CN101197623B - 一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种差分光接收机，该种光接收机采用如下结构的四端口光检测器：包括第一和第二光电探测器，两个光电探测器的结构、尺寸和面积均相同，两者位置相邻且对称；第一光电探测器的阳极和阴极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二光电探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连。本发明提出的差分光接收机的灵敏度和带宽均可达到现行的集成单一光电探测器的差分光接收机的两倍，而且相比现行实用的光接收机，本发明的差分光接收机没有任何附加成本。
Description
技术领域
本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种灵敏度倍增、带宽倍增的新型差分光接收机。
背景技术
现行实用的光接收机均是混合集成的，即将化合物光电探测器和硅基接收机专用IC(集成电路)之间用金属线键合而成，应用于长距离数据传输网络的主干网络。在高速通信系统中，光接收机性能的好坏决定了整个通信系统的质量，其设计至关重要。除了灵敏度和带宽设计要求外，稳定性也是接收机电路设计中需考虑的一个重要问题。为克服引线的寄生电感对接收机电路的高频稳定性的影响，设计中一般采用差分接收机结构。此外，差分光接收机还可克服共模噪声，提高灵敏度。
但是，现行的差分光接收机均只采用一个光电探测器的结构，即差分跨阻前置放大器的两个输入端中只有一个输入端连接有可检测输入光信号的光电探测器，而另一输入端则没有负载光电探测器。这种结构的缺点是造成了差分光接收机的两个输入端的输入负载的不平衡以及差分光接收机的两个输入端的输入信号的不对称，从而限制了带宽和灵敏度。
发明内容
为同时提高差分光接收机的灵敏度和速度，本发明提出了一种灵敏度和带宽较常规的差分光接收机同时倍增的新型差分光接收机。
为此，本发明采用如下的技术方案：
一种差分光接收机，包括：
一个四端口光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换成一对差分电流信号；
一个全差分跨阻前置放大器，其作用是将由四端口光检测器输出的一对差分电流信号转换成一对差分电压信号；
一个全差分限幅放大器，其作用是将全差分跨阻前置放大器输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平；
一个差分转单端的输出缓冲级，其作用是将全差分限幅放大器输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力；
所述四端口光检测器，包括第一和第二光电探测器，两个光电探测器的结构、尺寸和面积均相同，两者位置相邻且对称，且该两个光电探测器的阳极和阴极分别对应四端口光检测器的四个端口；第一光电探测器的阳极和阴极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二光电探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连；所述两个光电探测器所产生的光生电流的大小是相等的，但方向是恰好相反的：第一光电探测器所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器，第二光电探测器所产生的光生电流的方向是流出与之相连的全差分跨阻前置放大器。
作为优先方案：所采用的四端口光检测器是矩形结构，所述四端口光检测器为矩形结构，所述的两个光电探测器制作在同一衬底上、利用衬底保护环隔离；每个光电探测器的外层为光电探测器的阴极掺杂区；内层为光电探测器的阳极掺杂区；在两个光电探测器各自的阴极掺杂区和阳极掺杂区中均制作有接触区，在四个接触区上制作出相应的4个金属电极引出端。
本发明同时提供了一种利用上述的差分光接收机实现光接收机的灵敏度和带宽同时倍增的方法：运用四端口光检测器中的两个结构、尺寸和面积以及偏压完全相同的两个光电探测器分别作为全差分跨阻前置放大器的两个输入负载，实现全差分跨阻前置放大器的两个输入负载的平衡，从而实现带宽的倍增；利用四端口光检测器中的两个光电探测器来同时检测同一根光纤输入的光信号并产生一对差分光生电流信号，从而实现总输入光生电流信号的倍增，进而达到灵敏度的倍增。
