CN102833006B

CN102833006B - 光接收机

Info

Publication number: CN102833006B
Application number: CN201210331231.1A
Authority: CN
Inventors: 张有润; 吴浩然; 刘影; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN102833006A

Abstract

本发明公开了一种光接收机，具体包括：第一PIN型光电探测器、第二PIN型光电探测器、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、一电阻装置、一电容装置、一金属氧化物半导体场效应晶体管、初始增益电路以及限幅放大器，其中的第二跨阻放大器、电阻装置和电容装置构成检测电路，第二PIN型光电探测器、检测电路和初始增益电路构成自动增益控制电路；通过引进第二光电探测器和第二跨阻放大器使得原本增益控制电路和跨阻放大器电路在部分性能指标上的牵制得到了有效的缓解，降低了AGC的稳定时间，降低了输入到AGC电路中的噪声，从而提高了控制精度。

Description

光接收机

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种光接收机的设计。

技术背景

光纤通信是光电子技术在通信领域的重要应用，光纤通信的出现和发展，在通信发展史上具有深远意义，被认为是通信史上一次根本性的变革。光接收机是光纤通信系统中不可缺少的重要组成部分，它的功能是把从光纤线路输出、产生畸变的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后生成可供后续电路的电信号。光接收机由同光纤耦合的半导体光电探测器(例如PIN光电二极管或MSM-PD二极管)、前置放大电路和相关电路组成。而随着单片光电集成电路（Opoelectronic Integrated Circuit，OEIC）技术的发展和应用市场的需求，光接收机发展方向与大规模集成电路一样，实现从简单到复杂、从少数元件到更多元件的集成，最终集光电子器件、前置放大器以及主放大器等在一起的高度集成组件。

跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)、自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）电路位于整个光接收系统的最前端，其功能是将微弱的光电流信号转为适当幅度的电压信号。跨阻放大器是最接近光电探测器的组件，对光电流的响应也最原始，因此跨阻放大器的性能对于整个光通信系统有决定性的影响。近几年TIA的发展速度较快，从速率上分，TIA可以分为从30MBps到40GBps不等，155MBps为目前市场上的主流产品，1.25GBps及各高速率的产品是将来的发展趋势。

一般来说，跨阻放大器的技术指标包括接收灵敏度、带宽、信号增益、输入信号动态范围等。其中部分的技术指标是相互矛盾的，设计者需要根据应用环境进行各指标性能的取舍。例如较大的信号增益，会产生过大的动态范围输出信号，无法满足后置的限幅放大器对输入信号范围的要求；反之，如果使放大器对较强的输入信号进行优化放大，那么会降低其灵敏度。为了使放大器具有足够大的小信号增益的同时，又能对较宽输入动态范围的信号进行处理，在放大器的设计中就应当引入自动增益控制电路（AGC），以扩展跨阻前置放大器的动态输入范围。

AGC的主要性能指标包括稳定时间和调整精度，稳定时间与TIA输出端的检测电阻与电容相关，检测电阻与电容的增加会导致稳定时间增大，但是检测电阻值越小则TIA电路的开环频率特性越差从而影响TIA的带宽，检测电容越小则低通滤波性能越差从而AGC调整精度变差。另外TIA为了获得足够的开环增益一般采用3级或以上的基本放大器级联结构，这也增加了信号输入到AGC电路的延迟时间和噪声。

图1是现有的自动增益控制电路（AGC）采用的结构，由光电探测器PIN产生，并进入TIA输入端In的光生电流信号iin经跨阻放大器被转化为输出端Out的电压信号，此电压信号的低频分量可以通过电阻R1和电容C1组成的低通滤波网络检测得到，这一低频分量的大小是与输入的光电流幅值成正比的。检测得到的电压信号经AGC电路反馈给N型增强型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS）M1的栅极，M1处于深度线性区状态，相当于一个可变电阻，电阻值与VGS-VT（栅源电压与阈值电压的差值）成反比，而整个TIA的闭环增益与此电阻值成正比。一般来说，前置放大器应该有较高的跨阻增益，以避免由于后接的主放大器噪声影响而引起的信噪比的下降，这要求连接于TIA输出端的电阻R1值不能太小，否则中高频时闭环增益将明显下降；同样为了获得良好的滤波特性电容C1的值也不能太小，这导致了电阻R1和电容C1的乘积即时间常数较大，AGC延迟时间变长，无法响应突发模式信号电平的快速改变。此外，为了获得良好的开环特性，TIA结构一般要采用多级电路级联的方式，这也增加了输入到AGC电路的延迟时间和系统噪声，而实际中不可能牺牲TIA的性能来换取AGC的快速响应时间。

发明内容

本发明的目的在于针对TIA与AGC的部分性能指标相互牵制的问题，提出了一种解决方案，其涉及的光接收机所采用的是前置放大电路系统在不影响TIA性能的前提下可以有效的减小AGC的稳定时间，提高调整精度。

