（光學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）3ns+soa高速電控光開(kāi)關(guān)的研制.pdf

摭塞窯適太堂亟堂僮j 幺窯蟲(chóng)塞翅蓉 中文摘要 摘要：隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，帶寬瓶頸越來(lái)越成為城域網(wǎng)的主要問(wèn)題克服 電子瓶頸的方法是直接進(jìn)行光信號(hào)處理，即建設(shè)全光網(wǎng)。光開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)矩陣在 全光網(wǎng)中也起著非常重要的作用，主要應(yīng)用于全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光 交叉連接及自愈保護(hù)等功能。隨著通信速率的飛速增長(zhǎng)，對(duì)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度等 指標(biāo)提出了更高的要求。由于s o a 具有功耗低、體積小和易集成等優(yōu)點(diǎn)，基于s o a 的各類(lèi)干涉型器件在全光信號(hào)處理領(lǐng)域顯示出了很大的應(yīng)用潛力。 本文設(shè)計(jì)并研制出了s o a 的直流驅(qū)動(dòng)電路，用于實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)室中雙環(huán)全光緩 存器中信號(hào)光與控制光的交叉相位調(diào)制。 本文設(shè)計(jì)并研制出了基于s o a 的高速電控光開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度在3 n s 以?xún)?nèi)。提 出并解決了系統(tǒng)研制中的主要技術(shù)，并根據(jù)s o a 半導(dǎo)體二極管的等效模型，首次 建立了電感耦合驅(qū)動(dòng)電路模型，提出了對(duì)于電感耦合相加電路提高速率的技術(shù)途 徑該理論結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本題提出的該模型及結(jié)論對(duì)基于半導(dǎo)體器件的 高速光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義 關(guān)鍵詞：光開(kāi)關(guān)；半導(dǎo)體光放大器s o a 可編程邏輯器件；驅(qū)動(dòng)電路；開(kāi)關(guān)速度。 a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d 鋤f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , b o t t l e - n e c ko f b a n d w d t ha n di n s t a b i l i t yo f t r a f f i ch a v et l i n l c di n t ot h em a i np r o b l e mo f n e t w o r k s t h ew a yt oo v e r c o m et h ep r o b l e mo ft h ee l e c t r i cb o t t l e - n e c ki sp r o c e s s i n g t h eo p t i c a ls i g n a ld i r e c t l y , t h a ti st os a y , t ob u i l da l l - o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a ls w i t c ha n d o p t i c a ls w i t c hm a u i xp l a y 鋤i m p o r t a n tr o l ei nt h ea l l - o p t i c a ln e t w o r k t h e 3 , m a i n l y a p p l y t ot h es e l e c t i o no f r o u t i n ga n dt h ew a v e l e n g t h ，a n dt ot h ef u n c t i o no f o x ci t sw e l l 舔s e l f - r e p a r a t i o na n dp r o t e c t i o n w i t ht h er a p i di n c r e a s eo f c o m m u n i c a t i o n 伐峨i th a sa h i g h e r d e m a n d o n t h es w i t c h i n gs p e e d o f o p t i c a ls w i t c h s o a h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w r e q u i s i t ep o w e r , s m a l lv o l u m ea n de a s yi n t e g r a t i o n a sar e s u l t , m a n yk i n d so f i n t e r f e r o m e t e r sb a s e do ns o as h o wah i g h a p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h ef i e l do f a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ep a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ed 酶c tc u r r e n t c ) d r i v ec i r c u i to fs o at o r e a l i z et h ec r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) f o rd u a l l o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) i nt h e l a b t h ep a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p st h eh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c hb a s e do ns o a ，w i t h t h es p e e dl e s st h a n3 n s a l s o , t h ep a p e rp r e s e n t sa n ds o l v e sm a i nk e yt e c h n o l o g yo f s y s t e mm a n u f a c t u r i n g f o rt h ef a s tt i m e ，a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tm o d e lo fs o a s e m i c o n d u c t o rd i o d e , t h em o d e lo f i n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i ti sp r o p o s e d ，w h i c h c a nh e l pt oe l l h a n c et h es p e e do fi n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i tg r e a t l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw