CN102132374A - 用于超快低功率光电探测器的动态阻抗接收器电路 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器接收器电路，包括：用于接收光信号并把该光信号转换成电流的光电探测器；和连接到该光电探测器的动态阻抗电路；其中所述动态阻抗电路被配置成在充电阶段期间具有第一阻抗且在放电阶段期间具有第二阻抗，所述第一阻抗与第二阻抗相比具有更慢的衰减时间。

Description

用于超快低功率光电探测器的动态阻抗接收器电路

背景技术

光通信系统能够通过在介质中传播的光而在两个点之间传输数据。该介质可以是诸如用在光纤线路中或者芯片内部的或芯片至芯片的光链路中的波导。诸如在自由空间光通信系统中，该介质可以是自由空间，所述自由空间光通信系统在不使用波导的情况下通过从一个点到另一个点的光传输数据。光通信系统正越来越多地用在高速数据传输应用中。这些系统中的一些要求大范围的基础设施，诸如光纤地面线路，而这些系统中的另一些要求制造好的芯片（fabricated chip）或者最小的电路，诸如片上链路或者自由空间系统。特定的应用可能规定采用哪种光链路来进行数据传输。

光通信系统使用发射器电路将信号从信号转换成光信号，并且通过介质把它发送到接收器电路。由于红外波长的以比其它波长小的衰减和色散被传输通过介质的能力，这样的系统可以使用红外光，但是在理论上可以使用适合于光传播通过的介质的任何波长。

附图说明

附图图示了本文所描述的原理的各种实施例，且所述附图是说明书的一部分。所图示的实施例仅仅是示例，而并不限制权利要求的范围。

图1是根据本文所描述的原理的实施例的光通信链路的框图。

图2是根据本文所描述的原理的实施例的光接收器电路的示意图。

图3是根据本文所描述的原理的实施例的光接收器电路对光输入的响应的曲线图。

图4是根据本文所描述的原理的实施例的光接收器电路的示意图。

图5是根据本文所描述的原理的实施例的光信号中的多个脉冲的曲线图。

图6是根据本文所描述的原理的实施例的光接收器电路对光输入的响应的曲线图。

贯穿附图，同样的附图标记指示相似的但未必同样的元素。

具体实施方式

本说明书涉及光传输系统，更特别地涉及用于在能够以高比特率接收光传输的同时使功耗最小化的光接收器电路。在各种实施例中，接收器电路包括用于接收光信号的光电探测器和使得该电路的输入阻抗值基于该接收器电路的充电阶段或者放电阶段而变化的动态阻抗。

如在本说明书中和所附权利要求中所使用的，术语“光通信链路”（光链路）是指使用在介质中传播的光在两个点之间、通常在发射器或者驱动器电路（驱动器）和接收器电路（接收器）之间传输数据的通信的系统。取决于特定应用中所使用的光链路，这样的系统可能能够在大的距离或者短的距离上传输数据。在自由空间光通信系统中，例如距离和连接速度可能根据大气条件而改变。雪、雨、雾、污染或者其它条件可能中断光信号或者可能导致光信号中的光子的额外的散射，从而降低传送比特率。在一些光链路中，驱动器和接收器之间的长的距离可能导致大量的散射，从而使得到达接收器的光子的数目被高度衰减从而需要放大以产生可用的信号。信噪比也可能太低以至于无法区分实际的信号和可能经由各种电路部件或者大气条件而被引入该系统中的噪声。

在特定应用中，光通信系统可以使用红外光将数据从驱动器传输到接收器。在另一应用中，光通信链路可以使用诸如红光激光器或者发光二极管的可见光将数据从驱动器传输到接收器。该光通信链路可以在传输路径的两端处都既包括驱动器又包括接收器，以使得光通信链路能够在两端处进行通信（发射和接收）。

如在本说明书中和所附权利要求中所使用的，术语“驱动器”是指连接到信号源的部件，其能够把来自信号源的信号转换成光信号（如果需要的话）以及能够通过光通道在一距离上对该光信号进行传输。术语“接收器”是指这样的部件：其能够接收来自驱动器的光信号并把该光信号转换成连接到该接收器的输出的其它部件或者电路可用的另一信号（通常是电信号）。

如在本说明书中和所附权利要求中所使用的，术语“光电探测器”是指光敏部件，其能够把来自光信号的光子能量转换成电能量。光电探测器起到依赖于光电探测器接收的光信号的强度的电流源的作用。用在光链路中的常见的光电探测器包括光电二极管。可以使用PN或者PIN结来创建光电二极管。PN结具有邻近n型半导体区的p型半导体区。PIN结是包括p型区和n型区之间的本征半导体区的结。P型区和n型区可以用于欧姆接触。该光电探测器具有由于该结的原因而引起的相关联的电容，且被设计成能够存储来自所接收的光信号的特定数量的电荷。

