CN101350675B - 用于限幅放大器的阈值检测电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于限幅放大器的阈值检测电路系统，包括：可变电平基准电路，根据比较器的输出信号，得到用于阈值比较的设置电平；双通道同步自适应放大电路，对数据信号和设置电平进行同步线性放大，产生数据放大信号和设置电平放大信号；比较器，根据数据放大信号和设置电平放大信号产生输出信号，将输出信号反馈给控制可变电平基准电路，从而产生迟滞比较。本发明具有以下优点：1.该光阈值检测电路系统能够自动识别信号的线性放大和非线性放大。2.该光阈值检测电路系统在监控大动态范围的输入光信号时，依然能够保持很高的精度。3.该光阈值检测电路系统可以随放大器的升级而较快实现系统的升级。

Description

用于限幅放大器的阈值检测电路系统

技术领域

本发明属于光通信领域，尤其涉及一种用于限幅放大器的阈值检测电路系统。

背景技术

在光通信领域中，限幅放大器通常作为接收器的主要放大器，限幅放大器一般包括速输入缓冲级，二至四级差分放大单元，输出缓冲级和对全局直流负反馈网络四部分组成。接收部分负责光电转换及信号的前级放大，后级限幅放大及后级的处理，接收到的信号通常经过远距离的传输及多级的光放大，具有很差的信噪比，由于色散及非线性等情况也会使得信号失真，这样，对接收信号的处理就变得非常重要，利用限幅放大器对接收到的信号进行调整就是一种有效的方法。

限幅放大器的工作原理是当输入信号的幅值小于某值时，进行信号的线性放大；当输入信号的幅值大于某值时，进行信号的非线性放大。以阈值电压为参考点，将信号的幅值放大到逻辑电平的幅值，正反分别限幅放大到逻辑电平1或0。实际应用中，需要根据输入信号的大小实时的调整阈值，输出波形的限幅幅值范围可以容易的以设置电平的阈值为中心进行上下调节。

国内外研究者对限幅放大器(Limiting Amplifier)作了大量的研究。用于光通信领域的LA如果带有光阈值检测功能，将大大方便用户的系统设计。

现有的光阈值检测电路多采用直流取样电路，这类取样电路的弊端在于：此电路包含低通滤波电路，当信号速率低时可以较好的完成取样，但是当信号速率较高时，特别是速率大于1Gbit/s时，容易使直流取样电路中加入更多的噪声干扰，从而使得检测电路发生误判。所以无法适应较高速率的光输入信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于限幅放大器的阈值检测电路系统，能够自动识别信号的线性放大和非线性放大。

一种用于限幅放大器的阈值检测电路系统，其特征在于，包括：

可变电平基准电路，根据比较器的输出信号，得到用于阈值比较的设置电平；

双通道同步自适应放大电路，对数据信号和设置电平进行同步线性放大，产生数据放大信号和设置电平放大信号；

比较器，根据数据放大信号和设置电平放大信号产生输出信号，将输出信号反馈给控制可变电平基准电路，从而产生迟滞比较。

所述的可变电平基准电路包括，由放大器A1，电阻R1，NMOS管M3和电阻R2组成第一电压跟随器；由放大器A2，电阻R3，NMOS管M1，电阻R4和电阻Rset组成第二电压跟随器；由放大器A3，电阻R5，NMOS管M2和电阻R6组成第三电压跟随器。

电阻R5为可变电阻，受比较器的输出信号的控制而变化，生成动态调整的设置电平Vset。

设置电平Vset的计算方法为

$V_{\mathrm{set}}=\frac{(R_2{V}_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{bg}}{R}_1)\·R_{\mathrm{set}}//R_4\·R_5}{R_2{R}_3{R}_6}.$

设置电平的初始值由Rset确定。

双通道同步自适应放大电路包括，m级双通道自控制放大器，m≥4，中每一级双通道自控制放大器包括，宽频放大器Ai，宽频放大器Bi，双通道比较与控制器COM&CTLi，电压电流转换器CONVTAi，电压电流转换器CONVT Bi，其中，0≤i≤m；且宽频放大器Ai与Bi的特性相同，电压电流转换器CONVT Ai与CONVT Bi的特性相同。

双通道比较控制及转换器电路对放大通道中的设置电平进行检测，如果第n+1级放大器的设置电平进入非线性放大区间，而第n级放大器的设置电平进入线性放大区间，则关断除第n级放大器以外的所有放大器，n＝0，1，2，……，m；m≥4。

本发明具有以下优点：1、该光阈值检测电路系统能够自动识别信号的线性放大和非线性放大。2、该光阈值检测电路系统在监控大动态范围的输入光信号时，依然能保持很高的精度。3、该光阈值检测电路系统可以随放大器的升级而较快实现系统的升级。