本发明采用如下的技术方案：一种光接收机，具体包括：第一PIN型光电探测器、第二PIN型光电探测器、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、一电阻装置、一电容装置、一金属氧化物半导体场效应晶体管、初始增益电路以及限幅放大器，其中，

所述的第一PIN型光电探测器用于将输入的光信号转化为电流信号；

所述的第一跨阻放大器用于将所述的第一PIN型光电探测器产生的电流信号转化为电压信号；

所述的限幅放大器用于放大第一跨阻放大器输出的电压信号，限幅放大器的输出端作为所述的光接收机的输出端；

所述的第二PIN型光电探测器用于将输入的光信号转化为电流信号；

所述的第二跨阻放大器用于将所述的第二PIN型光电探测器产生的电流信号转化为电压信号，所述的电阻装置连接于第二跨阻放大器输出端和初始增益电路输入端之间，所述的电容装置连接于初始增益电路输入端与地电位之间；

所述的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与初始增益电路的输出端相连接，源极和漏极分别与第一跨阻放大器的输入端和输出端相连接；所述初始增益电路用于产生一个与输入的光信号无关的初始电压，使得所述的金属氧化物半导体场效应晶体管处于深线性工作区，并且为第一跨阻放大器提供初始增益。

进一步的，所述的第二PIN型光电探测器与第一PIN型光电探测器结构相同，位置相邻并采用隔离层隔离。

更进一步的，所述的第二PIN型光电探测器的面积为第一PIN型光电探测器面积的八分之一。

本发明的有益效果：本发明的光接收机中的第二跨阻放大器、电阻装置和电容装置构成检测电路，第二PIN型光电探测器、检测电路和初始增益电路构成自动增益控制电路（AGC）；通过引进第二光电探测器和第二跨阻放大器使得原本增益控制电路和跨阻放大器电路在部分性能指标上的牵制得到了有效的缓解，降低了AGC的稳定时间，降低了输入到AGC电路中的噪声，从而提高了控制精度，具有以下优点：

1、本发明采用的第二光电探测器面积较小使得相比于一般AGC电路的输入电容较小，带宽高，速度快；

2、本发明采用的由电阻装置和电容装置组成低通滤波器的电阻相比于一般AGC中的低通滤波电阻较小，因为本发明中AGC电路对第二跨阻放大器的开环增益较第一跨阻放大器低，因而输出电阻低，故低通滤波电阻可以较低而不对开环增益有较大影响，而低通滤波电阻的减小将有效减小延迟时间；

3、本发明采用的第二跨阻放大器级数一般为一级，故输入噪声较一般AGC电路的输入噪声要小，从而提高了AGC电路的控制精度。

4、本发明提出的光接收机各部件都可采用标准CMOS工艺实现，即可以完全实现在同一标准CMOS芯片上的单片集成。

附图说明

图1为现有的光接收机的结构示意图。

图2为本发明光接收机的结构示意图。

图3为第一和第二PIN型光电探测器的版图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

在光接收机中AGC实际上是一种根据检测输入电流幅值来快速调整输出电压的电路结构，此处的输出电压是用来驱动处于深度线形区的NMOS栅极从而改变其等效阻值。一般的AGC电路是从TIA的输出端通过检测电路来获取电路的直流电平量作为其输入信号，然而鉴于由NMOS取代的电阻实际对栅源电压较为敏感，其不需要高增益和高输入光生电流信号，因此这种直接从输出端直接获取的直流电平量需要通过放大器的处理才能被加到NMOS的栅极，AGC电路的作用正是以上获取，处理，转换电路直流电平量的过程。对于AGC电路，其主要性能依赖于高带宽和低通滤波网络中的低时间常数。而一般的AGC由于连接在TIA输出端的检测电路一般要求较大的电阻和电容，其时间常数大，转换速度慢，并且作为输入管的光电二极管PIN由于大的电容也影响着整个电路的带宽。基于此，本发明提出了如图2所示的光接收机以解决现有AGC以及背景技术中提到的问题。

本发明的光接收机具体包括：第一PIN型光电探测器PIN1、第二PIN型光电探测器PIN2、第一跨阻放大器TIA1、第二跨阻放大器TIA2、电阻装置R2、电容装置C2、金属氧化物半导体场效应晶体管M1、初始增益电路以及限幅放大器LMA，其中，第一PIN型光电探测器PIN1用于将输入的光信号转化为电流信号i_in；第一跨阻放大器TIA1用于将第一PIN型光电探测器PIN1产生的电流信号i_in转化为电压信号Out1；限幅放大器LMA用于放大第一跨阻放大器TIA1输出的电压信号Out1，限幅放大器的输出端作为所述的光接收机的输出端；第二PIN型光电探测器PIN2用于将输入的光信号转化为电流信号；第二跨阻放大器TIA2用于将所述的第二PIN型光电探测器PIN2产生的电流信号转化为电压信号，R2连接于第二跨阻放大器TIA2输出端和初始增益电路输入端之间，C2连接于初始增益电路输入端与地电位之间；M1的栅极与初始增益电路的输出端相连接，源极和漏极分别与第一跨阻放大器TIA1的输入端和输出端相连接；所述初始增益电路用于产生一个与输入的光信号无关的初始电压，使得M1处于深线性工作区，相当于一个可变电阻，并且为第一跨阻放大器TIA1提供初始增益。