在下述描述中，为了解释的目的，阐述了众多具体细节以便提供对本系统和方法的透彻理解。然而，对本领域技术人员来说显然的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实现本设备、系统和方法。在此说明书中对“实施例”、“示例”或者类似语言的提及意味着结合该实施例或者示例所描述的特定特征、结构或者特性被包括在至少该一个实施例中，但是未必在其它实施例中。在该说明书中的各个地方中的短语“在一个实施例中”或者类似短语的各种实例未必都指相同的实施例。

图1是光链路100的框图。该系统100包括在光传输通道125的第一端110处的驱动器105和在第二端120处的接收器115。该传输通道125可以包括自由空间光信号、波导或者光纤。驱动器105连接到产生信号以供传输的信号源130。该信号源可以是电源，在这种情况下，该驱动器105具有把电信号转换成光信号的能力。该电信号当由驱动器105处理时可以按照电流来表示。驱动器105自身可能能够把电压表示的信号转换成电流表示的信号。

信号源130可以产生供传输到光链路100的第二端120的数据信号，以使得该数据可以在第二端120处被处理。传输的数据可以是能够用电流表示的任何类型的数据，包括文件传送、流数据或者要求高传输安全性的数据传送。

在一些光链路中，红外激光二极管可以由电流提供能量，不过也可以使用其它发光装置。随着电流流入激光二极管中，该激光二极管产生通常与流入该激光二极管中的电流值成比例的光信号。例如，流动通过激光二极管的较高量的电流产生具有较高强度的光信号。为了较佳的信噪比，可以把驱动器105优化成产生高强度光输出。与具有较低强度的光输出相比，高强度光信号能够以较低的数据比特率损失传输得更远，这是因为当信号到达第二端120处的接收器时高强度光信号更可能在信号束的中心处具有较高的光子浓度。透镜或者其它装置可以用在两端110、120处，以使传输通道125的输出变窄从而使得产生传输通道125的最小量的散射，以及使所接收的信号聚焦在该光电探测器上。

接收器115与驱动器105对准以使得该接收器115从光传输通道125接收最大数目的光子。接收器115然后把传输通道125转换成电信号。接收器115还连接到附加电路135以使得所接收的数据可以被处理和使用。该附加电路可以包括：数据存储器；输出介质，诸如显示器、扬声器或者打印机；处理器；逻辑；和/或用于利用所传输的数据的其它电路。

图2是依据在本说明书中所描述的原理要使用的接收器115的简单电路图。该接收器115包括光电探测器200，这里光电探测器200由电流源205和电容器210表示。使该光电探测器200暴露于光信号的光子，该光电探测器随后将光信号的光子转换成电流。光电探测器200除了具有附连到该光电探测器的任何电导线的接触电阻之外，还具有与该光电探测器的大小和形状相关联的固有电容。光电探测器200可以是分立部件或者它可以是除了其它电路之外与接收器115的其它部件一起制造在晶片上的集成的光电探测器。

由于光在驱动器和接收器之间的散射以及驱动器和接收器之间的距离的原因，在接收器处接收的光传输通道通常被高度衰减。一些现有技术解决方案包括用于将输入信号放大到理想的电压/电流值的跨阻抗放大器。然而，这些接收器通常或者要求在允许跨光电探测器的大电压累积和该探测器电容的快速放电之间进行折衷，或者要求附加的功率以对小的信号进行放大。快速接收器主要用于高速光应用，而该速度依赖于探测器电容的放电速度。许多现有技术的接收器常常具有小的、固定的输入阻抗，这增加了对进行放大以供后续处理的需要。例如，接收器输入阻抗的典型电阻是50欧姆。流动通过50欧姆的电阻器的非常小的电流产生非常小的电压值，并且难以在后续级中准确地进行处理。为了解决此问题，现有技术的很多传统解决方案在信号被接收之后包括若干放大级以使得该信号可以被后续的电路级适当地且准确地利用。

接收器的小输入阻抗的优点在于：由电阻和电容引起的延迟时间常数允许在接收到来自光信号的脉冲之后该光电探测器中的电容快速地放电。因此，具有以下这样的动态电阻是有利的：该动态电阻在接收器处于充电阶段时的高输入电阻和接收器处于放电阶段时的低输入电阻之间进行切换。当前实施例的接收器具有能够在工作期间改变电阻的动态阻抗电路215。

对于由光电探测器所产生的电流，充电阶段期间的高输入电阻比较低的输入电阻产生的电压值更高，这可以减少对额外的放大级的需要。放电阶段期间的低输入阻抗允许光电探测器快速地放出所存储的电容性能量，如上面所讨论的。接收器的速度高度依赖于接收脉冲之后光电探测器电容能够进行放电的速度。

