第一章 簡介
1.2 論文架構
第二章一開始會對光纖通訊的收發器做詳盡的介紹，接下來會從 SONET OC192 的收發器規格開始介紹，再來會對於資料序列器中的時脈倍頻器作相位雜 訊分析以求得最佳的迴路參數，並驗證迴路穩定性，在本章中，時脈倍頻器所有 單元的電路設計都會有詳盡的說明。
第三章中描述傳送端中的資料序列器電路設計，並列式信號和串列式信號的 高速轉換是以一個分時多工的多工器來完成，由時脈倍頻器的輸出時脈訊號來控 制多工器的運作，另外會有隨機碼產生器的電路架構及設計，在本章最後，會列 出本電路模擬結果。
第四章首先會介紹雷射二極體驅動器的特性及規格，如何將資料序列器輸出 而來的電壓訊號轉成電流訊號，以及如何在大電流操作下達到高速傳輸的需求，
都會在本章作詳盡的介紹，在本章最後，會列出本電路的量測結果，符合SONET OC192 的標準規格。
在本文最後，我們會在第五章對本篇研究內容做個總結。
第二章
時脈倍頻器
2.1 簡介
在有線通訊系統中有兩個關鍵的元件，就是主要構成傳輸介面的發射器 (transmitter, TX)及接收器(receiver, RX)，圖 2-1 所示為有線傳輸的收發器系統，主 要包括一個發射器、訊號通道(channel)、及接收器，發射器將用戶端的數位資訊轉 換成可以用訊號通道來傳送的信號，常用來做為訊號傳遞的通道媒介有:同軸電 纜、雙絞銅線、及光纖纜線，在通道的另一端為接收器，主要是接收發射器傳送 過來的信號，並將之還原成原來的數位資訊，在本研究中，我們將研究重點放在 光纖通訊系統中。
通道的優劣對於信號被使用者接收到的資訊是否失真影響甚鉅，在光纖通訊 系統中尤其明顯，但是在價格限制下，我們唯有從收發器電路上，做到低雜訊、
低損耗的目標，任何的資料在進入通道前都會經由一個發射器將信號做轉換的處 理，一個雜訊及衰減量太大的發射器可能會讓信號在到達接收端之後，令接收器 無法正確地還原正確的數位資訊，因此發射器是極為關鍵的元件之一。
本章的內容一開始會對於 SONET OC192 收發器的系統架構有一番詳盡的介 紹，並說明發射器的系統規格，由此進入時脈倍頻器的雜訊分析及鎖相迴路的線
圖2-1 有線傳輸收發器系統
性模型，之後會對整個時脈倍頻器的細部電路包括相頻偵測器(phase/frequency detector, PFD)、電荷幫浦電路(charge pump, CP)、迴路濾波器(loop filter, LP)、電壓 控制振盪器(voltage controlled oscillator, VCO)做完整的電路說明。
2.2 發射器及接收器
爲了使信號能透過光纖通道來傳送，我們必須將電子式的信號在傳送端中轉 成光學信號，經過通道之後再將光學信號在接收端中還原成電子式的信號，這種 資料的處理主要是透過一個收發器來實現，收發器主要包括光學元件及電子元件 [18]，這一節主要說明收發器的系統架構。
如圖2-2 所示即為收發器主要包含的系統單元，圖的上半部為接收器部分，下 半部為發射器部分，在發射器部分包含了一個編碼器(Encoder)、十六對一多工器 (MUX)、一個時脈倍頻器(CMU)、及一個雷射二極體驅動電路(LD driver)，編碼器 接收位元組的資料，並將這些資料重新編碼過，以增加資料傳送的正確性，降低 接收器收的資料錯誤，編碼過的資料會由多工器將做序列化成為一筆串列式的高 速序列資料，一個時脈倍頻器從低頻的參考時脈信號產生出高頻的時脈信號當作 多工器資料選擇信號，之後會有一個差動式緩衝器將多工器輸出的信號送給下一 級，以其對雜訊的高容忍度提升多工器輸出的信號品質，資料序列器將電子式的 信號送進雷射二極體驅動電路中，轉成電流信號以激發雷射二極體，使信號能夠 以光的形式在光纖通道中傳遞。
