光模塊應(yīng)用中高速TIA芯片的參數(shù)有哪些？

光模塊的TIA芯片怎么選型。是繼續(xù)沿用上一個(gè)項(xiàng)目中用過的型號(hào)，還是完全按照FAE的推薦?高速TIA芯片又該關(guān)注哪些參數(shù)呢？ 高速TIA電芯片作為光模塊中的核心器件，一直關(guān)注度很高，但是細(xì)分參數(shù)，品類，術(shù)語也非常多。但是常見的芯片規(guī)格書，動(dòng)輒十幾頁，測(cè)試參數(shù)，圖標(biāo)曲線，也是很難抓到重點(diǎn)。今天我們就來揭秘高速TIA芯片的面紗。和李工一起剖析如何看芯片規(guī)格書中的各種參數(shù)，曲線圖表。

1.速率Data rate

打開規(guī)格書，或者是單看芯片廠家網(wǎng)頁上的大標(biāo)題，就是會(huì)看到關(guān)于TIA速率的描述：

·Low-Power, 28-Gbps, 4-Channel Limiting TIA

讓工程師一眼就能識(shí)別出來該芯片適用于電口速率28-Gbps或者25Gbps的應(yīng)用，例如常見的100G以太網(wǎng)光模塊，或者100G BASE-LR4，OUT-4等光模塊。 速率Datarate即比特率，是每秒中傳輸了多少比特的二進(jìn)制數(shù)，也就是光模塊的電口速率。還有波特率Gaud，波特率表示單位時(shí)間內(nèi)傳送的符號(hào)的個(gè)數(shù)。比特率是區(qū)別于波特率的，例如NRZ編碼格式下，比特率是等于波特率的。但是PAM4編碼格式下，比特率等于兩倍的比特率。

然而datarate（比特率）其實(shí)并不是放大器的最直接的參數(shù)，數(shù)據(jù)的速率只是芯片廠家站在用戶的角度，針對(duì)光模塊的應(yīng)用，方便大家一眼就能識(shí)別到選型而標(biāo)出來的參數(shù)。同時(shí)，芯片標(biāo)明適用于哪個(gè)速率，主要是芯片用該速率的數(shù)據(jù)做了完整的測(cè)試。具體詳細(xì)的直流參數(shù)和交流參數(shù)，都是有依據(jù)可查。真正的反應(yīng)器件的能通過的數(shù)據(jù)速率大小的能力，實(shí)際上與帶寬Band with這個(gè)參數(shù)相關(guān)。 關(guān)于Band with這個(gè)參數(shù)，我們接著往下看。

2.功耗

為什么要關(guān)心功耗問題，因?yàn)槟K出廠前會(huì)測(cè)試功耗，模塊的Spec以及MSA協(xié)議中，明確的標(biāo)明模塊的功率等級(jí)。光模塊也是一直往低功耗，體積小的趨勢(shì)發(fā)展。所以芯片的功耗成為光模塊應(yīng)用比較關(guān)注的一個(gè)問題。

關(guān)于功耗，規(guī)格書的首頁Feature中會(huì)有典型值的說明：

·139 mW per Channel

典型值，讓我們明白4通道TIA中，單通道TIA的功耗大約在139mW。除了典型中，我們還可以關(guān)心DC Electrical Characteristics表格中對(duì)ICC和Receiver power dissipation的描述。表格中還可以看到關(guān)于芯片在85℃和100℃的功耗，這個(gè)也很重要。芯片在高溫下，散熱性能會(huì)變差，功耗會(huì)增加。光模塊也會(huì)做高溫測(cè)試，工作的時(shí)候，環(huán)境溫度都比較高，如果高溫下的功耗增加很多，超出規(guī)格，產(chǎn)品也不能通過測(cè)試規(guī)范。

舉例說明如下的各IC的功耗對(duì)比。

3.帶寬

帶寬是交流參數(shù)，表征能通過的多大頻率的信號(hào)，通常用下降3db時(shí)候?qū)?yīng)的頻率來表示。例如下圖中，從頻譜圖上看-3db帶寬為21GHZ。

上文說過，帶寬這個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到芯片的速率。只有帶寬更高的TIA，才能支持更高速的電口信號(hào)。為什么這樣說？ 例如，對(duì)于NRZ信號(hào)，28Gbps的datarate，根據(jù)香農(nóng)采樣定律，帶寬為14GHZ就夠了。當(dāng)然，目前28Gbps的TIA，更多的器件廠商，帶寬是在21GHZ。留有了1.5倍余量，防止了3db的衰減。

