CN108365897A - 光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路及校准方法 - Google Patents

Abstract

一种光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其中光电流输入端连接至电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块的输出端连接至单端差分增益模块，光电流输入端还分别连接至阻抗和失配调节模块和电压电流转换模块，电压电流转换模块输入固定的输入电流变化，阻抗和失配调节模块将固定的输入电流变化与可变电阻得到的电压变化值与参考电压进行比较，根据比较的结果调整可变电阻。本发明能够有效校准等效输入阻抗提高阻抗匹配保证信号传输质量和稳定性，有效抵消电路自身的失配问题保证电路的工作状态，同时降低一部分噪声提高系统的信噪比，微弱的可见光信号可以被稳定有效的放大，然后被后续的电路解码，完成信息通信。

Description

光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路及校准方法

技术领域

本申请涉及光通信领域，特别涉及在可见光通信领域中从微弱可见光信号转换为可靠电信号的光电转换模块中的跨阻增益放大器参数校准电路，从而提高微弱信号通信和信息交换质量。

背景技术

光通信在大容量高速率传输领域有明显优势，随着各种通信标准（QSFP，USB，HDMI等）的不断升级，传输速率也在逐渐幂次翻倍提高，传统的铜线传输由于自身衰减的问题越来越力不从心，光通信因此正逐渐扩大领域走进消费市场。

在传统的光通领域，往往用VCSEL作光源，以光纤做传输介质，光在可控的环境下传输用于满足高容量大速率的数据传输需求。近些年随着LED光源的普及，LED寿命长，效率高，本身也具有更好的光可调制性，结合LED的这些优点发展出了新兴的可见光通信技术。

可见光通信是将LED用高速率的编码来闪烁发光，再利用高灵敏度光电转换器件恢复出电信号以获取信息。可见光通信相比于无线通信具有如下优点：无电磁干扰问题、可利用的光谱带宽大、传输的范围可控、以及可利用现有的照明系统成本相当低。如果考虑下行的数据容量，可见光通信系统几乎是无限的，非常适合于人群密集的场合例如商场的室内导航，医院的实时大容量信息广播等。

但可见光通信是开放环境下的信息传输，容易受到自然光等因素的干扰，对可见光系统尤其是光电转换提出了更高的要求。首先因为光在自然环境下传输会有较大的衰减，所以传输的有效信号更容易受到噪声影响，因此要求收光系统有较强的抗噪声干扰和较高的信噪比，其次要把可见光微弱的光信号转换为可靠的电信号就需要光电转换模块具备较大的跨阻增益，第三光电探测器转化光信号为电流信号后需要接跨阻放大器放大，电信号在两者之间通过传输线传输，阻抗的适配引起的反射会使信号严重失真，两者之间较准确的阻抗匹配可以有效提高系统稳定度，满足误码率的设计要求。

现有的光电转换模块中跨阻增益放大器设计未综合考虑可见光通信中光接收模块的这些需求，尤其是输入阻抗匹配校准，较大阻抗增益和信噪比的结合等方面。

因此，如何解决上述问题，校准等效输入阻抗提高阻抗匹配，降低电路噪声提高信噪比，消除电路自身失配提高跨阻增益，从而提高微弱信号通信和信息交换质量成为现有技术亟需解决技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，能够校准等效输入阻抗提高阻抗匹配，降低电路噪声提高信噪比，消除电路自身失配提高跨阻增益，从而提高微弱信号通信和信息交换质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，包括电流电压转换模块，单端差分增益模块，阻抗和失配调节模块和电压电流转换模块，其中光电流输入端连接至电流电压转换模块的输入端，所述电流电压转换模块的输出端连接至所述单端差分增益模块的其中一个输入端，所述光电流输入端还分别连接至阻抗和失配调节模块和电压电流转换模块，所述电压电流转换模块能够输入固定的输入电流变化至阻抗和失配调节模块，所述阻抗和失配调节模块具有可变电阻，能够将所述固定的输入电流变化与可变电阻得到的电压变化值与参考电压进行比较，根据比较的结果调整所述可变电阻。