在接收器部分包含一個轉阻放大器(transimpedance amplifier, TIA)、一個限幅 放大器(limiting amplifier, LA)或自動增益控制放大器(auto gain control amplifier, AGC)、以及一個資料及時脈回復電路(clock and data recovery, CDR)，最後會有一
個解多工器(demultiplexer, DEMUX)及一個解碼器(Decoder)，在光纖通訊系統接收
圖2-2 SONET OC-192 收發器架構
器轉成低速的並列式資料，並由解碼器將信號還原送給 位信號系統來處理。
2.3 發射器的雜訊規格
器中，我們會使用一個光二極體(photo diode)或崩潰光偵測器(avalanche photo detector, APD)將由光纖通道接收到的光學信號轉成小電流信號，一個當作後置放 大器的轉阻放大器會將小電流信號轉成電壓形式的信號，轉阻放大器的輸出振幅 大約在數個mV到 50mVpp以上，在傳遞給限幅放大器或自動增益控制放大器將信號 放大到足夠的擺幅，可以給後端的電路作信號處理，高速的串列式信號在此是不 含有時脈信號的成分的，因此接下來需要有一個資料及時脈回復電路從資料中擷 取出原本的時脈信號，並將此類比式的信號重新還原成數位式的資料，高速的串 列資料流最後會被解多工
數
在發射器中最主要的一個設計目標就是如何達到低抖動設計，抖動(jitter)可以 被定義為信號的交錯點(zero crossings)的隨機擾動，在光纖系統的設計中嚴格地規 定了抖動的相關規格[19]，其中對於發射器的時脈倍頻器抖動需求為：在光學量測 中，經過頻寬為50kHz到 80MHz的帶通濾波器之後所量測到的固有產生抖動(jitter
generation)必須小於 0.1UIP-P(unit interval, peak-to-peak)，及 0.01UIRMS(interval,
圖2-3 SONET OC192 發射器輸出眼圖遮罩
們將會以此抖動需求來設計時脈倍頻器 各項迴路參數，將輸出抖動減到最小。
2.4 時脈倍頻器的雜訊分析
peak-to-peak)，或是 10psP-P及1psRMS，SONET OC192 發射器的輸出眼圖遮罩如圖 2-3 所示，在此所產生的抖動來源包括電路產生及光元件產生的抖動[20]，電路產 生的抖動包括發射器的參考時脈信號、資料序列器、及雷射二極體驅動電路，因 此，爲了滿足SONET OC192 的雜訊抖動規格，將發射器的輸出抖動減到越小越 好，在本研究中，雷射二極體驅動電路的抖動規格是以MAXIM的 10.7Gb/s雷射二 極體驅動電路為主，雷射二極體驅動電路在光學的環境下量測到的輸出抖動規格 為 0.2psPP左右[21]，相當於 0.02UIRMS，在資料序列器部份，輸出抖動主要來自於 多工器及時脈倍頻器，而多工器的輸出最後會被一個時脈倍頻器的高速時脈信號 做同步取樣，因此我們假設多工器電路本身累積的抖動為0.2psPP，或0.02UIRMS， 而時脈倍頻器產生的抖動需求則為0.1psPP，或0.01UIRMS，總共的可允許輸出抖動 約為0.5UIPP或0.05UIRMS，在下一節裡，我
的
時脈倍頻器是以一個鎖相迴路(phase lock loop, PLL)為基礎的時脈產生電路 [22][23]，他能將一個低頻的信號合成為多種倍頻的時脈信號，用在資料序列器中，
主要是用來產生多工器將並列式信號轉換成串列式信號過程中所需的選擇信號，
以及最後將多工器輸出的信號作重新取樣，以保持信號的完整性，在真實的環境
