器來取得訊號強度的資訊，因此減低了整個架 構中的迴圈增益。另外，本架構中的兩個迴圈分別控制等化器及增益變化電路，
其中等化器在運作時，會同時改變訊號的低頻及高頻成份，增益變化電路也有同 樣的行為，因此電路中的兩個迴圈時時處在互相影響的狀況，會造成系統無法作 精準的補償。
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圖 2. 7 使用高低通濾波器的雙迴圈可適性等化器架構
2.2.3 使用高低通濾波器的單迴圈可適性等化器架構
圖 2.8 為一種不會因輸入振幅不同而造成補償不精準的單迴圈架構[13]，此 架構分析隨機位元串流(Random Bit Stream)的訊號強度(Signal Power)分佈，並取 出讓高頻及低頻強度相同的分界頻率，以此作為高通及低通濾波器的截止頻率 (Cutoff Frequency)，如圖 2.9，此截止頻率是 0.28 倍的訊號速度。若訊號的高頻 有衰減時，高通濾波器取出的訊號強度會小於低通濾波器的訊號強度，因此會增 加等化器對高頻的補償量。此架構未對訊號的振幅作補償，雖然減少了兩迴圈的 互相作用，但當輸入訊號較小時，經由濾波器得到的判斷訊號也會較小，因此仍 有迴圈增益不足的缺點。表 2.1 是可適性電路相關研究發展比較表。
圖 2. 8 使用高低通濾波器的單迴圈可適性等化器架構
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圖 2. 9 訊號頻譜分析
[10] [11] [13]
Technology 150-GHz SiGe 0.18μm CMOS 0.13μm CMOS
Data rate 10Gb/s 3.5Gb/s 20Gb/s
Supply Voltage 3.3V 1.8V 1.5V
Power Diss. 155mW 80mW 60mW
BER N/A N/A 10-15
Area 810μm×870μm 480μm×730μm 800μm×250μm
表 2. 1 相關研究發展現況總結