可选的，所述电压电流转换模块具有固定电流生成模块，所述阻抗和失配调节模块具有电压比较器、比较结果判断逻辑、参考电压模块和可变阻抗调节模块，所述电压电流转换模块分别与所述可变阻抗调节模块和电压比较器连接，使得所述固定电流生成模块生成的固定的输入电流变化与所述可变阻抗调节模块得到电压变化值，参考电压模块与所述电压比较器连接，用于产生参考电压，所述电压比较器将所述电压变化值与所述参考电压模块的参考电压进行比较，所述电压比较器与所述比较结果判断逻辑连接，所述比较结果判断逻辑根据比较的结果调整所述可变阻抗调节模块。

可选的，所述比较结果判断逻辑根据比较的结果调整所述可变阻抗调节模块，具体为：如果电压变化值大于参考电压值则调小阻抗和失配调节模块的输入电阻，如果电压变化值小于参考电压值则调大阻抗和失配调节模块的输入电阻，直至完成这个校准过程。

可选的，所述光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路还包括差分单端误差放大器，所述电压电流转换模块还包括失配校准电流模块，所述差分单端误差放大器接入单端差分增益模块的输出端，并将所述差分单端误差放大器输出的失配误差电压接入适配校准电流模块。

可选的，在调节等效输入阻抗时，打开所述固定电流生成模块，关闭所述失配校准电流模块；在失配调节时，关闭所述固定电流生成模块，打开所述失配校准电流模块。

可选的，在所述光电流输入端与所述单端差分增益模块的另一个输入端之间还具有低通滤波器。

可选的，所述固定电流生成模块的所述固定输入电流变化在2mA左右，所述失配校准电流模块输出电流在50uA到500uA。

可选的，所述阻抗和失配调节模块中，参考电压为1.1V，或者相对电源电压降低0.1V，所述可变阻抗调节模块共有5个Bit控制位，控制可调节阻抗模块的范围从100ohm到350ohm。

可选的，所述低通滤波器的3dB带宽在50KHz到500KHZ之间。

本发明进一步公开了一种利用上述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路进行参数校准的方法，包括如下步骤：

等效输入阻抗校准步骤：在无光的情况下光电流输入为零，同时断开失配调节环路，即关闭失配校准电流模块，控制固定电流生成模块产生一个电流变化，这个电流变化进入阻抗和失配调节模块以及电流电压转换模块引起在光电流输入端的电压变化，阻抗和失配调节模块中的电压比较器将该电压变化与一个预设的参考电压比较；如果比较结果为低，则比较结果判断逻辑调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变高；如果比较结果为高，比较结果判断逻辑调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变低，从而改善高频信号的传输性能。

可选的，还包括失配调节步骤：在等效输入阻抗校准步骤完成后，所述比较结果判断逻辑保持结果，关闭所述固定电流生成模块，打开所述失配校准电流模块，得到失配调节负反馈环路用于调节电路自身的失配电压。

本发明能够有效校准等效输入阻抗提高阻抗匹配保证信号传输质量和稳定性，有效抵消电路自身的失配问题保证电路的工作状态，同时降低一部分噪声提高系统的信噪比，微弱的可见光信号可以被稳定有效的放大，然后被后续的电路解码，完成信息通信。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路的模块框图；

图2是根据本发明具体实施例的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路中的阻抗和适配调节模块的框图；

图3是根据本发明具体实施例的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路中的电压电流转换模块的框图；

图4是根据本发明具体实施例的电流电压转换模块的框图；

图5是根据本发明具体实施例的单端差分增益模块的框图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、电流电压转换模块；2、单端差分增益模块；3、阻抗和适配调节模块；4、电压电流转换模块；5、差分单端误差放大器；6、低通滤波器；31、电压比较器；32、比较结果判断逻辑；33、参考电压模块；34、可变阻抗调节模块；41、固定电流生成模块；42、失配校准电流模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