o v et h ec o r r c c 協(xié)e s so ft h i st h e o r y t h em o d e la n dc o n c l u s i o n s g i v e nb yt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n gt ot h ed e s i g no fh i g h - s p e e do e c o n v e r s i o ne l e c t r i cc i r c u i tb a s e do ns e m i c o n d u c t o r a p p l i a n c e s k e y w o r d s o p t i c a ls w i t c h ；s o a ；p l d ；d r i v ec i r c u i t ；s w i t c h i n gs p e e d 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó) 家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán) ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期：年月日簽字日期：2 一，f 年，。月2 名 致謝 在本論文即將完成之際，我也要馬上告別碩士研究生這段令人終生難忘的歲 月，本論文的工作是在我的導(dǎo)師吳重慶教授的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的開(kāi)題 到論文的最終定稿，每一個(gè)步驟無(wú)不凝聚著吳老師的心血和智慧，吳老師學(xué)識(shí)淵 博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，吳老師胸懷坦蕩、淡泊名利，吳老師對(duì)我的諄諄教導(dǎo)和言傳身教 使我不僅在專(zhuān)業(yè)知識(shí)上得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展，學(xué)到了許多科學(xué)的研究方法，更重要 的是學(xué)習(xí)到了寶貴的做人道理，這些都將使我終生受益在此衷心感謝三年來(lái)吳 老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。 盛新志教授、王智教授對(duì)于我的科研工作提供了寶貴的意見(jiàn)，在此表示衷心 的謝意。 李亞捷博士悉心指導(dǎo)我完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作，在光開(kāi)關(guān)的研制始終，李 亞捷師姐實(shí)時(shí)關(guān)心著過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)；同時(shí)在學(xué)習(xí)、工作和生活上給予了我 很大的支持和幫助；在撰寫(xiě)論文期間，也提供了很多實(shí)質(zhì)性的修改意見(jiàn)，在此向 李亞捷師姐表示衷心的感謝。 王擁軍博士在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試方面都提供了很多建設(shè)性的建議和意見(jiàn)，這些 寶貴的建議和意見(jiàn)對(duì)我能夠按時(shí)完成科研任務(wù)起到了重要的作用，在此向王擁軍 博士表示衷心的謝意。 在實(shí)驗(yàn)室工作期間，我衷心感謝付松年博士、程木博士、李政勇博士、魏斌 博士、田昌勇博士，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、孜孜不倦的求是精神潛移默化的影響 了我，鞭策著我在未來(lái)的人生之路上要不斷進(jìn)??；陳春楨、倪東、孫士杰、盛積 業(yè)、高華麗師兄師姐對(duì)我論文中的方案設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的研究工作給予了熱情幫 助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。感謝劉琦、李贊、姜楠、劉曉冬、王丹、黃 濤、劉衍飛，與他們兩年半朝夕相處的日子是我一生的精神財(cái)富；感謝王亞平、 趙爽、高凱強(qiáng)、彭鵬、楊雙收、趙陽(yáng)、張建亮、郭偉青、李欣蓓師弟師妹們，在 與他們相處的一年里，我感受到了兄弟姐妹般的關(guān)懷，讓我沐浴在家庭般溫馨般 的環(huán)境中學(xué)習(xí)生活，感謝張立軍、余貺碌、趙瑞、孫廣娜、王雪、馮震等師弟師 妹在我撰寫(xiě)論文期間給予的熱心幫助。 感謝我的摯友們和他們提供的兄弟般的友誼，這將是我終生的寶貴財(cái)富。 最后，感謝我的父母和弟弟，感謝父母對(duì)我的養(yǎng)育之恩、無(wú)私的愛(ài)、經(jīng)濟(jì)和 精神上的巨大付出。雖然在千里之外，卻一直默默地全心全力支持我、鼓勵(lì)我和 關(guān)心我，沒(méi)有父母和弟弟的理解和支持，我不可能在學(xué)校專(zhuān)心完成我的學(xué)業(yè)父 母和弟弟對(duì)我的愛(ài)，我會(huì)永遠(yuǎn)銘記在心。 1 1 光開(kāi)關(guān) 第一章引言 光開(kāi)關(guān)與光開(kāi)關(guān)陣列是光纖通信系統(tǒng)中重要的光器件，隨著光纖通信技術(shù)的 發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)通信和密集波分復(fù)用( d w d m ) 系統(tǒng)的應(yīng)用，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?對(duì)可靠、靈活的網(wǎng)絡(luò)控制了強(qiáng)烈的需求，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化、路由選擇、保護(hù) 和自愈等網(wǎng)絡(luò)功能已成為關(guān)鍵，這一切都離不開(kāi)光開(kāi)關(guān)【l 】 目前，在光纖通信網(wǎng)中各種不同交換原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的光開(kāi)關(guān)被廣泛地提出 來(lái)不同原理和技術(shù)的光開(kāi)關(guān)具有不同的特性，適用于不同的場(chǎng)合依據(jù)不同的 光開(kāi)關(guān)原理，光開(kāi)關(guān)可分為：電控光開(kāi)關(guān)和光控光開(kāi)關(guān)兩類(lèi)。機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光 開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)等都屬于電控光開(kāi)關(guān) 目前常用的光開(kāi)關(guān)有以下幾種：m e m s 光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、熱光效應(yīng) 光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、全息光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、液體光柵光開(kāi)關(guān)、s o a 光開(kāi)關(guān)等。 隨著新技術(shù)的發(fā)展，將有更多類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)出現(xiàn)。 