本发明利用差分放大器的截止频率是单端输入单端输出放大器的截止频率的两倍的特点，将该四端口光检测器和差分跨阻前置放大器巧妙地进行结合，使光接收机的灵敏度和带宽比集成单一光电探测器的差分光接收机的灵敏度和带宽同时被提高一倍。与现有主流技术相比，本发明的差分光接收机及其实现灵敏度和带宽同时倍增的方法具有如下突出的优点：
1、本发明的差分光接收机的灵敏度和带宽均可达到现行的集成单一光电探测器的差分光接收机的两倍。
2、相比现行实用的光接收机，本发明的差分光接收机没有任何附加成本。
3、本发明的差分光接收机的各个部分均可采用标准CMOS工艺来实现，即它可以完全实现在同一标准CMOS芯片上的单片集成，故具有很好的应用前景。此外，若实现了本发明的差分光接收机的单片标准CMOS集成，则可大大降低光接收机的成本，还可很方便地引入电子逻辑处理、存储和智能控制等功能。
附图说明
图1是本发明的差分光接收机的电路结构原理图；
图2是本发明的四端口光检测器的版图原理示意图。
具体实施方式
本发明是通过以下方法来实现的：图1是本发明的差分光接收机的电路结构原理图；图2是本发明的四端口光检测器的版图原理示意图。下面结合图1和图2进行详细阐述：
对于现行的集成单一光电探测器的差分光接收机，由于差分跨阻前置放大器的两个输入端的输入负载不平衡(一个输入端连接有光电探测器，而另一输入端则没有)，导致带宽受到了限制。同时，两个差分输入端中只有一个输入端接收光生电流信号，这使得灵敏度也受到了限制。为同时提高差分光接收机的灵敏度，本发明设计了一种如图1所示的灵敏度倍增、带宽倍增的新型差分光接收机，它共包括四个部分：一个四端口光检测器，它由光电探测器D1和D2组成；一个全差分跨阻前置放大器“DTIA”；一个全差分限幅放大器“DLMA”；一个差分转单端的输出缓冲级“DFSO”。
四端口光检测器的版图原理示意图如图2所示，它是由两个紧挨的、尺寸和结构完全相同的光电探测器D1和D2组成的。其中，1为衬底；2为衬底接触环；3为光电探测器的阴极掺杂区；4为光电探测器的阳极掺杂区；5为接触区；6、7、8、9和10均为金属铝，且6、7、8和9作为电极引出端，也即光检测器件的四个端口，而10则是内部端子，它与电源或地相连。两个面积和形状完全相同的掺杂区3和掺杂区4共形成了两个光电探测器D1和D2，它们分别位于版图的上半部和下半部，并且每个光电探测器分别占据了整个正方形光探测区域(即光检测器件的受光区域)的总面积的一半。6和8分别为光电探测器D1和D2的阳极，7和9则分别为光电探测器D1和D2的阴极。衬底接触环2的作用是对光电探测器D1和D2进行隔离。当该光检测器件正常工作时，位于上半部的光电探测器D1的阳极6和阴极7分别与全差分跨阻前置放大器“DTIA”的一个输入端和电源VDD相连；位于下半部的光电探测器D2的阳极8和阴极9则分别与地和全差分跨阻前置放大器“DTIA”的另一个输入端相连；光电探测器D1和D2的阳极6和8的直流偏置电压均等于电源电压的一半，即VDD/2，以保证这两个光电探测器所处的反偏状态是相同的。在光检测器件的设计过程中，通过选择合适的衬底1和阴极掺杂区3的掺杂类型，并将与衬底接触环2相连的内部端子10连接到合适的电位上，可使衬底1和光电探测器D1和D2的阴极掺杂区3所形成的两个PN结均处于反偏状态，从而实现光电探测器D1和D2之间的有效隔离。
在全差分跨阻前置放大器“DTIA”的电路设计过程中，应调整各电路元件参数使差分跨阻前置放大器“DTIA”的两个输入端的直流偏置电压约等于电源电压的一半，即VDD/2，以保证光电探测器D1和D2所处的反偏状态基本上是相同的。这样，正常工作状态下的光电探测器D1和D2所产生的PN结势垒电容将是基本相等的，从而保证了全差分跨阻前置放大器“DTIA”的两个输入端的输入负载是基本相等的或处于平衡状态。根据全差分放大器的截止频率倍增(fT double)原理可知：相比集成单一光电探测器的差分跨阻前置放大器，集成该四端口光检测器的全差分跨阻前置放大器“DTIA”的带宽将被提高一倍，从而使整个差分光接收机的带宽被提高一倍。此外，据图1所示的光检测器与全差分跨阻前置放大器“DTIA”的连接关系可知：位于上半部的光电探测器D1在入射光照下所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器“DTIA”的输入端；而位于下半部的光电探测器D2在入射光照下所产生的光生电流的方向则是流出与连的全差分跨阻前置放大器“DTIA”的输入端。即相对于全差分跨阻前置放大器“DTIA”而言，这两个光电探测器所产生的光生电流的方向是恰好相反的。又光电探测器D1和D2的尺寸、结构是完全相同的，所处的反偏状态是基本相同的，且接收的入射光也是完全相同的，故光电探测器D1和D2所产生的光生电流大小是基本相等的。