参见图1，示出了本发明光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路的模块框图，该电路包括电流电压转换模块（CTV）1，单端差分增益模块（S2D）2，阻抗和失配调节模块（ROC）3和电压电流转换模块（VTC）4，其中光电流输入端连接至电流电压转换模块1的输入端，所述电流电压转换模块的输出端连接至所述单端差分增益模块的其中一个输入端，所述光电流输入端还分别连接至阻抗和失配调节模块3和电压电流转换模块4，所述电压电流转换模块4能够输入固定的输入电流变化至阻抗和失配调节模块3，所述阻抗和失配调节模块3具有可变电阻，将所述固定的输入电流变化与可变电阻得到的电压变化值与参考电压进行比较，根据比较的结果调整所述可变电阻。

进一步的，参见图2和图3，所述电压电流转换模块4具有固定电流生成模块41，所述阻抗和失配调节模块3具有电压比较器31、比较结果判断逻辑32、参考电压模块33和可变阻抗调节模块34，所述电压电流转换模块4分别与所述可变阻抗调节模块34和电压比较器31连接，使得所述固定电流生成模块41生成的固定的输入电流变化与所述可变阻抗调节模块34得到电压变化值，参考电压模块33与所述电压比较器31连接，用于产生参考电压，所述电压比较器31将所述电压变化值与所述参考电压模块的参考电压进行比较，所述电压比较器31与所述比较结果判断逻辑32连接，所述比较结果判断逻辑32根据比较的结果调整所述可变阻抗调节模块34。具体而言，如果电压变化值大于参考电压值则调小阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，如果电压变化值小于参考电压值则调大阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，直至完成这个校准过程。

其中电流电压转换模块1（CTV）和单端差分增益模块2（S2D）是组成跨阻增益放大器的常用模块，其中CTV用来完成光电流到微弱电压信号的转化，在图4中列出了电流电压转换模块的示例性的框图。在该示例中，针对可见光应用其增益为80dB左右，带宽为500MHz左右，噪声低至300nA左右的量级。S2D用来把单端电信号转化成差分电信号，并提供一定的增益。在图5中列出了单端差分增益模块的示例性的框图，在该示例中，该单端差分增益模块的带宽在500MHz左右，增益在12dB左右。

电压电流转换模块4（VTC）和阻抗和失配调节模块3（ROC）用于具体完成等效输入阻抗失配的校准。如图3所示，VTC包括固定电流生成模块41和失配校准电流模块42，所述固定电流生成模块41用于输入电阻的校准，引入一固定的输入电流变化，该电流变化值在2mA左右，可以在比较器端产生明显的电压变化。失配校准电流模块42用于抵消自身的失配电压和外部输入电流的直流部分，一般而言这个电流是根据外部情况动态调节，分布在从50uA到500uA的范围。

阻抗和失配调节模块3（ROC）用于调节等效输入阻抗，同时在电路正常工作时组成环路完成失调电压的校准。参见图2所示，ROC包括电压比较器31（COMP），参考电压模块33（VREF），比较结果判断逻辑32和可变阻抗调节模块34，VREF用于产生一个参考电压，这个电压可以是绝对值例如1.1V，也可以是相对值例如相对电源电压降低0.1V。所述电压比较器把VREF产生的参考电压和可变阻抗调节模块生成的电压变化比较用于判断当前的阻抗是否满足要求，例如50ohm或者倍乘放大的一个电阻值。比较结果判断逻辑用于完成整个校准过程，如果电压变化值大于参考电压值则调小阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，如果电压变化值小于参考电压值则调大阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，直至完成这个校准过程。

进一步的，所述光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路还包括差分单端误差放大器（D2S_AMP）5，所述电压电流转换模块4还包括失配校准电流模块42，所述差分单端误差放大器5接入单端差分增益模块（S2D）2的输出端，并将所述差分单端误差放大器5输出的失配误差电压接入适配校准电流模块42。

因此，差分单端误差放大器5，电压电流转换模块4，阻抗和失配调节模块3以及电流电压转换器1和单端差分增益级2组成负反馈环路用于调节电路自身的失配。将电路因自身失配在单端差分增益模块输出端产生的误差信号由差分单端误差放大器放大后，再通过电压到电流转换模块引入到阻抗和失配调节模块及跨阻增益放大器电路输入端，这样形成负反馈环路来自动修正电路自身的失配问题，保证电路处于正确的工作状态。其中所述电压电流转换模块4的固定电流生成模块41和失配校准电流模块42可以进行例如手动的调节，使其分别处在输入阻抗匹配功能和失配调节功能。