图3示出了对光信号的光电探测器响应的曲线图300。在任何光信号被发送到接收器之前，光电探测器初始可以在0值处开始。当具有多个脉冲的光传输通道被从驱动器发送到接收器时，随着每个脉冲被光电探测器接收以及能量被从光电探测器电容放出，光电探测器电压相应地上升和下降。基于电路中的部件以及它们各自的特性，可以把接收器的滞后效应设计成满足特定应用的具体需要。

在所示出的说明性曲线图300中，接收到了光信号中的第一脉冲305。当接收到该第一脉冲305时，光电探测器处于充电阶段310。一旦光电探测器电压电平达到第一预定电压315即Vup，则接收器切换到放电阶段320且动态阻抗值变化到第一、低阻抗值，以便允许探测器电容中的电荷由于快速衰减时间常数而迅速地放电。该衰减时间常数通过将接收器的阻抗乘以接收器的电容而计算得到。光电探测器电容继续迅速放电直到电压达到第二预定电压325即Vdown，在该点处接收器切换回充电阶段310且动态阻抗值改变到第二、高阻抗值。该高阻抗值使接收器的衰减时间常数升高以使得光电探测器以比在放电阶段期间慢的速率放出电容性能量。由该高阻抗值引起的衰减时间常数与光输入的衰减时间常数相比也是慢的。在充电阶段310，不管实际上是否发送了脉冲，当接收器等待接收脉冲时接收器的输入阻抗可以保持为高。

当接收到光信号中的第二脉冲330时，由于由高阻抗值引起的慢衰减时间的原因光电探测器的电压值可能仍然处于或者大约处于第二预定电压325处，这依赖于第一脉冲305和第二脉冲330之间经过的时间量。接收器对第二脉冲以类似于对第一脉冲那样的方式作出响应。脉冲330被光电探测器接收，以及当电压上升到或者超出Vup 315时，输入电阻从高电阻值变化到低电阻值，这允许存储在光电探测器电容中的来自该脉冲的能量快速地放出。

图4示出了接收器115的特定实施例的电路图。接收器115包括用于接收光信号的光电探测器200。光电探测器200可以是如在当前实施例中所示出的光电二极管。接收器115也包括动态阻抗电路215，动态阻抗电路215具有第一晶体管400和第二晶体管405。晶体管400、405可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。光电探测器200连接到第一晶体管400的栅极410和第二晶体管405的漏极415。第二晶体管405的源极420连接到参考点425，或者在此实施例中的地。第一晶体管400的源极420连接到第二晶体管405的栅极410、输出430以及电阻器435，而漏极415连接到电压源440。

第一晶体管400初始处于关断位置，这意味着没有足够的电压被施加到其栅极410以促使第一晶体管400允许电流从电压源440流过来。当光电探测器200接收到来自光传输通道的脉冲时，该脉冲被转换成电信号。当来自该脉冲的电信号的电压值达到第一晶体管400的栅极阈值电压时，电流从电压源440流动通过第一晶体管400。在此阶段，输出430依赖于电阻器435的值。电阻器435具有足够大的值以便将输出电压置于供后续级中处理或者使用的可用的值。电阻器435可以具有将产生特定的期望输出的任何值，并且可以是数十至数百千欧那么大。动态阻抗电路215还可以包括并联和/或串联的若干电阻器，或者可以包括可变电位计以使得可以达到期望的电阻值。

在第一晶体管400的源极420连接到第二晶体管405的栅极410的情况下，当输出430处的电压值达到第二晶体管405的栅极阈值电压时，第二晶体管405导通并且来自光电探测器200的电流被转移通过第二晶体管405且该光电探测器200开始放电。光电探测器放电的速度很大程度上确定了接收器的速度。

晶体管400、405被选择为使得每个晶体管具有具体的、已知的栅极阈值电压。在确定接收器从高输入阻抗切换到低输入阻抗的点时每个晶体管的阈值电压是重要的部分，反之亦然。晶体管的其他特性也可能影响电路的工作，诸如在输入处看到的电阻，或者固有晶体管性电容。晶体管的电容对接收器的衰减时间常数有影响。相对于包括跨阻抗放大器的现有技术的解决方案，本说明书的接收器可以通过潜在地减小杂散电容来减小电路的整体电容。当前实施例具有一种简单的设计，该设计可以把最小量的电容引入接收器。晶体管中的每一个可以具有近似10毫微微法（femtofarad）的晶体管性电容，不过，取决于为本说明书的特定实施例所选择的晶体管的类型，晶体管可以具有其它电容。由高输入阻抗和低输入阻抗二者引起的延迟时间常数在理想情况下都小于100微微秒从而使得接收器可以以高达每秒10吉比特每秒或者更高的速度工作。

