3-1 動機
此章將對所設計及實現的爆模式光接收器做完整的介紹，在光通訊資料傳送中，如 同步光纖網路(Synchronous Optical Network, SONET)、區域網路(Local Area Network, LAN)及光纖到家(Fiber-To-The-Home, FTTH)，由於可提供大量的多媒體資料傳送，所 移電壓補償(Automatic Offset Cancellation, AOC)來擴大動態範圍及增加靈敏度[8]，以 下依發展的順序做簡介，最後介紹所欲完成的架構圖，如圖3-1 所示為採用迴授方式來
穩定機會，為使它更穩定，需將增益及偏壓狀態設在適當的值，大幅增加設計上的困難 度與時間上的浪費[8][14][15]。
圖 3-1 迴授式爆模式光接收器
由於迴授方式在響應速度及穩定性上的缺點，為了克服這些問題，發展出一種前饋 (feed-forward)方式的架構[8]，如圖 3-2 所示，採用限幅放大器將訊號放大，使得輸出訊 號大小維持恆定，利用頂峰值及底峰值保持器，經由電阻分壓的方法產生適當的參考電 壓”VREF”以讓限幅放大器放大[8][16]，來取代圖 3-1 迴授式補償偏移電壓(offset control)，
用此種方式可使整個接收器具有較好的響應速度及穩定度，速度主要的限制為峰值保持 器，當一封包傳送完後，需有重置訊號重置峰值保持器，以接收下一封包的資料，近年 來的發展驅勢也都採用前饋的方式來完成[3][11][12]。
當採用限幅放大器來取代可變增益放大器時，偏移電壓將會造成訊號的脈波寬度產生 失真(Pulsewidth Distortion)，因訊號判斷的臨界電壓產生變動，所以會使訊號判斷上的 錯誤率增加，造成誤碼率的上升，為解決此問題，在設計此放大器時，需適當的對使用 的級數、增益及自動偏移電壓補償方面做適當的評估[8]。
在限幅放大器所造成的偏移電壓可用圖 3-3 來解釋，當輸入訊號 Vin 有偏移電壓 Voffset，經增益為 A 的放大器放大後，在輸出端會使得偏移電壓被放大為 A*Voffset，
若此訊號繼續被放大，最後可能會使放大器飽和，進入非線性放大，甚至會使輸出訊號 造成嚴重的失真，使資料無法辦識，因此需加入偏移電壓補償電路，以避免因偏移電壓 的產生而對電路造成影響[17]。
在對偏移電壓做補償上，有多種做法，一種為偵測放大器的差動輸出端其共模電壓之
差異，即為放大器輸出偏移電壓，但採用此種方法在爆模式應用上，需同時採用頂峰值 保持器(Top Hold, PH)及底峰值保持器(Bottom Hold, BH)[18]，增加電路設計上的複雜 度。因此當放大器的差動輸出二端具有接近的增益且處理的訊號為不歸零碼
(Non-Return-to-Zero, NRZ)時，取而代之的方法為偵測差動輸出二端訊號的頂峰值即可得 到偏移電壓的資訊[17]，在電路設計上也只需採用頂峰值保持器或底峰值保持器，不管 在電路設計及重置訊號上，都可有效的降低其複雜性。
圖 3-2 前饋光接收器
圖 3-3 偏移電壓經增益級放大
一般爆模式接收器需接收高動態範圍的訊號，所以具有自動增益控制及自動偏移電壓 補償，為了避免不同資料封包間相互干擾，所以需要重置訊號，如圖3-4 所示當轉阻放 大器的輸出電壓大於比較器的臨界電壓時，由於增益的轉換，使得輸出訊號振幅產生變 化，此時若無重置信號，將使頂峰值保持器取出錯誤的訊習，造成訊號放大上的錯誤，