这里，第二跨阻放大器TIA2、R2和C2构成检测电路，第二PIN型光电探测器PIN2、检测电路和初始增益电路构成自动增益控制电路（AGC）。第二跨阻放大器TIA2具有高带宽，延迟时间小，低噪声的特点，不同于第一跨阻放大器TIA1，第二跨阻放大器TIA2一般只有一级电路；R2和C2组成了低通滤波器其作用是将经过TIA2处理的低频电压分量经滤波直接施加到NOMS的栅极，和初始增益电路共同作用产生栅极驱动信号，此处低频电压分量与输入光电流的幅值成正比。

自动增益控制电路（AGC）作用是使放大器具有足够大的小信号增益的同时，又能对较宽输入动态范围的信号进行处理，使输出信号能维持在一个适当的范围，从而达到可供限幅放大器处理的输入电压范围。

图3给出了第一和第二PIN型光电探测器的版图示意图，其中，1为光电探测器的阳极掺杂区，2为光电探测器的阴极掺杂区，3为衬底接触环，4为衬底，5为欧姆接触区，6为金属铝且为电极引出端。图中PIN1阳极掺杂区为主要的受光面，其面积为PIN2阳极掺杂区的8倍。

可以看出，两个光电探测器的结构相同，其中，PIN1光电探测器的面积约为PIN2光电探测器面积的8倍，两者的位置相邻并采用隔离层隔离，实现了结隔离。这里，Pin2的面积选择很重要，面积太小会使光生电流太小，则检测电路无法正常工作，面积太大则电容较大，检测的速度效果不理想，所以pin1的面积约为pin2面积的6-10倍较为适合。在本实施例中选择8倍是考虑到电容值小到8倍左右，效果最优。

两者在电路模型中的位置不同，PIN1的阳极连接于TIA1的输入端，PIN2的阳极连接于TIA2的输入端，在同样的入射光强下，第二PIN型光电探测器产生的光电流幅度与第一PIN型光电探测器光电流幅度之比为一定值，此值约为八分之一。另外本发明提到的方案也可用于差分应用，差分应用时差分TIA1和TIA2的第二输入端接直流偏置，小信号状态下第二输入端输入为0。

本发明的光接收机各部件都可采用标准CMOS工艺实现，即可以完全实现在同一标准CMOS芯片上的单片集成，即采用OEIC技术将PIN光电探测器、前置跨阻放大器和相关电路集成在同一块硅片上。

本发明中输入到AGC中的光生电流信号由第二光电探测器PIN2产生，由于PIN2的面积为PIN1面积的八分之一，因此其等效电容也约为PIN1的八分之一。作为输入TIA2的输入电容，其减小使得TIA2的频域特性中主极点的位置相对TIA1后移，有效增加了TIA2的3db带宽。TIA2的电路结构不需多级级联，跨阻也较TIA1的跨阻要小，这使得TIA2的等效输出电阻较小，因此连接于TIA2输出端的电阻R2可以取到较小值而不影响TIA2的闭环增益，R2的减小使得时间常数降低，进一步减小了AGC电路的稳定时间。另外单级的TIA2结构，较TIA1电路也减小了噪声的输入和系统延迟，提高了AGC电路的调整精准度。初始增益电路将产生一个不依赖于输入光强的初始电压，使得NMOS处于深线性工作区并且赋予第一跨阻放大器TIA1一个相应的初始增益。

综上可以看出，本发明提出的光接收机除了具有高带宽低噪声等特点外还具有动态输入范围大，AGC电路稳定时间小和精度高的特点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种光接收机，具体包括：第一PIN型光电探测器、第二PIN型光电探测器、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、一电阻装置、一电容装置、一金属氧化物半导体场效应晶体管、初始增益电路以及限幅放大器，其中，

所述的第一PIN型光电探测器的阳极连接于第一跨阻放大器的输入端，第二PIN型光电探测器的阳极连接于第二跨阻放大器的输入端；

所述的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与初始增益电路的输出端相连接，源极和漏极分别与第一跨阻放大器的输入端和输出端相连接；所述初始增益电路用于产生一个与输入的光信号无关的初始电压，使得所述的金属氧化物半导体场效应晶体管处于深线性工作区，并且为第一跨阻放大器提供初始增益；

所述的第二PIN型光电探测器与第一PIN型光电探测器结构相同，位置相邻并采用隔离层隔离；

所述的第一PIN型光电探测器的面积为第二PIN型光电探测器面积的6-10倍。

2.根据权利要求1所述的光接收机，其特征在于，所述的第二PIN型光电探测器的面积为第一PIN型光电探测器面积的八分之一。