附图说明

图1是本发明的阈值检测电路系统原理框图；

图2是本发明的可变电平基准电路原理图；

图3是本发明的双通道同步自适应放大器电路系统原理图。

具体实施方式

图1是本发明的阈值检测电路系统原理框图，所述系统由可变电平基准电路，双通道同步自适应放大电路和比较器构成。其中，可变电平基准电路，根据比较器的输出信号Con，得到设置电平Vset；数据信号data输入到双通道同步自适应放大电路，同时，根据可变电平基准电路输出的设置电平Vset，双通道同步自适应放大电路输出经过宽频放大器的数据放大信号Vdout和设置电平放大信号Vsout；比较器，比较Vdout和Vsout，根据比较结果生成输出信号Con。其中的双通道同步自适应放大器是本系统的核心电路。其中，设置电平是可以动态改变的。

如图2所示，放大器A1，电阻R1，NMOS管M3和电阻R2组成第一电压跟随器，它的输入是与温度无关的带隙Vbg，其典型值为1.22V，其功能主要是产生一个与电源电压具有恒定压差的电平Vref1；放大器A2，电阻R3，NMOS管M1，电阻R4和电阻Rset组成第二电压跟随器，其功能是通过电阻Rset来设置其输出电平Vref2；放大器A3，电阻R5，NMOS管M2和电阻R6组成第三电压跟随器，其中电阻R5为可变电阻，受比较器的输出信号Con的控制而变化，从而得到设置电平Vset；其表达式如下：

$V_{\mathrm{set}}=\frac{(R_2{V}_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{bg}}{R}_1)\·R_{\mathrm{set}}//R_4\·R_5}{R_2{R}_3{R}_6}---\left(1\right)$

其中，R5是可变电阻，其阻值受比较器的输出信号Con控制而变化，R5电阻值的变化决定了比较器的迟滞窗口，在设计时采用等值小电阻串并联方式就可以得到一个较精确的迟滞特性值；Vcc是电源电压。

如图2所示，第一电压跟随器由放大器A1，电阻R1，NMOS管M3和电阻R2组成，其中，带隙Vbg输入到放大器A1的同向输入端，放大器A1的输出端连接NMOS管M3的栅极，NMOS管M3的漏极通过电阻R1连接到电源Vcc，NMOS管M3的源极通过电阻R2连接到地GND，NMOS管M3的源极连接放大器A1的反向输入端，形成反馈电路。

第二电压跟随器由放大器A2，电阻R3，NMOS管M1，电阻R4和电阻Rset组成，其中，放大器A2反向输入端连接于电阻R1和NMOS管M3的漏极之间，放大器A2同向输入端连接于电阻R3和NMOS管M1的漏极之间，放大器A2的输出端连接NMOS管M1的栅极，NMOS管M1的漏极通过电阻R3连接到电源Vcc，NMOS管M1的源极分别通过电阻R4和电阻Rset连接到地GND。通过设置电阻Rset的值来设置输出电平Vref2。

第三电压跟随器由放大器A3，电阻R5，NMOS管M2，电阻R6组成，其中，放大器A3的同向输入端连接于NMOS管M1的源极和电阻Rset之间，放大器A3的反向输入端连接于NMOS管M2的源极和电阻R6之间，放大器A3的输出端连接于NMOS管M2的栅极，NMOS管M2的漏极通过可变电阻R5连接到电源Vcc，NMOS管M2的源极通过电阻R6连接到地GND。可变电阻R5的阻值受比较器的输出信号Con控制而变化，从而产生更合适的设置电平Vset。

如图3所述，双通道同步自适应放大电路包含了m级双通道自控制放大器(m≥4)。每一级双通道自控制放大器包含，宽频放大器Ai，宽频放大器Bi，双通道比较与控制器COM&CTLi，宽频放大器Ai与Bi的特性相同，电压电流转换器CONVT Ai与CONVT Bi的特性相同。其中，每个宽频放大器Ai对应一个电压电流转换器CONVT Ai，每个宽频放大器Bi对应一个电压电流转换器CONVT Bi，其中，0≤i≤m。其中在双通道比较与控制器上方的Ai是设置电平放大通道，下方的Bi是数据放大通道，在双通道中分别对设置电平和数据进行放大。在放大通道中必然有某一宽频放大器进入到限幅放大，而其前级的宽频放大器仍处在线性放大区。

本发明提出的光阈值检测电路可以很好地解决动态的大范围光信号阈值检测中的线性放大和非线性放大的问题，从而较好的提高了阈值检测的精度。首先，双通道比较控制及转换器电路对放大通道中的设置电平进行检测，一旦发现第n+1级(0≤n≤m)放大器的设置电平进入非线性放大区间，则立即关断所述第n+1级放大器，启动第n级的放大器，并继续进行判别。如果，设置电平在第n+1级放大器进入非线性放大区间，在第n级放大器进入线性放大区间，则关断除第n级放大器以外的所有放大器，这样就区分开设置电平的线性放大和非线性放大，实现信号的线性放大检测功能，从而使得比较器能够做出正确的判断，其工作原理如下：