然而，在被動光網路系統中，沒有提供任何重置訊號，因此為了使系統應用上及設計更 加便利，內部需自行產生重置訊號，對於爆模式轉阻放大器，內建重置訊號最常用的方 法為在不同資料封包間的保護時間偵測訊號的遺失[12]，如圖 3-5 所示利用 RC 低通濾 波器取出信號的中間值”Vmid”，再與 V1/4比較，當在保護時間時，Vmid 會放電，直到 高於V1/4時，即自動產生重置訊號。當”BH lvevl”訊號小於”Vref_ENBL時，會產生Reset Enable，即在此封包傳完時需產生重置訊號，若 BH level 未大於 Vref_ENBL時，即不產生
圖 3-4 重置訊號對峰值電路的影響
重置訊號，因轉阻放大器的增益太小，以致於偵測訊號的遺失較不可靠，因訊號經限幅 放大器再放大後，具有較大的振幅，所以可確保訊號偵測上的準確性及可靠度。
經由上面所做的說明，接下來將介紹本設計所採用的架構，主架構採用前饋式完成，
因為應用在爆模式上，所以設計重點著重在自動重置產生的方法，使系統整合性更完 整，在電路設計方面的重點則為如何使電路有好的靈敏度、高動態範圍及快速響應，接 下來將先對整個電路架構做說明，之後再討論細部的電路設計，從自動重置訊號的產生 到各個子電路做分析設計，並提供模擬結果與量測結果，以印證設計上的想法。
圖 3-5 轉阻放大器內建重置訊號產生時序圖
圖3-6 為所設計的整個光接收器架構圖，以下將先從架構介紹起，接著對爆模式應用 上的時序安排與考量做說明，對於各子電路的詳細分析與設計，將在下一節做討論。
在爆模式光接收器中，內部主要的電路，包含轉阻放大器、限幅放大器及峰值保持器，
當接收較強光訊號後，需對內部電路做重置，以避免不同封包之間的資料干擾，然而，
在被動光纖網路系統應用中，其不提供任何的重置訊號給光接收器，此時接收器就需具 備自動重置產生的功能，當自動重置訊號產生後，自動增益及臨界電壓控制可以在預先 規劃好的程序內完成，對於自動重置訊號的產生，最常使用的方法其觀念採用訊號遺失 偵測的方法[11][12][26]，在爆模式傳送過程中，不同封包傳送時有著一段保護時間，此 時訊號完全關閉，所以在這個時候，讓內部自動產生重置訊號，當下一個封包到達時，
偵測到訊號的出現，此時在數個位元的時間內，將重罝訊號關閉，以此方法取得重置訊 號後，要處理爆模式資料將可經由內部一些控制邏輯來完成。
在圖3-6 所示的架構圖中，整個接收器是由爆模式轉阻放大器、爆模式限幅放大器及 一些控制電路組成，當光二極體接收到光訊號後，將它轉換成電流形式，透過轉阻放大 器將電流轉換成單端輸出電壓，利用仿造(dummy)的轉阻放大器取出轉阻放大器的直流 電壓，經由單端對雙端轉換級(Single-to-Differential, S2D)將電壓從單端輸出轉換成雙端 輸出，最後由三級限幅放大器將訊號放大到邏輯準位(Logic level)，透過輸出級推動 50 歐姆的負載，為了達到快速響應及資料放大後的正確性，單端對雙端轉換級及限幅放大 器具有自動偏移電壓補償電路，在保護時間時，透過訊號遺失偵測器，由限幅放大器的
最後一級偵測訊號的遺失，並產生重置訊號，此時由訊號偵測器送出一個短暫的脈波到 磁滯比較器，將轉阻放大器轉換到高靈敏度的高增益模式，等待下一個封包的訊號到 來，當下一個資料封包到達且轉阻放大器的輸出最高電壓大於磁滯比較器的正臨界電壓 時，轉阻放大器立即切換到低增益模式，若轉阻放大器的輸出電壓小於磁滯比較器的正 臨界電壓時，經過一段決定增益是否轉換的時間” tΔ ”，會讓轉阻放大器維持在高增益模 式，且訊號偵測器會送出一訊號”AGC Enable”，讓”S1 off”，在此封包的資料傳輸過程 中將不在做增益的轉換，此動作在避免轉阻放大器的輸出訊號太接近磁滯比較器的轉態