1 1 1 光開(kāi)關(guān)的主要性能參數(shù) 開(kāi)關(guān)速度：切換速度是衡量光開(kāi)關(guān)性能的重要指標(biāo)當(dāng)從一個(gè)端口到另一個(gè) 端口的開(kāi)關(guān)時(shí)間達(dá)到幾個(gè)m s 時(shí)，對(duì)因故障而重新選擇路由的時(shí)間已經(jīng)夠了。如對(duì) s d f f s o n e t 來(lái)說(shuō)，因故障而重新選路時(shí)，5 0 m s 的開(kāi)關(guān)時(shí)間幾乎可以使上層感覺(jué) 不到。當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)聞到達(dá)n s 量級(jí)時(shí)，可以支持光網(wǎng)絡(luò)的分組交換，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)光通 信網(wǎng)是十分重要的。 損耗：當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光開(kāi)關(guān)時(shí)，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預(yù)算設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò) 時(shí)，光開(kāi)關(guān)及其級(jí)聯(lián)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大損耗和干擾將影響到功率預(yù)算。光 開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：光纖和光開(kāi)關(guān)端口耦合時(shí)的損耗和光開(kāi)關(guān)自身 材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗。一般來(lái)說(shuō)，自由空間交換的光開(kāi)關(guān)的損耗低于波導(dǎo)開(kāi) 關(guān)的光開(kāi)關(guān)。如液晶光開(kāi)關(guān)和m e m s 光開(kāi)關(guān)的損耗較低，大約1 2 d b 。而鈮酸鋰 和固體光開(kāi)關(guān)的損耗較大，大約4 d b 左右。損耗特性影響到了光開(kāi)關(guān)的級(jí)聯(lián)，艱 制了光開(kāi)關(guān)的擴(kuò)容能力。 可靠性：光開(kāi)關(guān)要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開(kāi) 關(guān)可能需要完成幾千幾萬(wàn)次的頻繁動(dòng)作。有些情況( 如保護(hù)倒換) ，光開(kāi)關(guān)倒換的 次數(shù)可能很少，此時(shí)，保持光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)是更主要的因素如噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)。 如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問(wèn)題 很多因素也會(huì)影響光開(kāi)關(guān)的性能，如光開(kāi)關(guān)之間的串?dāng)_、隔離度、消光比等 都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。 1 1 2 光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍 光開(kāi)關(guān)是全光交換的關(guān)鍵器件，可以實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、交 叉連接以及自愈保護(hù)功能。目前光開(kāi)關(guān)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面【2 】： 光交叉連接( o x c ) ；在w d m 全光傳送網(wǎng)中，o x c 是設(shè)備的交換核心，它的 功用是將一個(gè)波分復(fù)用( w d m ) 系統(tǒng)輸出的波長(zhǎng)插入到另一個(gè)w d m 系統(tǒng)中o x c 主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)，對(duì)不同子網(wǎng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚和交換。 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)保護(hù)：光開(kāi)關(guān)通常用于網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)，這種保護(hù)通常只需 要最簡(jiǎn)單的i x 2 光開(kāi)關(guān) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的i x n 光開(kāi)關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng) 絡(luò)時(shí)，只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將多纖經(jīng)光開(kāi)關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上( 如o t o r ) ，通 過(guò)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè) 光纖通信器件測(cè)試；通過(guò)i x n 光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái) 測(cè)試器件，使用光開(kāi)關(guān)同時(shí)測(cè)試多個(gè)器件，從而簡(jiǎn)化測(cè)試，提高效率 光分插復(fù)用( o a d m ) ：o a d m 是光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備之，通常用于環(huán)行的城域 網(wǎng)和骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)波長(zhǎng)和多個(gè)波長(zhǎng)從光路上自由上下實(shí)現(xiàn)o a d m 光信號(hào)上 下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下都應(yīng)用了光開(kāi)關(guān)，主要是2 2 光開(kāi)關(guān) 1 2 典型光開(kāi)關(guān)介紹 上一節(jié)中我們對(duì)光開(kāi)關(guān)的分類(lèi)，主要性能參數(shù)和應(yīng)用范圍作了簡(jiǎn)單的介紹。 就目前而言，光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用比較成熟的是機(jī)械式光開(kāi)關(guān)下面就幾種典型 的光開(kāi)關(guān)作簡(jiǎn)單的介紹1 3 】。 一、機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 目前應(yīng)用得最為廣泛的是傳統(tǒng)的l x 2 和2 x 2 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。