由于接收器以高输入阻抗接收脉冲的能力的原因，接收器115的输出430可以如100mV那么大或者1V那么大或者更大。除了电压源440的电压之外，输出电压可能还依赖于输出处的电阻器435的值。接收器的后面可以跟随或者可以不跟随附加的放大级，不过本说明书中的接收器的输出较高电压的能力可以消除对任何其它放大级的需要。该输出的信噪比也可能足够满足进一步处理或者使用的需要。接收器电路的功耗（不包括从光信号接收的功率）可能如小于1毫微微焦（femtoJoule）每比特那么低。这是有利的，因为对于在一距离上的数据传送来说本说明书的接收器是非常低功率的解决方案且也可能比现有技术的其它解决方案成本低。

图5示出了光传输通道的多个脉冲500、505的曲线图500，且图6是依据本说明书的特定接收器电路的可能的响应的曲线图600。接收器的响应可以被配置成对以基于电路的若干部件的延迟而工作。例如，在第一脉冲500被输入到接收器中时，在第一晶体管处的电压可以达到足够的值以导通第一晶体管从而使得电流流动通过该第一晶体管且在输出节点处产生电压。当输出节点处的电压达到第二晶体管的栅极的阈值电压605时，第二晶体管导通并开始传导电流且允许光电探测器中的电荷被释放。然而，在达到阈值电压605的时间和该晶体管实际开始传导电流的时间620之间可能存在延迟610，以使得该光电探测器存储的电压开始放出，如在图6中所示出的。该电路可以设计成具有此延迟610以便产生可能高于第二晶体管的阈值电压605的特定输出电压。

随着电流流动通过第二晶体管，来自光电探测器电容的电荷被释放而且在第一晶体管的栅极处的电压下降，最终下降到第一晶体管不再传导足够的电流以产生处于第二晶体管的阈值电压的电平的输出电压的点。第二晶体管然后停止传导电流，且衰减时间常数变大，这是由于输出处的电阻器的原因。在输出电压下降到低于第二晶体管的阈值电压605的时间625和第二晶体管实际停止传导电流的时间630之间可能存在延迟635。这可能导致当衰减时间常数变慢时输出电压低于第二晶体管的阈值电压605，如在曲线图600中所示出的。当接收到第二脉冲505时应用相同的原理。

仅为了对所描述的原理的实施例和示例进行举例说明和描述，已经呈现了前述说明。该说明并不意图是排他性的或者把这些原理限制为所公开的任何精确形式。按照上述教导许多修改和改变是可能的。

Claims (15)

1.一种光电探测器接收器电路，包括：

光电探测器，其用于接收光信号并把所述光信号转换成电流；和

连接到所述光电探测器的动态阻抗电路；

其中，所述动态阻抗电路被配置成在充电阶段期间具有第一阻抗且在放电阶段期间具有第二阻抗，所述第一阻抗与所述第二阻抗相比具有更慢的衰减时间。

2.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述放电阶段在跨所述光电探测器的电荷累积上升到高位电压之后开始。

3.如权利要求2所述的光电探测器接收器电路，其中所述动态阻抗电路包括晶体管，所述晶体管被配置成当跨所述光电探测器的电荷累积达到所述高位电压时以所述第二阻抗从所述光电探测器牵引电流。

4.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述充电阶段在跨所述光电探测器的电荷累积下降到较低电压之后开始。

5.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述充电阶段的相应的衰减时间比所述光电探测器对所述光传输的响应慢。

6.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述充电和放电阶段是基于所述光电探测器接收器电路的滞后效应。

7.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述第二输入阻抗近似为50欧姆。

8.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中所述第一输入阻抗大于1千欧。

9.如权利要求1所述的光电探测器接收器电路，其中由所述第一和第二输入阻抗引起的所述衰减时间常数比100微微秒快。

10.一种用于使用光电探测器接收器电路接收光信号的方法，包括：

使用光电探测器接收所述光信号；

把所述光信号转换成具有电流的电信号；和

当接收到来自所述光信号的脉冲时改变所述接收器电路的阻抗，以使得所述接收器电路在充电阶段期间包括第一输入阻抗且在放电阶段期间包括第二输入阻抗，

所述第二输入阻抗与所述第一输入阻抗相比具有更快的衰减时间。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述放电阶段在跨所述光电探测器的电荷累积上升到高位电压之后开始。

12.如权利要求11所述的方法，还包括在所述放电阶段期间以所述第一输入阻抗使所述光电探测器通过晶体管放电。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述充电阶段在跨所述光电探测器的电荷累积下降到较低电压之后开始。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述接收器电路包括在所述充电阶段期间由所述第一输入阻抗引起的大的衰减时间常数，所述大的衰减时间常数比来自所述光信号的所述脉冲更慢。

15.如权利要求10所述的方法，其中所述充电阶段的相应的衰减时间比所述光电探测器对所述光信号的响应更慢。

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