圖 3-6 爆模式光接收器設計架構圖
圖 3-7 AGC 及 AOC 的控制訊號波形
圖3-8 下方所示為訊號遺失產生的時序圖，最上面的時序圖代表限幅放大器最後一級 的輸出訊號，當一個封包傳送完成之後，利用頂峰值保持器的電容對電阻放電，在保護
時間時，此時沒有任何訊號輸入，當V3或V4有一端低於磁滯比較器負臨界電壓時，啟 動重置訊號，當接收到下一個訊號封包時，在V3及V4皆大於磁滯比較器的正臨界轉態 電壓時，重置訊號應關閉，直到傳送的訊號結束後再重新啟動，利用此觀念產生重置訊 號[11][24][26]，重置訊號的產生時機(ON/OFF)與訊號之間的關係，如真值表(Truth Table) 所示。
Truth Table
圖 3-8 訊號遺失偵測電路時序圖
3-3 電路設計與模擬結果
圖 3-9 單擊脈波產生器
圖 3-10 峰值保持電路方塊圖
圖3-11 為所採用的頂峰值訊號保持器，利用電流鏡達到整流的效果，電路實現方式 與頂峰值保持電路(3-3-5)唯一不同的地方在於其將頂峰值保持電路的放電電晶體改為 電阻，因為資料的傳輸已透過編碼方式傳送(ex:8B/10B)，所以利用 RC 充放電的原理，
以判斷何時要對電路做重置的動作[11][12]，同時當訊號到達時，對電容充電到達某一準 位時，即代表訊號已到達，此時將重置訊號關閉，使電路接收訊號並放大，在設計上 R1 為 10kΩ 而 C1 為 2pF 可達到 20ns 的時間常數。
圖 3-11 頂峰值訊號保持器
圖3-12 所示為磁滯比較器[21]，在接收器中有二個地方會使用到，第一個是為了偵測 轉阻放大器輸出訊號大小，控制轉阻放大器的增益，另一個則是用於訊號遺失偵測器 中，用於偵測訊號是否存在，當輸入訊號大於比較器的正臨界電壓vth+時，輸出為高態，
若輸入訊號小於比較器的負臨界電壓vth-時，輸出則為低態，正臨界電壓與負臨界電壓 值的選定，則是由所處理的訊號大小與元件操作狀態決定，利用正迴授的特性，當 (W/L)5/(W/L)3大於一時，此電路具有磁滯比較的功能。
圖 3-12 磁滯比較器
3-3-2 具二種增益模式之轉阻放大器(TIA with dual gain modes)
功能為放大光二極體接收光後所產生的電流訊號，在爆模式傳輸上，局端光接收器所 接收到的光訊號強度，將因來自不同用戶端所傳來而有極大的差異，為了提高接收光訊 號大小的範圍，傳統採用的方法，利用偵測輸出端的訊號準位來控制增益，使用此種方 法通常需具備較長的時間，以準確的取出訊號的平均準位，為了使所偵測到的準位穩 定，需使用較長的RC 時間常數，使得電路的響應速度受到限制，在爆模式傳輸中，為
功能為放大光二極體接收光後所產生的電流訊號，在爆模式傳輸上，局端光接收器所 接收到的光訊號強度，將因來自不同用戶端所傳來而有極大的差異，為了提高接收光訊 號大小的範圍，傳統採用的方法，利用偵測輸出端的訊號準位來控制增益，使用此種方 法通常需具備較長的時間，以準確的取出訊號的平均準位，為了使所偵測到的準位穩 定，需使用較長的RC 時間常數，使得電路的響應速度受到限制，在爆模式傳輸中，為