其主要優(yōu)點(diǎn)是損 耗小，易于實(shí)現(xiàn)鎖定，缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間為m s 量級(jí)，體積大，單個(gè)器件難以做成4 x 4 以上的開(kāi)關(guān)陣列，只能通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)主要的研究方向集中于微電子機(jī)械 光開(kāi)關(guān)( m e m s ) ，主要是利用移動(dòng)光纖或者利用微鏡反射原理進(jìn)行光交換的光開(kāi) 關(guān)，它將光、電和機(jī)械集成在一片芯片，能透明的傳送不同速率、不同業(yè)務(wù)的協(xié) 2 議 二、波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān) 波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種光開(kāi)關(guān)，它采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，主要利用 電光、熟光、聲光和磁光效應(yīng)來(lái)進(jìn)行控制，近幾年研究較多的主要是基于電光和 熱光效應(yīng)最一般的介質(zhì)波導(dǎo)是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它由襯底、薄膜層和覆蓋層組成， 由于其體積小，可用于大規(guī)模的o x c 器件中 三、液晶光開(kāi)關(guān) 液晶光開(kāi)關(guān)是根據(jù)其偏振特性來(lái)完成交換的，其工作狀態(tài)是基于對(duì)偏振的控 制，每一個(gè)開(kāi)關(guān)元件包括兩個(gè)基本組件：液晶片和光柬方向器。液晶在電壓作用 下改變光的偏振方向，光束方向器則能把光束反射到由l c 片決定的光路徑( 有兩 個(gè)可選擇路徑) 。由于液晶的電光系數(shù)很高，使液晶材料成為很有效的光電材料 電控液晶光開(kāi)關(guān)的交換速度可以達(dá)到亞微妙級(jí)，可以通過(guò)加熱液晶來(lái)提高速度， 但不可避免地會(huì)使設(shè)備功耗增加。 四、全息光開(kāi)關(guān) 全息光開(kāi)關(guān)是通過(guò)全息反射。在晶體內(nèi)部形成布拉格光柵。當(dāng)加電時(shí)，布拉 格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過(guò)晶體。利用這種技術(shù)可以很容 易的組成上千端口的光交換系統(tǒng)，同時(shí)它的開(kāi)關(guān)速度很快，只需要幾個(gè)璐就可以 實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間的轉(zhuǎn)換，由于全息光開(kāi)關(guān)沒(méi)有可移動(dòng)器件，因此它的可靠性很高。表 1 - 1 列出了常見(jiàn)光開(kāi)關(guān)的性能參數(shù) 表1 1 常用光開(kāi)關(guān)參數(shù) 光開(kāi)關(guān)類(lèi)型損耗開(kāi)關(guān)比串?dāng)_透過(guò)率開(kāi)關(guān)速度功耗其他 ( 1 5 u r n ) m e m s 小很小 - 8 0 d b 極好 一1 0 u s 小 機(jī)械式光纖小* l t d , - 6 0 d b 極好 5 m s 小 開(kāi)關(guān) 機(jī)械空間光 小 l t d , - 6 0 d b 一般 - - , 5 0 m s 小 p d l 開(kāi)光 l 甜b 0 3 光開(kāi)大一般一般好 m s 小 p m d 關(guān) i i i v 族化合大小 - 4 0 d b 一般 叫i s 小可集成 物光開(kāi)關(guān) s i 基光開(kāi)關(guān)較大小 - 2 0 d b 一般 山s 大可集成 3 ( s o i ) s i 0 2 基光開(kāi)關(guān)較大 小 - 4 0 d b 一般 幾u(yù) s 大 可集成 s o a 門(mén)光開(kāi)可忽小 - 4 0 d b 一般 n s 小有增益 關(guān)略 聚合物光開(kāi) 大小 - 1 8 d b 一般 n s 大 關(guān)( y 分支) 1 3 光控光開(kāi)關(guān) 電控光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)都是電開(kāi)關(guān)矩陣，這意味著輸入的控制光信號(hào)要 先變換成相應(yīng)的電信號(hào)，才能對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，不便于全光網(wǎng)使用。最具發(fā)展?jié)?力的還是光控光開(kāi)關(guān)，使用光控光開(kāi)關(guān)是全光網(wǎng)的發(fā)展方向，盡管在目前大多數(shù) 光控光開(kāi)關(guān)還處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，相信不久將會(huì)生產(chǎn)出滿(mǎn)足核心光網(wǎng)絡(luò)所需交 換密度的全光開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)在光控光開(kāi)關(guān)已經(jīng)提出了多種方案，其中比較成熟的有非 線性光學(xué)環(huán)路鏡n o l m 、t o a d 等。本節(jié)主要分析了光控光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和原理【4 】 一，基于半導(dǎo)體光放大器s o a 光開(kāi)關(guān) 基于半導(dǎo)體光放大器s o a 的光開(kāi)關(guān)有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是利用它的增益飽 和特性，稱(chēng)為s o a - x g m 型；另一種利用它的交叉相位調(diào)制特性，稱(chēng)為s o a - x p m 型，在s o a - x g m 型中，當(dāng)輸入信號(hào)光( 強(qiáng)光) 變化時(shí)，s o a 對(duì)連續(xù)光增益隨之變化， 從而改變輸出光的光平。這種邏輯門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可達(dá)4 0 g b s 的速率，但缺點(diǎn)是消光 比較差，有自發(fā)輻射噪聲，信噪比較低，難于級(jí)聯(lián)。在s o a - x p m 型中，當(dāng)輸入信 號(hào)光變化時(shí)，改變s o a 的折射率，從而改變兩個(gè)臂的相位差，經(jīng)干涉后改變輸出 光的光平。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于前一種來(lái)說(shuō)，消光比有所改善，可達(dá)1 5 d b ，但s o a 本身 的噪聲特性仍然比較大，噪聲指數(shù)可達(dá)8 - - 1 0 d b ，因與光纖耦合較難，凈增益相對(duì) 比e d f a 小，不利于多級(jí)級(jí)聯(lián)。在實(shí)際構(gòu)成o x c 時(shí)，其輸入端和輸出端仍需另加兩 個(gè)e d f a ，因此將導(dǎo)致總體積增大。而且在s o a 中，x p m 與x g m 是同時(shí)存在的， 控制光在引起相位變化的同時(shí)，幅度也隨之變化，這將導(dǎo)致干涉效果不穩(wěn)定 二，非線性光纖環(huán)路鏡( n o l m ) 圖1 1 為n o l m 光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，它是根據(jù)光纖的s a g n a c - t 涉原理制成， 其中包括功率耦合比為5 0 ：5 0 的2 x 2 耦合器，連接耦合器兩臂的光纖環(huán)路，將控制脈 沖引入導(dǎo)出環(huán)路的波分復(fù)用( w d m ) 耦合器和偏振控制器( p c ) 。