中，因為雜訊及電路不匹配的原因，造成鎖相迴路會有相位雜訊(phase noise)的產 .01psRMS，則相當於相位雜訊在位移頻率1MHz之處要低於-100dBc/Hz。
路 pump, CP)及迴路濾波器(loop filter, LP)的熱雜訊in,qp，第三個是電壓控制振盪器 (voltage controlled oscillator, VCO)中LC tank即主動電路的雜散阻抗提供的高頻雜
圖2-4 鎖相迴路相位雜訊源
( ) ( )
偵測器及電荷幫浦電路的增益Iqp/2π (A/rad)，Zlf(s)(V/A)為迴路濾波器的阻抗，Kvco(Hz/V)為電壓控制振盪器的增益，N為除頻器的除數，式 2-4 為電荷幫浦電路 k=1.38×10-23，gm,up為PMOS電晶體的等效轉導，而放電電流源為NPN電晶體，因
提供的雜訊電流為2kTgm,downdf，迴路濾波器的電阻Rz也提供了熱雜訊，在這
圖2-5 電荷幫浦電路及迴路濾波器的雜訊源
(式 2-6)
single sided ectral phase noise density)，因此還要乘上 1/2，最後結果為式 2-7。
2
在來看電壓控制振盪器所提供的雜訊，在這邊我們主要著重的是電壓控制振
頻譜相位雜訊密度，在線性非時變系統(linearity time inva iant, LTI)的假設中，以相 位雜訊模型預測出來的雜訊功率L(△ω)為： 及RLC共振腔的雜訊，F為經驗參數(通常叫做device excess noise number)，k為波茲 曼常數，T為絕對溫度，Ps為共振腔中散逸在阻抗性部分的平均功率，ω0為振盪頻 率，QL為共振腔的等效品質因子，△ω為相對於載波的位移頻率，△ω1/f3
為 1/f3及 1/f2的轉角頻率。
(a) (b)
2
dHnoiseRp noiseRp
⎟⎟
2
L
跟RP，所以主動電路的輸出雜訊為
圖2-9 迴路頻寬最佳化
圖2-10 時脈倍頻器相位雜訊
2.5 鎖相迴路線性模型
為Kvco/s(Hz/V)，最後電壓控制振盪器的輸出信號會經由一個除N的除頻器回授到輸 入點。如果迴路濾波器中有一個極點跟一個零點來增加鎖相迴路的頻率範圍及彈
圖2-12 鎖相迴路開迴路增益頻率響應
圖2-13 鎖相迴路閉迴路增益頻率響應
表 2-1 鎖相迴路參數
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
-40
電路無法辨認是UP 或 DN，我們稱這個非常接近的相位為死區(deadzone)，爲了克 服這種錯誤，增加相位頻率偵測器的線性度，我們會在回授路徑AND 閘後加一個 延遲單元，增加 UP 或 DN 信號的產生時間，圖 2-14(b)為相位頻率偵測器的死區 模擬，死區範圍大約為2ps，圖 2-15 為相位頻率偵測器的 D 型正反器電路，輸入 信號由CK 進入，R 為重設信號，圖 2-16 為相位頻率偵測器的 NAND 閘。
圖2-15 相位頻率偵測器的 D 型正反器
圖2-16 相位頻率偵測器的 NAND 閘
2.7 電荷幫浦電路及迴路濾波器
在相頻偵測器決定相位差之後，信號必須被轉變為電壓的形式，一般即是使 用一個電荷幫浦電路[30]，電荷幫浦電路的基本原理就是依據相頻偵測器輸出的信 號時間充電或放電，圖2-17 所示即為電荷幫浦電路及迴路濾波器的電路圖，主要 是用 PMOS 的輸入差動對及一個 NPN 電晶體電流鏡所組成，充電時由 PMOS 電 流源對輸出點充電，放電是經由 NPN 電流鏡對輸出點放電，使用 NPN 電流鏡可 以加快放電時的反應時間，減少充放電時間的不匹配。
圖2-17 電荷幫浦電路及迴路濾波器
圖2-18 低通濾波器(a)單極點;(b)一個極點一個零點;(c)兩個極點一個零點