因而，在接收相同的入射光照下，光电探测器D1和D2所产生的光生电流实质上是一对大小相等、方向恰好相反的差分输入电流信号，故全差分跨阻前置放大器“DTIA”的总输入电流信号是单个光电探测器所产生的光生电流的两倍，从而使本发明的差分光接收机的灵敏度相对集成单一光电探测器的差分光接收机的灵敏度也增加了一倍。再者，由于该四端口光检测器中的光电探测器D1和D2在版图上是紧挨着的，并且这两个光电探测器都在整个光检测器件的正方形受光区域内。通过前面所介绍的该四端口光检测器的结构及其与后续的全差分跨阻前置放大器“DTIA”的连接关系可知：光电探测器D1和D2可直接从同一根光纤同时接收入射光信号。因而本发明的差分光接收机仍只需用一根光纤来传输光信号。故与现行实用的光接收机相比，它不会产生任何附加成本。
全差分限幅放大器“DLMA”是由多级的低增益高带宽的全差分放大器级联组成的，它具有足够大的增益和比差分跨阻前置放大器高得多的带宽，以除将全差分跨阻前置放大器输出的差分电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平外，并保证信号的无损传输。
本发明的差分光接收机的最后一级是一个差分转单端的输出缓冲级“DFSO”。该级并不提供增益，但具有比整个差分光接收机高得多的带宽和足够大的电流。它将全差分限幅放大器“DLMA”输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出电压信号；并将信号无损地传输到后续的数字处理单元，或传输到示波器以便对被传输信号进行观测。
此外，本发明的差分光接收机的各个部分均可采用标准CMOS工艺来实现，即本发明的差分光接收机可实现在同一块标准CMOS芯片上的单片集成，进而可大大降低光接收机的成本。由于绝大部分的后续数字处理单元现已实现了标准CMOS化，因而标准CMOS化后的光接收机还可与后续的数字处理单元实现单片标准CMOS集成，从而可很方便地引入电子的逻辑处理、存储和智能控制等功能，使光接收机实现更为强大的功能。故本发明的差分光接收机具有很好的应用前景。
Claims (3)
1.一种差分光接收机，包括：
一个四端口光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换成一对差分电流信号；
一个全差分跨阻前置放大器，其作用是将由四端口光检测器输出的一对差分电流信号转换成一对差分电压信号；
一个全差分限幅放大器，其作用是将全差分跨阻前置放大器输出的电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平；
一个差分转单端的输出缓冲级，其作用是将全差分限幅放大器输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力；
其特征在于：
所述四端口光检测器，包括第一和第二光电探测器，两个光电探测器的结构、尺寸和面积均相同，两者位置相邻且对称，且该两个光电探测器的阳极和阴极分别对应四端口光检测器的四个端口；第一光电探测器的阳极与全差分跨阻前置放大器的一个输入端相连，阴极与电源端相连；第二光电探测器的阳极与接地端相连，阴极与全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连；所述两个光电探测器所产生的光生电流的大小是相等的，但方向是恰好相反的：第一光电探测器所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器，第二光电探测器所产生的光生电流的方向是流出与之相连的全差分跨阻前置放大器。
2.根据权利要求1所述的差分光接收机，其特征在于，所述四端口光检测器为矩形结构，所述的两个光电探测器制作在同一衬底上、利用衬底接触环隔离；每个光电探测器的外层为光电探测器的阴极掺杂区；内层为光电探测器的阳极掺杂区；在两个光电探测器各自的阴极掺杂区和阳极掺杂区中均制作有接触区，在四个接触区上制作出相应的4个金属电极引出端。
3.一种采用权利要求1所述的光接收机实现光接收机的灵敏度和带宽同时倍增的方法：运用四端口光检测器中的两个结构、尺寸和面积以及偏压完全相同的两个光电探测器分别作为全差分跨阻前置放大器的两个输入负载，实现全差分跨阻前置放大器的两个输入负载的平衡，从而实现带宽的倍增；利用四端口光检测器中的两个光电探测器来同时检测同一根光纤输入的光信号并产生一对差分光生电流信号，从而实现总输入光生电流信号的倍增，进而达到灵敏度的倍增。
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