光模块应用中高速TIA芯片的参数有哪些？

光模块的TIA芯片怎么选型。是继续沿用上一个项目中用过的型号，还是完全按照FAE的推荐?高速TIA芯片又该关注哪些参数呢？ 高速TIA电芯片作为光模块中的核心器件，一直关注度很高，但是细分参数，品类，术语也非常多。但是常见的芯片规格书，动辄十几页，测试参数，图标曲线，也是很难抓到重点。今天我们就来揭秘高速TIA芯片的面纱。和李工一起剖析如何看芯片规格书中的各种参数，曲线图表。

1.速率Data rate

打开规格书，或者是单看芯片厂家网页上的大标题，就是会看到关于TIA速率的描述：

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

让工程师一眼就能识别出来该芯片适用于电口速率28-Gbps或者25Gbps的应用，例如常见的100G以太网光模块，或者100G BASE-LR4，OUT-4等光模块。 速率Data rate即比特率，是每秒中传输了多少比特的二进制数，也就是光模块的电口速率。还有波特率Gaud，波特率表示单位时间内传送的符号的个数。比特率是区别于波特率的，例如NRZ编码格式下，比特率是等于波特率的。但是PAM4编码格式下，比特率等于两倍的比特率。

然而data rate（比特率）其实并不是放大器的最直接的参数，数据的速率只是芯片厂家站在用户的角度，针对光模块的应用，方便大家一眼就能识别到选型而标出来的参数。同时，芯片标明适用于哪个速率，主要是芯片用该速率的数据做了完整的测试。具体详细的直流参数和交流参数，都是有依据可查。真正的反应器件的能通过的数据速率大小的能力，实际上与带宽Band with这个参数相关。 关于Band with这个参数，我们接着往下看。

2.功耗

为什么要关心功耗问题，因为模块出厂前会测试功耗，模块的Spec以及MSA协议中，明确的标明模块的功率等级。光模块也是一直往低功耗，体积小的趋势发展。所以芯片的功耗成为光模块应用比较关注的一个问题。

关于功耗，规格书的首页Feature中会有典型值的说明：

·139 mW per Channel

典型值，让我们明白4通道TIA中，单通道TIA的功耗大约在139mW。除了典型中，我们还可以关心DC Electrical Characteristics表格中对ICC和Receiver power dissipation的描述。表格中还可以看到关于芯片在85℃和100℃的功耗，这个也很重要。芯片在高温下，散热性能会变差，功耗会增加。光模块也会做高温测试，工作的时候，环境温度都比较高，如果高温下的功耗增加很多，超出规格，产品也不能通过测试规范。

举例说明如下的各IC的功耗对比。

	MxL9101	GN1088	HXR44400	MATA-03101	ONET2804T
Manufacture	Maxlinear	Semtech	Renesas	Macom	TI
Data rate	28Gbps NRZ	28Gbps NRZ	56Gbps PAM4	28Gbps NRZ	28Gbps NRZ
Channel	4	4	4	4	4
Per Channel Power Dissipation	0.075W	0.096W	0.158W	0.08W	0.139W

3. 带宽

带宽是交流参数，表征能通过的多大频率的信号，通常用下降3db时候对应的频率来表示。例如下图中，从频谱图上看-3db带宽为21GHZ。

上文说过，带宽这个参数直接关系到芯片的速率。只有带宽更高的TIA，才能支持更高速的电口信号。为什么这样说？ 例如，对于NRZ信号，28Gbps的data rate，根据香农采样定律，带宽为14GHZ就够了。当然，目前28Gbps的TIA，更多的器件厂商，带宽是在21GHZ。留有了1.5倍余量，防止了3db的衰减。

那么很多人会说，TIA的带宽余量是不是越大越好？带宽余量太高，对于发射端是没有意义的，对于接收端反而是劣势，会给接收端带来更大的噪声。下文中的噪声会讲到这个。 此外，高温下，TIA的带宽也在下降，如下图。也就是说高温下，对高频信号会产生衰减。因而也需要查阅高温下对芯片带宽的影响，防止引发光模块高温下产生的眼图问题。