那么很多人會(huì)說，TIA的帶寬余量是不是越大越好？帶寬余量太高，對(duì)于發(fā)射端是沒有意義的，對(duì)于接收端反而是劣勢(shì)，會(huì)給接收端帶來更大的噪聲。下文中的噪聲會(huì)講到這個(gè)。 此外，高溫下，TIA的帶寬也在下降，如下圖。也就是說高溫下，對(duì)高頻信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減。因而也需要查閱高溫下對(duì)芯片帶寬的影響，防止引發(fā)光模塊高溫下產(chǎn)生的眼圖問題。

4.噪聲

TIA是一種特殊功能的運(yùn)放，講起運(yùn)放，就不得不講噪聲。 運(yùn)放的噪聲是一個(gè)復(fù)雜的概念，為什么這么說？TI的高級(jí)工程師ArtKay和TimGreen花了大量篇幅對(duì)運(yùn)放噪聲進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析和仿真建模，看完了也會(huì)有種不明所以的感覺。如果沒有接觸過，也沒關(guān)系，這里我們先簡單看看幾家大廠對(duì)各自TIA的噪聲描述：

其實(shí)看完也挺迷糊，僅對(duì)噪聲的描述就有兩個(gè)單位，pA/√Hz和uArms. 這里我們簡單講解下。前者，皮安/平方根赫茲是頻譜密度，代表每 1Hz 頻帶內(nèi)的噪聲總和等于每個(gè)噪聲的平方和再開方。對(duì)于 1Hz 帶寬，這個(gè)數(shù)值就等于噪聲大小，多少pA。后者是電流噪聲有效值，是在有效帶寬內(nèi)，電流噪聲的積分。TIA的噪聲，都是取得Input-referred nosie，也就是輸入?yún)⒖荚肼?，它是總噪聲除以增益。通常該值?huì)給出詳細(xì)的測(cè)試條件：

那么TIA的噪聲對(duì)于光模塊來說有什么影響？TIA的噪聲如果比較大，也就是TIA的信噪比會(huì)差，PD探測(cè)的光轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào)就不準(zhǔn)了，造成后集的采樣輸出不對(duì)。尤其是光電流比較小，小信號(hào)的時(shí)候，噪聲的分量會(huì)變大，對(duì)小信號(hào)的采集就不準(zhǔn)了。 有人說，公司庫存28G的TI比較多，能否直接應(yīng)用到10G的光模塊塊中，正好也統(tǒng)一料號(hào)。這些是都不可取的。不僅成本更高，帶寬更大的TIA，噪聲也會(huì)大的多。例如：

5.輸入飽和電流

通常高速TIA都會(huì)給出一個(gè)叫overloadcurrent的參數(shù)來，一般在3mApp左右。這個(gè)飽和電流值指TI的輸入的最大電流值。結(jié)合PD的靈敏度參數(shù)，可以計(jì)算出能夠探測(cè)到的最大光強(qiáng)。

6.通道隔離度

多通道的TIA，每個(gè)通道都是獨(dú)立的，集成在一個(gè)die中。每個(gè)通道之間有隔離度這個(gè)參數(shù)，通常都大于40db。表征一個(gè)通道工作時(shí)對(duì)另外一個(gè)通道產(chǎn)生的噪聲影響。

7.面積大小

由于光模塊的封裝原來越小，通道也并聯(lián)的比較多，加上內(nèi)部的光學(xué)器件，連接器使得光模塊內(nèi)部也非常緊湊。于是芯片選擇的時(shí)候，大家也十分關(guān)注Die的大小。高速芯片大部分是Sige工藝，相比Cmos工藝，芯片的面積要更大。現(xiàn)在4通道的TIA Die的大小通常是3.5mm*1.5mm左右,GN1086面積相對(duì)比較占優(yōu)勢(shì)。

8.其它功能，RSSI, AGC，帶寬控制等

除了帶寬，噪聲，功耗，Die的大小這些重要參數(shù)之外，影響選型的還有一些方便光模塊設(shè)計(jì)的一些集成功能。例如：

·增益調(diào)整：通過Pin腳的控制，調(diào)整互阻抗的大小，調(diào)節(jié)輸入和輸出的關(guān)系，方便用戶使用。

·幅度調(diào)整：通過Pin腳的控制，調(diào)節(jié)輸出幅度的大小，適用不同的信號(hào)

·RSSI：接收信號(hào)強(qiáng)度指示功能，能夠方便后集進(jìn)行電壓采樣，監(jiān)控接收信號(hào)強(qiáng)度過載還是無光。

審核編輯：劉清