光纖環(huán)路作為克爾 介質(zhì)，非線性作用( 交叉相位調(diào)制) 就在其中完成。如不加控制光，從圖中的n o l m 4 端口l 輸入信號(hào)光在端口3 、4 分成具有等強(qiáng)度的相反方向傳輸?shù)膬墒猓⒀毓饫w 環(huán)路繞行一周反射回l 端口。2 端口( n o l m 的輸出端) 完全沒(méi)有輸出，就像全反射 鏡一樣。如果通過(guò)波分復(fù)用( w d m ) 藕合器順時(shí)針?lè)较蛞肟刂乒饷}沖到光纖環(huán)路 中，由于交叉相位調(diào)制。與控制光同方向傳輸并在時(shí)域上相互重疊的那部分脈沖 信號(hào)光將經(jīng)歷更大的非線性相移。這樣導(dǎo)致兩個(gè)方向上脈沖信號(hào)光產(chǎn)生相位差， 從而使n o l m 輸出端有輸出，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)操作。根據(jù)控制光與信號(hào)光波長(zhǎng)與偏振 方向的關(guān)系，一般將n o l m 分為兩類(lèi)：一是波長(zhǎng)不同，偏振方向相同：二是波長(zhǎng) 相同，偏振方向正交。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)能量低( s o u t c wv o l t a g e ” 圖2 - 7l r f 4 6 0 漏極特性曲線 一u拿s甚善il。6j n 使用漏電小、損耗小、吸附效應(yīng)小的高質(zhì)量產(chǎn)品；電路中在i c l 7 6 5 0 的o u t p u t 端接入濾波網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)濾去i c l 7 6 5 0 模擬開(kāi)關(guān)換向所帶來(lái)的斬波尖蜂噪聲，減小輸 出電壓中的過(guò)沖叫 2 3 2 溫控電路 半導(dǎo)體光放大器對(duì)溫度的變化是很敏感的，溫度的變化和器件的老化給半導(dǎo) 體光放大器帶來(lái)很大的影響，包括輸出光功率、輸出光波長(zhǎng)、使用壽命等。溫控 電路的作用就是使半導(dǎo)體光放大器工作在恒定的溫度。 半導(dǎo)體光放大器利用熱電制冷器( 骶犯) 作為冷熱源。它的最大工作電流為 1 5 a ，一個(gè)t e c 是一個(gè)半導(dǎo)體p - n 結(jié)器件，利用帕爾貼( p e l t i e r ) 效應(yīng)來(lái)制冷或加 熱。在t e c 兩端加上一個(gè)直流電壓就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流電流，這會(huì)使t e c 的一個(gè)面發(fā) 熱，另外一個(gè)面制冷。把t e c 兩端的電壓反向也會(huì)導(dǎo)致冷熟面相反t e c 可以移去的 熱量與流過(guò)t e c 的電流值有關(guān)。當(dāng)電流越大，移去的熱量越多，但這并非是一種線 性關(guān)系。因此，激光器的p n 結(jié)溫度可以通過(guò)控制流過(guò)t e c 兩端的電流方向和幅度 來(lái)控制。但是t e c 的電流一旦超過(guò)某個(gè)最大值，t e c 就不再制冷而只是會(huì)發(fā)熱了， 因此一個(gè)好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生i l “。 實(shí)驗(yàn)中使用的半導(dǎo)體光放大器含有一個(gè)能夠檢測(cè)半導(dǎo)體光放大器結(jié)溫度的熱 敏電阻，其阻值在2 5 1 c 的情況下為1 0 k f l ( 而實(shí)際熱敏電阻的阻值并不是嚴(yán)格等于 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上所給的阻值，在實(shí)際應(yīng)用之前，最好用測(cè)量工具測(cè)量一下) 熱敏電 阻檢測(cè)出溫度的變化，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，去控制制冷器的制冷電流。利用激光 器內(nèi)部的熱敏電阻構(gòu)成反饋電路電橋的一臂，這樣可以檢測(cè)出激光器的結(jié)溫，從 而控制對(duì)應(yīng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，并相應(yīng)的調(diào)整制冷電路中的電流。我 們采用達(dá)林頓管對(duì)管電路來(lái)提供制冷電流( 該器件最大可以提供1 5 a 的電流) ，而 對(duì)管的設(shè)計(jì)可以對(duì)制冷器提供兩個(gè)方向的電流控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的溫度提取 - s v 圖2 - 8溫控電路 電路采用兩級(jí)減法器，可以控制溫度的變化范圍比較大為了能夠提供合適的制冷 電流我們對(duì)提取的溫度變化信號(hào)進(jìn)行6 倍的放大( 實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)豹制冷電路是實(shí) 用的) 如圖2 - 8 所示，熱敏電阻r t 接在電橋的一個(gè)臂上，在設(shè)定的溫度下，電橋 的狀態(tài)應(yīng)剛好處在使制冷器沒(méi)有電流流過(guò)，而當(dāng)溫度升高或者降低時(shí)，制冷器開(kāi) 始工作熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電橋狀態(tài)的變化自動(dòng)控制制冷量的大小，從而 維持激光器的結(jié)穩(wěn)不高于設(shè)定的溫度 但是這種溫度控制電路只能使半導(dǎo)體光放大器工作在一個(gè)恒定的溫度，具體 s o a 的工作溫度是多少我們不得而知，因而不能把它精確的控制在萊一個(gè)溫度， 在電控光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案中提出了一種新的溫控方案，可以把溫度精確的穩(wěn)定在 0 i 。c 以?xún)?nèi)，具體請(qǐng)見(jiàn)第四章。 2 3 3 保護(hù)電路 保護(hù)電路主要包含電源慢啟動(dòng)保護(hù)，過(guò)流保護(hù)、反向沖擊電流保護(hù) 電源慢啟動(dòng)保護(hù)：在電路中，整體電路的所有器件一般都是共用一組電源。 為了防止接通電源時(shí)s o a 的電流瞬態(tài)過(guò)沖，電路中在上電部分采用r c 組成 i m s - 1 0 m s 的低通濾波器，在接通電源之后，電源部分約經(jīng)過(guò)l m s - 1 0 m s 之后，偏 置電流才達(dá)到穩(wěn)定值，防止了接通電源瞬間沖擊電流對(duì)半導(dǎo)體光放大器的損傷。 過(guò)流保護(hù)：s o a 的直流工作狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)整通過(guò)s o a 的工作電流來(lái)調(diào)節(jié)， 但是注入s o a 的電流不能羞過(guò)3 0 0 m a ，如果超過(guò)這個(gè)上限，s o a 就會(huì)受到損傷 或者燒壞。所以必須要采取一定的保護(hù)措施強(qiáng)制使電流的變化限定在一個(gè)范圍內(nèi)， 這樣即使存在誤操作也是能夠避免對(duì)s o a 造成重大的損壞。 沖擊電流保護(hù)：s o a 在上電或者斷電的時(shí)候可能會(huì)受到?jīng)_擊電流或電壓的破 壞，我們?cè)趕 o a 的正負(fù)極兩端并聯(lián)一只肖特基二極管，同時(shí)并聯(lián)了一個(gè)r c 串聯(lián) 電路，因?yàn)樾ぬ鼗O管的節(jié)電容小，反向恢復(fù)時(shí)問(wèn)短，故不影響s o a 的工作。 