CN104868949B - 一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，包括：一镜像取样电路，该镜像电路包括并联连接的第一支路和第二支路；所述第一支路包括第一PMOS管P1和电阻R1，所述第二支路包括第二PMOS管P2和电阻R2；所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的源极与VDD相连；第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极相连；电阻R1的两端分别与第一PMOS管P1的源极和漏极连接，电阻R2的两端分别与第二PMOS管P2的源极和漏极连接；以及第一调整模块和第二调整模块，第一调整模块与第一PMOS管构成第一负反馈环路；所述第二调整模块与第三PMOS管构成第二负反馈环路。

Description

一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光电流监控电路。
背景技术
在现代的光纤通信应用中，需要对光纤传输的光脉冲功率进行实时监控，以实现对通信故障的智能诊断。实现对接收光功率的监控，可以通过对光电二极管的光电流进行监控，进而倒推换算光功率大小。这个领域，对接收组件中光电二极管的光电流进行监控具有以下难点：
首先，监控光电流小：精确监控到接收光功率通常需要灵敏度很高的电路。以1.25Gbps应用为例，这样的传输率需要监控到-30dBm以下光功率，换算下来为光电流为1μA级，要实现对μA级电流的精确监控，是设计监控电路的难点之一。
其次，监控光电流动态范围宽：监控电路需要监控的光功率从-30dBm至0dBm左右，变化达30dB，对应光电流为1μA-1mA左右，变化达1000倍。确保在这么宽的范围内都能够实现对光电流的精确监控是设计监控电路的难点之一，用通常的电流镜或者电阻取样的方式往往做不到如此宽的范围。
再者，监控损耗问题：光电二极管后级需要接入TIA(跨阻放大器)由于TIA是高速、低噪声的电路，因此引入的光电流监控装置不能影响到TIA的带宽、低噪声特性，必须有足够好的隔离状态，这也是监控电路设计的难点之一。
因此，就有一种需求，使得光电流监控装置从以上提及的灵敏度、范围 和噪声的角度满足高速光纤传输的环境。
传统的光电流监测电路如图1所示，该方案使用了BiCMOS工艺，相对于CMOS工艺来说，电路实现的成本比较高。并且该电路中Q1和Q2为二极管连接方式的三极管，通过Q1和Q2发射极的电流可以表示为：
上式中IE为发射极电流，IS为反相饱和电流，UBE为三极管的基极-发射极电压。放大器A2的输入失调电压会引起Q1和Q2发射极电压的失配，由于Q1和Q2的发射极电流与UBE呈指数关系变化，Q1和Q2发射极电压的微小失配就会引起发射极电流较大的失配，严重影响光电流镜像的精度。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种光电流监测电路，解决由于UBE的不一致性导致的镜像电流的失配。
为了解决上述的技术问题，发明提供了一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，包括：
一镜像取样电路，该镜像电路包括并联连接的第一支路和第二支路；所述第一支路包括第一PMOS管P1和电阻R1，所述第二支路包括第二PMOS管P2和电阻R2；所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的源极与VDD相连；第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极相连；电阻R1的两端分别与第一PMOS管P1的源极和漏极连接，电阻R2的两端分别与第二PMOS管P2的源极和漏极连接；
以及第一调整模块和第二调整模块，所述第一调整模块和第二调整模块分别包括一调整端、一固定参考电压的输入端和一钳位端，其钳位端与第一PMOS管的漏极连接，第一调整模块与第一PMOS管构成第一负反馈环路；
所述第二调整模块与第三PMOS管构成第二负反馈环路；所述第二负反馈环路使得第一PMOS管和第二PMOS管的漏极电压近似相同。
在一较佳实施例中:所述第一调整模块包括第一放大器OPA1，其输出端为所述第一调整模块的调整端，负极输入端为所述第一调整模块的钳位端，正极输入端为所述固定参考电压的输入端。
在一较佳实施例中:所述第一放大器OPA1的输出端分别与第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极连接。
在一较佳实施例中:所述第二调整模块包括第二放大器OPA2，其输出端与第三PMOS管的栅极连接，其负极输入端与所述第二PMOS管的漏极、以及第三PMOS管的源极分别连接，其正极输入端与第一PMOS管的漏极连接。
在一较佳实施例中:所述电阻R1与第一PMOS管漏极的连接端通过一滤波电容C0接地。
在一较佳实施例中:还包括一偏置电压设置电路，包括串联连接的电流源IREF和电阻R0，所述电阻R0与电流源IREF的连接端与所述第一放大器OPA1的正极输入端连接，所述电阻R0的另一端与VDD连接。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.使用全CMOS工艺实现光电流镜像电路，降低了工艺成本。
2.使用PMOS管做电流镜像管，与原方案使用三极管做镜像管的方案相比，大的光电流输入条件下，镜像电流与输入光电流的匹配性大大提高。
3.使用双反馈环路结构，对于大动态范围的光电流输入，能购保证镜像电流与输入光电流很高的匹配性。
附图说明
图1为现有技术中光电流监测电路的电路图；
图2为本发明实施例中的光电流监控电路图。
具体实施方式
下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参考图2，一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，包括：