4.噪声

TIA是一种特殊功能的运放，讲起运放，就不得不讲噪声。 运放的噪声是一个复杂的概念，为什么这么说？TI的高级工程师Art Kay和Tim Green花了大量篇幅对运放噪声进行了数学分析和仿真建模，看完了也会有种不明所以的感觉。如果没有接触过，也没关系，这里我们先简单看看几家大厂对各自TIA的噪声描述：

	MxL9101	GN1086	ONET2804T
Manufacture	Maxlinear	Semtech	TI
Data rate	28Gbps	28Gbps	28Gbps
Channel	4	4	4
Noise	Input-referred 10pA/√Hz	Input-referred 1.25uArms noise	Input-referred     1.8uArms

其实看完也挺迷糊，仅对噪声的描述就有两个单位，pA/√Hz和uArms. 这里我们简单讲解下。前者，皮安/平方根赫兹是频谱密度，代表每 1Hz 频带内的噪声总和等于每个噪声的平方和再开方。对于 1Hz 带宽，这个数值就等于噪声大小，多少pA。后者是电流噪声有效值，是在有效带宽内，电流噪声的积分。TIA的噪声，都是取得Input-referred nosie，也就是输入参考噪声，它是总噪声除以增益。通常该值会给出详细的测试条件：

那么TIA的噪声对于光模块来说有什么影响？TIA的噪声如果比较大，也就是TIA的信噪比会差，PD探测的光转化成的电压信号就不准了，造成后集的采样输出不对。尤其是光电流比较小，小信号的时候，噪声的分量会变大，对小信号的采集就不准了。 有人说，公司库存28G的TI比较多，能否直接应用到10G的光模块块中，正好也统一料号。这些是都不可取的。不仅成本更高，带宽更大的TIA，噪声也会大的多。例如：

	ONE8551T	ONET2804T
Manufacture	TI	TI
Data rate	11.3Gbps	28Gbps
Noise	Input-referred 0.9uArms	Input-referred 1.8uArms

5.输入饱和电流

通常高速TIA都会给出一个叫over load current的参数来，一般在3mApp左右。这个饱和电流值指TI的输入的最大电流值。结合PD的灵敏度参数，可以计算出能够探测到的最大光强。  

6.通道隔离度

多通道的TIA，每个通道都是独立的，集成在一个die中。每个通道之间有隔离度这个参数，通常都大于40db。表征一个通道工作时对另外一个通道产生的噪声影响。

7.面积大小

由于光模块的封装原来越小，通道也并联的比较多，加上内部的光学器件，连接器使得光模块内部也非常紧凑。于是芯片选择的时候，大家也十分关注Die的大小。高速芯片大部分是Sige工艺，相比Cmos工艺，芯片的面积要更大。现在4通道的TIA Die的大小通常是3.5mm*1.5mm左右, GN1086面积相对比较占优势。

	MxL9101	GN1086	HXR44400	ONET2804T
Manufacture	Maxlinear	Semtech	Renesas	TI
Data rate	28Gbps NRZ	28Gbps NRZ	56Gbps PAM4	28Gbps NRZ
Channel	4	4	4	4
Die Size	3.167mm x 1.672mm	1.52mm x 1.1mm	1.350mm x 3.370mm	3.25mm × 1.45mm

8.其它功能，RSSI, AGC，带宽控制等

除了带宽，噪声，功耗，Die的大小这些重要参数之外，影响选型的还有一些方便光模块设计的一些集成功能。例如：

·增益调整：通过Pin脚的控制，调整互阻抗的大小，调节输入和输出的关系，方便用户使用。

·幅度调整：通过Pin脚的控制，调节输出幅度的大小，适用不同的信号

·RSSI：接收信号强度指示功能，能够方便后集进行电压采样，监控接收信号强度过载还是无光。

审核编辑：刘清