當(dāng)沖擊電流出現(xiàn)時(shí)，肖特基二極管迅速導(dǎo)通泄放，r c 串聯(lián)電路充放電，從而避免 s o a 受沖擊而損壞，起到了保護(hù)的作用。 另外，半導(dǎo)體二極管對(duì)瞬問(wèn)電壓和電流非常敏感，同時(shí)人體感應(yīng)的靜電電壓 很高，最高時(shí)達(dá)到2 萬(wàn)伏，在處理時(shí)如果操作不當(dāng)，極有可能擊穿二極管，為了 防止對(duì)器件造成永久性的損害和損傷，因此需要采取一定的防護(hù)措施。決不能在 二極管的周?chē)褂媚軌蛱峁┧查g能量的器具，比如電烙鐵和探測(cè)器。在使用激光 二極管時(shí)，必須使用或穿戴靜電手鐲或靜電釋放工具 2 4 直流驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試 半導(dǎo)體光放大器s o a 本身是非常昂貴的器件，在將s o a 安裝到我們的驅(qū)動(dòng)電 路板上之前，我們必須對(duì)電路板進(jìn)行嚴(yán)格的性能測(cè)試和實(shí)際工作環(huán)境等效模擬， 在確定電路板沒(méi)有任何問(wèn)題后，才能將s o a 安裝到驅(qū)動(dòng)電路板上 2 4 1 溫控電路測(cè)試 文章的前面已經(jīng)提到，為了使s o a 在工作時(shí)能夠處于一個(gè)比較穩(wěn)定的工作溫 度范圍內(nèi)，我們需要對(duì)其進(jìn)行溫度控制 在室溫2 5 時(shí)，我們實(shí)際測(cè)得s o a 內(nèi)部的熱敏阻值為9 6 l 【q ，制冷器的 等效阻值經(jīng)我們實(shí)際測(cè)量，在2 4 跏3 2 n 2 間( 隨著輸入電流的不同而變化) ，因 此我們采用2 0 k q 的電位器模擬熱敏阻值，采用2 5 f l 的電阻模擬制冷器t e c 。我們 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到不同的熱敏阻值，對(duì)應(yīng)于制冷電流的輸出，如表2 - 2 所示( 以 下測(cè)試是在室溫2 5 時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)) 。 表2 - 2溫控電路測(cè)試 熱敏阻值( k )致冷電流輸出( m a ) 9 6 02 9 5 25 0 9 4 1l o o 9 3 01 5 0 9 1 92 0 0 9 0 9 2 5 0 8 9 73 0 0 8 7 94 0 0 8 5 45 0 0 8 3 55 7 0 由上表可以看出，溫控電流的最大輸出為5 7 0 m a ，熱敏電阻阻值隨溫度變化 可以由以下關(guān)系表示：在某一溫度時(shí)熱敏電阻所具有的電阻值，等于其前一溫度 的電阻乘以系數(shù)o 9 7 。因此由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)s o a 的內(nèi)部溫度由2 5 升到 2 c c 時(shí)，大約由1 5 0 m a 的致冷電流輸出。 當(dāng)我們將s o a 上到驅(qū)動(dòng)電路板上后，隨著工作電流的增大，致冷電流的最大 輸出沒(méi)有超過(guò)1 0 0 m a ，可以得知s o a 工作時(shí)的內(nèi)部溫度沒(méi)有超過(guò)2 6 。致冷電路 工作正常。 由于我們采用達(dá)林頓管提供致冷電流，在實(shí)際測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)，達(dá)林頓管基 1 4 級(jí)和發(fā)射級(jí)間有i 2 v 左右的壓降，這樣工作起來(lái)影響了溫控電路的敏感性和輸出 電流的大小。因此我們需要調(diào)節(jié)橋式電路參考臂的電阻，使得放大器的輸出電壓 在溫度變化之前有1 2 v 的輸出。保證溫控電路的敏感性和瞬時(shí)響應(yīng) 2 4 2 沖擊電流保護(hù) 由于本驅(qū)動(dòng)電路只是單純的直流驅(qū)動(dòng)電流，所以不用考慮s o a 半導(dǎo)體二極管 的阻性和容性，因此在實(shí)際測(cè)試中我們采用1 0 q 的電阻模擬半導(dǎo)體二極管，圖2 - 9 和圖2 1 0 分別為未加保護(hù)電路和加保護(hù)電路后，上，斷電時(shí)在模擬電阻的兩端采集 到的波形。 圖2 - 9 未加保護(hù)電路時(shí)測(cè)到的沖擊電流 圖2 - 1 0加保護(hù)電路時(shí)測(cè)到的沖擊電流 從以上的測(cè)試波形可以看出，沖擊電流保護(hù)電路有效的避免了上電時(shí)沖擊電 流的產(chǎn)生，起到了保護(hù)的作用。 除此之外，我們還有對(duì)原有電路在真實(shí)模擬情況下進(jìn)行烤機(jī)測(cè)試，每次保證 電路的工作時(shí)間在3 個(gè)小時(shí)以上持續(xù)測(cè)試一周左右，在整個(gè)烤機(jī)測(cè)試過(guò)程中， 一定要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路的工作情況，保證驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定工作以免以后在驅(qū)動(dòng)電 路板上$ o a 后造成不必要的隱患。 2 5s o a 測(cè)試 半導(dǎo)體光放大器s o a 在雙環(huán)全光緩存器中起著非常重要的作用作為非線性 相移元件，s o a 一方面使信號(hào)光與控制光產(chǎn)生交叉相位調(diào)制( m ) ，在兩束沿不 同方向傳輸?shù)男盘?hào)光之間引入相移，這樣信號(hào)光才能在緩存器中緩存；此外，當(dāng) 信號(hào)光通過(guò)s o a 時(shí)，它會(huì)對(duì)其產(chǎn)生功率放大，起到環(huán)路功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，這樣信 號(hào)光就能在緩存器中緩存更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，半導(dǎo)體光放大器性能的好壞也是相 當(dāng)重要的。為了全面了解s o a 的工作性能和特點(diǎn)，以便于應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，我們 有必要對(duì)s o a 的進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試主要包括a s e 噪聲測(cè)試和放大性能測(cè)試。 2 5 1a s e 噪聲測(cè)試 半導(dǎo)體光放大器是一種基于受激輻射的相干光放大器，同時(shí)又存在著自發(fā)輻 射，自發(fā)輻射是一種固有的非相干輻射，是一種噪聲。輸入相干光通過(guò)光放大器 后得到了放大，同時(shí)也引入了自發(fā)輻射噪聲a s e ，因此，在研究半導(dǎo)體光放大器 的特性時(shí)，必須分析其噪聲特性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2 一l l 所示： 薯動(dòng)t 贏咻 圖2 1 2a s e 輸出曲線圖 s o a 兩端口的自發(fā)輻射噪聲分輸入到兩個(gè)光功率計(jì)中進(jìn)行測(cè)量。驅(qū)動(dòng)電路通 過(guò)調(diào)節(jié)輸出不同的直流驅(qū)動(dòng)電流測(cè)試中我們?nèi)◎?qū)動(dòng)電流在o 2 0 0 m a 范圍內(nèi)，每 f 目隔1 0 m a 取一次值，s o a 的自發(fā)輻射噪聲a s e 與驅(qū)動(dòng)電流i 的關(guān)系曲線如圖2 - 1 2 所示，數(shù)據(jù)如表2 - 3 所示。 