在当今的网络、电信甚至工业系统中传输高速信号的最佳方法是采用光纤模块和光纤电缆。设计工程师们正在开发能高速传输数据的铜线互连电缆和背板解决方案。当速度高达数Gbps以上，或者传输距离超过五米以上时，设计工程师必须解决光纤模块工程师面临的设计问题。本文将探讨光纤模块的电路设计，并讨论如何将这种电路应用到高速电缆互连和背板设计中。
图1为典型的小尺寸可插拔(SFP)光纤模块的内部电路。在该模块中，信号通过发送光学子装置(TOSA)被发送出去。TOSA由激光二极管驱动器芯片驱动，这个驱动器芯片须维持TOSA上的偏置电流，并迅速驱动激光二极管以传送代表数据的光脉冲。接收端为接收光学子装置(ROSA)，它由一个接收PIN二极管和一个跨阻放大器TIA)组成。TIA将光能转换成电信号。
当光链路较长或者激光的输出功率较低时，ROSA上TIA输出端将出现小信号摆动，这时需要在TIA之后采用限幅后置放大器以对TIA信号进行可预测的放大，而不用考虑输入振幅。
图1：(a) 典型SFP模块的内部电路；(b) 光学模块电路的结构框图。
后置放大器的主要功能是以最低的噪声放大小信号，并为输出端提供标准逻辑电平。后置放大器可以传输峰峰值电压(以下提到的电压均为峰峰值)低至5mV的差分信号，并将放大为标准的CML或LVPECL逻辑电平。光学模块后面的高速串行芯片能可靠地对ROSA输入信号的“放大”电平进行解码。
当两个或更多机架需要采用铜线电缆进行连接时，信号振幅将发生衰减。衰减量取决于所用的铜线、信号速度和电缆长度。比如，RG-174同轴电缆的衰减量为1.3dB/米@1.5GHz。因此，10米电缆将产生13dB的衰减量。如果通过10米的RG178电缆在1.5MHz频率下发送400mV的差分信号，则输出为90mV。
LVDS、CML和LVPECL器件很难对低于100mV的信号进行解码。以10米的RG-174电缆为例，远端的信号将很难进行解码(即使有可能的话)。当通过电缆的信号频率增加时，允许的电缆长度随之缩短。因此，随着信号频率增加，传输前的400m的差分信号将迅速下降到100mV以下。
限幅后置放大器将输入信号可预知地重新放大至适当的CML或LVPECL电平，即使输入电平只有5mV。采用后置放大器的缺点是要用到信号检测(SD)或信号丢失(LOS)引脚。这种引脚会在信号丢失或者接收到有效信号时发出警告。可以调节该引脚来设置峰峰值电平，给出SD或者LOS指示，从而将诊断功能增加到高速系统中。图2给出了后置放大器的结构框图和执行功能。
图2：限幅后置放大器的结构框图和功能。
采用限幅后置放大器对传输距离达1米的背板解决方案(包括多个连接器和扩充卡)有好处。将后置放大器置于较远的目的位置，系统设计工程师能有效地清除被发送数据或时钟的故障眼图。然而，有时候故障眼图衰减很大，因此重现原始信号的唯一方法就是采用低噪声后置放大器。随着背板速度的不断增加，这种方法已变得越来越重要。
当信号速度达到4Gbps~6Gbps时，利用后置放大器来重现衰减的信号可能不足以解决信号完整性问题，因此市场上出现了新的带预加重功能的器件，以驱动更长距离的背板连线。当驱动器向背板发送信号时，这些器件能在很短时间内放大信号的上升沿以增大斜率。图3显示了带预加重的驱动器的工作原理。那些在上升沿上放大幅度可调以及放大持续时间可控的器件具有最大的灵活性。
用来应对传输高速信号或者长距离传输信号的挑战的另一个解决方案是在信号的目的位置增加均衡(EQ)。给接收器增加均衡功能并非新概念，在视频和高速通信系统中采用主动或被动式均衡已有多年。采用均衡的好处在于可以减少反射并补偿传输介质的损耗，以获得最好的输入数据接收效果。
图3：带预加重的发射器的工作原理图。
当速度在4Gbps以上的背板同时采用预加重和均衡时效果非常显著。图4为6.4Gbps 223-1 PRBS模式的数据在1米的FR4电缆传输中传输时的眼图。这些眼图在1米差分电缆末端的两个连接器上获得，一个位于信号起始处，另一个位于信号末端。
图4：穿过1米FR4电缆的6.4Gbps 223-1 PRSB模式数据的眼图。
在1米处未进行预加重或均衡的信号可能会由于散射、反射和阻抗失配而存在很大噪声。增加预加重后，信号开始出现眼图的某些特征，但信号质量还不够好。一旦对接收器进行了均衡，6.4Gbps信号的眼图就张得非常开了。这些试验显示，接收器均衡是设计工程师实现利用FR4电缆长距离传输的高速信号的最佳解决方案。此外，当同时采用预加重和均衡时，将获得误码率最低的最佳信号。
另外一个测试在5米的Amphenol SkewClear电缆上进行。图5说明了均衡是如何帮助重建可用的眼图。223-1 PRSB模式的数据沿着电缆传输，并在远端被监视。当加入均衡时，信号得以重建。
图5：6.4Gbps 223-1 PRSB模式的数据进入5米Amphenol SkewClear电缆的眼图。
在这些试验中用来提供预加重和均衡功能的器件是Micrel公司的SY58626和SY58627。如今，设计工程师可以采用这些IC来延长高速串联连接的距离。带预加重功能的驱动器和具备均衡功能的接收器的不断进步，有助于创建下一代高速互连解决方案。此外，设计工程师现在就可以直接将光纤收发器应用在电缆和背板上。后置放大器为可用的数据重新生成极小的信号能力非常有用，这应该在设计工程师为下一代网络、电信甚至工业系统的设计做准备时予以重视。
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