首先，对于设置电平的放大通路有：

$V_{\mathrm{sout}}=f\left(V_{\mathrm{set}}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{A}_i\right),$ 其中，m≥4                   (2)

当 $V_{\mathrm{set}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i<V_{\mathrm{ref}},$ 且 $V_{\mathrm{set}}\underset{i=0}{\overset{n+1}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i>V_{\mathrm{ref}}$ 时，其中n＝0，1，……，m，COMP&CTLn启动，并且关闭其他COMP&CTL电路，只有第n个Converter电路工作，由于设置电平放大通道和数据信号放大通道使用相同的放大电路，于是对于信号放大通道有：

$V_{\mathrm{dout}}=f\left(V_{\mathrm{data}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{B}_i\right);---\left(3\right)$

如果Vdout<Vsout，则 $f\left(V_{\mathrm{data}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{B}_i\right)<f\left(V_{\mathrm{SET}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i\right),$ 于是Vdata<Vset；如果Vdout>Vsout，则 $f\left(V_{\mathrm{data}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{B}_i\right)>f\left(V_{\mathrm{SET}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i\right),$ 于是Vdata>Vset；由此实现对数据信号的大小进行判别。

以上电路是一种先进的光阈值检测电路，可以有效方便地应用于不同速率的光通信限幅放大器。

Claims (7)

1.一种用于限幅放大器的阈值检测电路系统，其特征在于，包括：

可变电平基准电路，根据比较器的输出信号，得到用于阈值比较的设置电平；

双通道同步自适应放大电路，对数据信号和设置电平分别进行同步线性放大，产生数据放大信号和设置电平放大信号；

比较器，根据数据放大信号和设置电平放大信号产生输出信号，将输出信号反馈给可变电平基准电路，从而产生迟滞比较。

2.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，所述的可变电平基准电路包括，

由放大器A1，电阻R1，NMOS管M3和电阻R2组成第一电压跟随器，其中，带隙Vbg输入到放大器A1的同向输入端，放大器A1的输出端连接NMOS管M3的栅极，NMOS管M3的漏极通过电阻R1连接到电源Vcc，NMOS管M3的源极通过电阻R2连接到地GND，NMOS管M3的源极连接放大器A1的反向输入端，形成反馈电路；

由放大器A2，电阻R3，NMOS管M1，电阻R4和电阻Rset组成第二电压跟随器，其中，放大器A2反向输入端连接于电阻R1和NMOS管M3的漏极之间，放大器A2同向输入端连接于电阻R3和NMOS管M1的漏极之间，放大器A2的输出端连接NMOS管M1的栅极，NMOS管M1的漏极通过电阻R3连接到电源Vcc，NMOS管M1的源极分别通过电阻R4和电阻Rset连接到地GND；

由放大器A3，电阻R5，NMOS管M2和电阻R6组成第三电压跟随器，其中，放大器A3的同向输入端连接于NMOS管M1的源极和电阻Rset之间，放大器A3的反向输入端连接于NMOS管M2的源极和电阻R6之间，放大器A3的输出端连接于NMOS管M2的栅极，NMOS管M2的漏极通过可变电阻R5连接到电源Vcc，NMOS管M2的源极通过电阻R6连接到地GND。

3.如权利要求2所述的电路系统，其特征在于，电阻R5为可变电阻，受比较器的输出信号的控制而变化，生成动态调整的设置电平Vset。

4.如权利要求3所述的电路系统，其特征在于，设置电平Vset的计算方法为

$V_{\mathrm{set}}=\frac{(R_2{V}_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{bg}}{R}_1)\&CenterDot;R_{\mathrm{set}}//R_4\&CenterDot;R_5}{R_2{R}_3{R}_6},$

其中，Vbg是与温度无关的带隙，Vcc是电源电压。

5.如权利要求2所述的电路系统，其特征在于，设置电平的初始值由电阻Rset确定。

6.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，双通道同步自适应放大电路包括，m级双通道自控制放大器，m≥4，其中每一级双通道自控制放大器包括，宽频放大器Ai，宽频放大器Bi，双通道比较与控制器COM&CTLi，电压电流转换器CONVTAi，电压电流转换器CONVTBi，其中，0≤i ≤m；且宽频放大器Ai与Bi的特性相同，电压电流转换器CONVTAi与CONVTBi的特性相同。

7.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，对放大通道中的设置电平进行检测，如果第n+1级放大器的设置电平进入非线性放大区间，n＝0，1，2，……，m；m≥4，而第n级放大器的设置电平进入线性放大区间，则关断除第n级放大器以外的所有放大器。

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