表”s o a 的a s e 輸出 s o a 的自發(fā)輻射噪聲 驅(qū)動(dòng)電流r n a左側(cè)輸出u w右側(cè)輸出u w o0 0 3 4 90 0 3 9 4 1 00 4 9 2 90 5 2 3 8 2 01 3 2 91 3 7 8 3 02 7 8 72 7 2 7 4 04 8 7 44 7 6 5 08 2 1 57 7 9 6 6 01 2 7 91 2 1 3 7 01 9 2 ll8 3 8 02 8 0 22 6 8 7 9 03 9 8 43 8 0 3 1 0 05 5 3 55 3 5 3 l l o7 4 2 37 1 5 2 1 2 09 8 4 39 6 0 9 1 3 01 2 81 2 5 1 4 0 1 6 3 31 6 1 7 1 5 02 0 6 12 0 3 2 1 6 02 5 4 32 5 2 6 1 7 0 3 1 0 63 0 9 1 8 03 7 5 33 7 5 7 1 9 04 4 7 54 4 8 4 2 5 2 直流信號(hào)光放大測(cè)試 在測(cè)量a s e 噪聲的同時(shí)，我們還需要了解s o a 對(duì)輸入光信號(hào)的放大作用。圖 2 - 1 3 為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試框圖： 1 7 圖2 - 1 3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試框圖 我們調(diào)節(jié)輸入的光波長(zhǎng)為1 5 5 6 5 6 0 r i m ，輸入光光功率從o 5 m w - 2 m w 范圍內(nèi)， 每間隔0 2 5 m w 取值，表2 - 4 為分別測(cè)試在不同電流下的增益情況 袁2 4直流光信號(hào)增益 輸入光功率( m w ) o 5 00 7 51 0 0 1 2 51 5 01 7 52 0 0 s o a 驅(qū)動(dòng)電流( m a ) 5 00 8 80 1 1 60 1 2 70 1 7 9 0 2 2 30 2 4 10 2 6 6 6 00 2 2 90 3 0 20 3 2 20 4 5 40 5 5 10 5 7 3 0 6 2 9 7 00 4 6 9 0 6 1 70 6 5 3o 8 81 0 41 0 9 l - 1 8 8 00 8 1 21 0 31 1 01 4 31 6 61 7 21 8 7 9 01 2 4l5 61 6 62 0 92 2 92 4 72 6 4 1 0 01 7 52 1 62 3 32 8 03 0 53 2 83 4 6 1 1 02 3 32 8 43 0 53 5 7 3 8 3 4 1 4 4 3 1 1 2 02 9 43 5 23 9 24 3 6 4 6 6 5 0 0 5 2 2 1 3 03 5 94 2 54 6 75 1 95 4 95 8 96 1 l 1 4 0 4 2 8 5 0 0 5 4 56 0 36 3 36 8 17 0 0 1 5 04 9 65 7 66 3 06 8 67 1 77 7 17 9 8 1 6 05 6 76 5 27 1 07 7 3 8 0 2 8 6 l8 8 6 1 7 06 3 97 3 07 8 98 5 78 8 49 5 19 7 6 1 8 07 0 9& 0 58 6 8 9 3 99 6 8 1 0 3 01 0 6 0 1 9 07 8 18 8 39 4 7l o 2 0 1 0 5 0 1 1 2 01 1 5 0 2 0 08 5 09 5 31 0 0 01 0 8 0l l - 2 01 2 1 01 2 4 0 增益飽和特性是s o a 的重要特性，當(dāng)作為功率放大器時(shí)，希望有較寬的線性 放大區(qū)，即不易達(dá)到增益飽和；而作為非線性元件時(shí)，比如實(shí)現(xiàn)交叉增益調(diào)制、 交叉相位調(diào)制，要求工作于增益飽和區(qū)，希望具有較小的增益飽和功率。 圖2 1 4 給出了實(shí)驗(yàn)中使用的s o a 工作電流在5 0 m a 2 0 0 m a 之間變化時(shí)的放 大特性曲線，曲線的斜率即為增益。通過(guò)曲線可以看出，s o a 對(duì)輸入光信號(hào)放大 0 4o 0 , 8 01 上1 輸入光功率，m w 圖2 1 4 s o a 贏流光信號(hào)放大曲線 是在輸入驅(qū)動(dòng)電流為8 0 m a 時(shí)開(kāi)始的。通過(guò)該曲線可以看出，當(dāng)輸入光功率為定 值，s o a 的輸出光功率隨工作電流的增加而增加，即s o a 工作電流越大，信號(hào)光 所獲得的增益也越大。此外當(dāng)s o a 工作電流為定值時(shí)，輸入光功率不斷增大時(shí)， 輸出光功率變化較慢，即隨之輸入光功率的增加s o a 的輸出光功率出現(xiàn)飽和 3 2 ，o 9 e 7 e s 4 3 2 1 毫毗，骨霄裝茁舞 第三章可編程邏輯器件 3 1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商 來(lái)獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專(zhuān)用集成電路芯片，而且希望設(shè)計(jì)周 期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的a s i c 芯片，并且能夠立即使用， 因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 ( f p g a ) 和復(fù)雜可編程邏輯器件( c p l d ) 目前廣泛應(yīng)用的可編程邏輯器件無(wú)論是在結(jié)構(gòu)、工藝、集成度方面，還是在功 能、速度和靈活性方面都有了很大的改進(jìn)和提高。可編程邏輯器件已經(jīng)成為當(dāng)今 世界上最富有吸引力的半導(dǎo)體器件，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的 角色 3 2i s p m a c h 4 0 0 0 系列c p l d 3 2 1 器件性能 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件是一種低功耗超快速的c p l d ，它以低動(dòng)態(tài)功耗實(shí)現(xiàn) 了領(lǐng)先的速度性能，同時(shí)支持3 , 3 v 與2 5 v 之間的i o 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于有限供電電源場(chǎng)合， 設(shè)計(jì)者在使用c p l d 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，最基本的也是最關(guān)心的是如何達(dá)到低 功耗，同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)的可靠性1 1 3 】【1 4 1 。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件可提供相當(dāng)?shù)偷墓?，采用低功耗的非易失性邏輯?元等新技術(shù)使靜態(tài)電流降到l m a 。1 8 v 內(nèi)部電壓為該系列器件降低了動(dòng)態(tài)功耗， 因此i s p m a c h 4 0 0 0 系列器件比同類(lèi)器件的功耗要低得多。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結(jié)構(gòu)為使用者提供了很寬的設(shè)計(jì)范圍，該系列有6 種不同的密度可供選擇，從3 2 至5 1 2 個(gè)宏單元，并有多種先進(jìn)的封裝形式和i ，o 選擇，i o 的端數(shù)為3 0 - , 2 0 8 。 l s p m a c h 4 0 0 0 系列器件增強(qiáng)了系統(tǒng)集成能力，支持3 3 v ( 4 0 0 0 v 系列) 、2 5 v ( 4 0 0 0 b 系列) 和1 8 v ( 4 0 0 0 c 系列) 供電電壓，以及3 3 v 、2 5 v ，1 8 v 接口電 單元) o 似：厶。