一镜像取样电路，该镜像电路包括并联连接的第一支路和第二支路；所述第一支路包括第一PMOS管P1和电阻R1，所述第二支路包括第二PMOS管P2和电阻R2；所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的源极与VDD相连；第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极相连；电阻R1的两端分别与第一PMOS管P1的源极和漏极连接，所述电阻R1与第一PMOS管漏极的连接端通过一滤波电容C0接地。电阻R2的两端分别与第二PMOS管P2的源极和漏极连接。
以及第一调整模块和第二调整模块，所述第一调整模块和第二调整模块分别包括一调整端、一固定参考电压的输入端和一钳位端，其钳位端与第一PMOS管的漏极连接，第一调整模块与第一PMOS管构成第一负反馈环路；所述第一调整模块包括第一放大器OPA1，其输出端为所述第一调整模块的调整端，负极输入端为所述第一调整模块的钳位端，正极输入端为所述固定参考电压的输入端。所述第一放大器OPA1的输出端分别与第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极连接。
所述第二调整模块与第三PMOS管构成第二负反馈环路；所述第二调整模块包括第二放大器OPA2，其输出端与第三PMOS管的栅极连接，其负极输入端与所述第二PMOS管的漏极、以及第三PMOS管的源极分别连接，其正极输入端与第一PMOS管的漏极连接。所述第二负反馈环路使得第一PMOS管和第二PMOS 管的漏极电压近似相同。
还包括一偏置电压设置电路，包括串联连接的电流源IREF和电阻R0，所述电阻R0与电流源IREF的连接端与所述第一放大器OPA1的正极输入端连接，所述电阻R0的另一端与VDD连接。
上述电路的运行原理根据IPINK的大小分以下两种情况：
(1)IPINK＞IREF(R0/R1)：此时有较大的光电流输入，第一PMOS管P1的电流I1大于零，偏置电压设置电路和第一负反馈环路将A点电位钳制在VA＝VDO-IREFR0。由于第二PMOS管P2和第一PMOS管P1的栅极和源极电压分别相等，第二负反馈回路使第二PMOS管P2和第一PMOS管P1的漏极电压也近似相等，则第二PMOS管P2和第一PMOS管P1的漏极电流相等，又由于流过电阻R1的电流IR1近似等于流过电阻R2的电流IR2，流经第三PMOS管P3的电流IMON就近似等于输入光电流的均值IPINK。第二PMOS管P2和第一PMOS管P1的漏极电流的表达式为：
为PMOS管的宽长比，μpCOX是与工艺相关的常数，VCS、VTH、λVDS分别是PMOS管的栅极-源极电压，阈值电压，沟道长度调制系数和漏极-源极电压。因为第一PMOS管P1与第二PMOS管P2的尺寸完全相同，第二放大器OPA2的输入失调电压引入的是第一PMOS管P1与第二PMOS管P2的VDS的失配，但由于沟道长度调制效应是一个二阶效应，VDS的失调对于P1和P2漏电流失配的影响极小，因此在大的光电流输入时，本方案相对于原方案，电流镜像的精度大大提高。
(2)当IPINK＜IREF(R0/R1)，P1关断，第一反馈环路失效，IPINK全部流经R1，A 点电压将由R1上的压降决定。同时，第二PMOS管P2关断，但第二反馈环路继续工作保证VB＝VA，此时镜像电流IMON大小为：
此时，IMON和IPINK的匹配性取决于R1和R2的匹配性，由于R1和R2的阻值很大，通过版图匹配技术可以获得很高的匹配精度，因此在输入光电流较小的情况下，也可以获得很高的镜像精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于包括：
一镜像取样电路，该镜像电路包括并联连接的第一支路和第二支路；所述第一支路包括第一PMOS管P1和电阻R1，所述第二支路包括第二PMOS管P2和电阻R2；所述第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的源极与VDD相连；第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极相连；电阻R1的两端分别与第一PMOS管P1的源极和漏极连接，电阻R2的两端分别与第二PMOS管P2的源极和漏极连接；
以及第一调整模块和第二调整模块，所述第一调整模块和第二调整模块分别包括一调整端、一固定参考电压的输入端和一钳位端，其钳位端与第一PMOS管的漏极连接，第一调整模块与第一PMOS管构成第一负反馈环路；
所述第二调整模块与第三PMOS管构成第二负反馈环路；所述第二负反馈环路使得第一PMOS管和第二PMOS管的漏极电压相同。
2.根据权利要求1所述的一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于:所述第一调整模块包括第一放大器OPA1，其输出端为所述第一调整模块的调整端，负极输入端为所述第一调整模块的钳位端，正极输入端为所述固定参考电压的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于:所述第一放大器OPA1的输出端分别与第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于:所述第二调整模块包括第二放大器OPA2，其输出端与第三PMOS管的栅极连接，其负极输入端与所述第二PMOS管的漏极、以及第三PMOS管的源极分别连接，其正极输入端与第一PMOS管的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于:所述电阻R1与第一PMOS管漏极的连接端通过一滤波电容C0接地。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种应用于跨阻放大电路的光电流监控电路，其特征在于:还包括一偏置电压设置电路，包括串联连接的电流源IREF和电阻R0，所述电阻R0与电流源IREF的连接端与所述第一放大器OPA1的正极输入端连接，所述电阻R0的另一端与VDD连接。
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