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光模塊中的跨阻放大器TIA是什么?

跨阻放大器(TIA)全稱為Trans-impedance amplifier,是放大器類型的一種,位于光模塊中探測器的前端。

在電學(xué)范疇,假設(shè)放大器增益A=Y/X,Y為輸出,X為輸入。由于表征一個信號不是用電壓就是電流,所以組合一下就有4種放大器,當(dāng)輸入為電流信號、輸出為電壓信號時,A=Y(電壓)/X(電流),增益單位為電阻,所以一般稱之為跨阻放大器。簡單點(diǎn)說,TIA是應(yīng)用于將電流放大至電壓的場景。

TIA的電路比較簡單,主要由一個運(yùn)放并聯(lián)一個反饋電阻構(gòu)成,通常還會并聯(lián)一個反饋電容,用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如下圖所示。

TIA由于具有高帶寬的優(yōu)點(diǎn),一般用于光電傳輸通訊系統(tǒng)等高速電路。例如PIN-TIA,PIN-TIA光接收器是將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信號進(jìn)行一定強(qiáng)度低噪聲放大的探測器件,其工作原理是:PIN的光敏面受探測光照射時,由于P-N結(jié)處于反向偏置。光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生漂移,在外電路產(chǎn)生光電流;光電流通過跨阻放大器進(jìn)行放大輸出,由此完成將光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將電信號初步放大的功能。而在實(shí)際應(yīng)用中,我們會根據(jù)TIA的要求,采用-5.2V、3.3V或其它的供電形式,用不同的外圍電路形式來完成封裝。

在DWDM系統(tǒng)中,OSNR信噪比是衡量整個系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)之一。信噪比就是信號和噪聲的比值,如何將信噪比提高到一個理想的傳輸性能值呢?由上段的描述我們就可以通過引入TIA的方式。信號在經(jīng)過光纖傳輸之后,光功率和色散在一定程度上有所衰減。光放大器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行放大處理時,TIA可以有效地抑制噪聲信號的放大。通俗一點(diǎn)說,跨阻放大器TIA是一種在同等條件下減小負(fù)面因素(噪聲)進(jìn)而提升正面因素的技術(shù)手段。

舉兩個例子,上圖分別是易飛揚(yáng)(Gigalight)的10G SFP+ ZR和100G QSFP28 LR4光模塊,一般來說在光模塊里TIA和探測器是靠在一塊的,而TIA也會以裸片的形式存在,以便于與探測器封裝在一起。TIA要處理的是與靈敏度值相關(guān)的電流信號,而靈敏度又是和信號傳輸距離密切相關(guān)的參數(shù),TIA跨阻放大器在光模塊中的重要性也就可見一斑了。