( 疵：) 4 0 33 22 54 0 03 0 ，3 2 4 4 4 8 - t q f p 2 b ，c ，、7 4 0 46 42 54 0 03 0 ，3 2 ，6 4 4 4 4 8 1 0 0 - t q f p 魄| c n 4 1 21 2 82 73 3 3 6 4 ，9 2 1 0 0 1 2 8 - t q f p 2 5 1 8 8 b ，( ：，v 3 3 4 2 5 2 5 63 o3 2 26 4 ，1 2 8 ，1 6 1 0 0 1 7 6 - t q f p , 6 _ b e 02 5 6 _ b g a 4 3 8 3 8 43 53 2 21 2 8 1 9 2l7 6 - t q f p 4 b | c n2 5 6 - b g a 4 5 1 2 b ，5 1 2 3 53 2 21 2 8 2 0 8 1 7 6 - t q f p c n2 5 6 b g a 壓。它還具有增強(qiáng)的i o 性能，如擺率控制、p c i 兼容、總線保持鎖存、上拉電阻、 下拉電阻、漏極開(kāi)路輸出、熱插拔功能。表3 - l 為i s p m a c h4 0 0 0 b c n 系列器件 的主要性能。 3 2 2 基本結(jié)構(gòu) i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結(jié)構(gòu)如圖3 - l 所示它由多個(gè)通用邏輯塊g l b 組 成，每個(gè)g l b 有3 6 個(gè)輸入、1 6 個(gè)宏單元。g l b 的互聯(lián)通過(guò)全局布線區(qū)g r p 來(lái) 一 翟 皇 2 圖3 - 1 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結(jié)構(gòu)圖 完成。輸出布線區(qū)把g l b 連接到含有多個(gè)i o 單元的i o 塊。器件中的i o 分成 兩個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有不同的供電電壓。支持多種標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)者能在混合電壓環(huán)境 中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì) g l b 由可編程與陣列、邏輯分配器、1 6 個(gè)宏單元和一個(gè)g l b 時(shí)鐘發(fā)生器組 成。可編程與陣列有3 6 個(gè)輸入、8 3 個(gè)輸出乘積項(xiàng)。來(lái)自全局布線區(qū)的3 6 個(gè)輸入 用來(lái)在與陣列中構(gòu)成7 2 根線。每根線都可以通過(guò)線與連接8 3 個(gè)輸出乘積項(xiàng)中的 任意一項(xiàng)。踟個(gè)邏輯乘積項(xiàng)的每一個(gè)都饋入邏輯分配器，余下的三個(gè)控制乘積項(xiàng) 饋入共享p t 時(shí)鐘和共享p t o e 。在送入宏單元之前，共享p t 時(shí)鐘和共享p t o e 初始信號(hào)可以選擇反向每5 個(gè)乘積項(xiàng)組成一個(gè)乘積項(xiàng)群( p r o d u c t t e r mc l u s t e r ) 第一個(gè)乘積項(xiàng)群為p t 0 g l b 中的每個(gè)宏單元都有一個(gè)乘積項(xiàng)群。 3 2 3 器件特點(diǎn) 1 低功耗 2 0 - 3 0 z a 的待機(jī)電流 4 0 - - 6 0 r o w 的功耗 2 超快速性能 引腳到引腳之間延時(shí)為3 5 1 2 6 5 m h z 的系統(tǒng)性能 3 易于設(shè)計(jì) 極佳的首次適配和再適配能力 4 個(gè)人全局時(shí)鐘 每個(gè)邏輯有3 6 個(gè)輸入 每個(gè)輸出多達(dá)幻個(gè)乘積項(xiàng)( p t ) o r p 用于引腳鎖定 密度遷移 靈活的控制、鎖定和輸出使能( 0 e ) 快速、s p e e d l o c k i n g t m ( 速度鎖定) 和寬p t 路徑 4 系統(tǒng)集成 3 3 v ( i s p m a c h 4 0 0 0 v ) 和1 8 的工作電壓( i s p m a c h 4 0 0 0 z ) 用于l v c o m s 3 3 v 接口的兼容5 v 的i o 車(chē)用溫度范圍：- 4 0 - 1 3 0 i e e e l 5 3 2 在系統(tǒng)可編程( j & 刪) i e e e l l 4 9 1 邊界掃描測(cè)試 漏極開(kāi)路提供靈活的總線接口能力 可編程的上拉或者總線保持輸入 熱插拔性能 3 3 v p c i 兼容 可編程的輸出擺率 3 3 硬件描述語(yǔ)言 v h d l 和v e r i l o gh d l 是目前最流行的兩種硬件描述語(yǔ)言。其中v h d l 是1 9 8 5 年在美國(guó)國(guó)防部的支持下正式推出的它是目前世界上標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的一種硬 件描述語(yǔ)言。1 9 8 7 年l e e e 將v h d l 采納為硬件描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)( i 髓es t 脅1 0 7 6 ) 。 v h d l 是一種全方位的硬件描述語(yǔ)言，包括從系統(tǒng)到電路的所有設(shè)計(jì)層次。在描述 風(fēng)格上v h d l 支持結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和行為三種描述形式以及三種描述形式的混和描述方 法。因此v h d l 幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語(yǔ)言的功能，整個(gè)至頂向下或至底向 上的電路設(shè)計(jì)過(guò)程都可以用v h d l 來(lái)完成【l ”。 v e r i l o gh d l 是出現(xiàn)最早的一種硬件描述語(yǔ)言。它的最大特點(diǎn)是支持混和模式 的描述，即描述的集成電路可以包括不同的抽象層次，行為層次和結(jié)構(gòu)層次，并 且能用仿真程序做仿真。v e r i l o gh d l 把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)當(dāng)作一組模塊來(lái)描述。每一 個(gè)模塊具有模塊的接口以及關(guān)于模塊i 勺容的描述。這些模塊用網(wǎng)絡(luò)互相連接，相 互通信。 相比較而言，v h d l 的復(fù)雜性等級(jí)要高一些，其它語(yǔ)言更加接近于硬件的概 念。v h d l 語(yǔ)言的應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛，包括集成電路設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)和系 統(tǒng)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。在建模能力上，在低層次設(shè)計(jì)描述中( 門(mén)級(jí)和開(kāi)關(guān)級(jí)) v h d l 對(duì)電氣模型和模擬電路模型的支持還很缺乏，但是在高層設(shè)計(jì)中( 系統(tǒng)級(jí)) ，v h d l 比其他語(yǔ)言顯得更加有力。v e r i l o gh d l 是專(zhuān)門(mén)為復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真而開(kāi)發(fā) 的，本身就非常適合復(fù)雜數(shù)字路基電路和系統(tǒng)的仿真和綜合。