进一步的，所述可变阻抗调节模块共有5个Bit控制位，控制可调节阻抗模块的范围从100ohm到350ohm变化，利用线性搜索的方法最大需要32步完成校准过程，校准前因为CTV需要较高的跨阻增益，一般的等效输入阻抗为100ohm以上，通过校准可以把等效输入阻抗调节到50ohm左右，这样就能完成50ohm阻抗匹配改善高频信号的传输性能。

进一步的，在所述光电流输入端与所述单端差分增益模块2的另一个输入端之间还具有低通滤波器6。之前的电路配置往往是引入比例镜像模块连接在单端到差分增益的另一端来设定此增益级的偏置点，这样新的比例镜像模块的加入就不可避免的引入了新的噪声，不利于放大微弱信号。本发明不引入新的比例镜像模块而是直接把跨阻增益放大器的输入端通过一个低通滤波器连接在单端到差分增益的另一端，这样在不引入新的噪声源的情况下，原来前置电流电压转换器的低频噪声还能被抵消一部分。

所述低通滤波器6能够在一定程度上降低电流电压转换模块的低频噪声的影响提高系统的信噪比，所述低通滤波器6可以由无源器件组成例如RC低通滤波器，也可以由有源器件组成例如由运放组成的一阶两阶低通滤波器，目的就是滤除高频信号通过，在具体的实施例中低通滤波器6的3dB带宽在50KHz到500KHZ之间，可以通过寄存器调节。

因此，本发明的特点具有如下三个部分：

第一：校准跨阻增益放大器的等效输入阻抗以提高阻抗匹配特性，在跨阻增益放大器电路的输入端加入一个阻抗和失配调节模块，通过电压电流转换模块手动模式在电路内部引入一个固定的输入电流变化到输入端，然后阻抗和失配调节模块内部的电压比较器会比较这个电流变化引起的电压变化值和电压参考值的大小，如果电压变化值大于电压参考值则调小阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，如果电压变化值小于电压参考值则调大阻抗和失配调节模块的等效输入电阻，直至完成这个校准过程。

第二：完成阻抗校准后阻抗和失配调节模块切换到失配调节功能，因为跨阻增益放大器增益很大，由于自身失配的影响会使电路处于过饱和状态，此时对于小信号输入电路无法响应，本发明把电路因自身失配在单端到差分增益级输出端产生的误差信号由差分单端误差放大器放大后，再通过电压到电流转换模块引入到阻抗和失配调节模块及跨阻增益放大器输入端，这样形成负反馈环路来自动修正电路自身的失配问题，保证电路处于正确的工作状态。

第三：之前的电路配置往往是引入比例镜像模块连接在单端到差分增益的另一端来设定此增益级的偏置点，这样新的比例镜像模块的加入就不可避免的引入了新的噪声，不利于放大微弱信号。本发明不引入新的比例镜像模块而是直接把跨阻增益放大器的输入端通过一个低通滤波器连接在单端到差分增益的另一端，这样在不引入新的噪声源的情况下，原来前置电流电压转换器的低频噪声还能被抵消一部分。

进一步的，本发明还公开了一种光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路的校准方法，包括：

等效输入阻抗校准步骤：在无光的情况下光电流输入为零，同时断开失配调节环路，即关闭失配校准电流模块，控制固定电流生成模块产生一个电流变化，这个电流变化进入阻抗和失配调节模块（ROC）以及电流电压转换器（CTV）引起在光电流输入端的电压变化，阻抗和失配调节模块中的电压比较器将该电压变化与一个预设的参考电压比较；如果比较结果为低（电压变化小于参考电压），则比较结果判断逻辑会调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变高；同理如果比较结果为高（电压变化大于参考电压），则图2中的比较结果判断逻辑会调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变低；在某个实例当中可调节阻抗模块共有5个Bit控制位，控制可调节阻抗模块的范围从100ohm到350ohm变化，利用线性搜索的方法最大需要32步完成校准过程，校准前因为CTV需要较高的跨阻增益，一般的等效输入阻抗为100ohm以上，通过校准可以把等效输入阻抗调节到50ohm左右，这样就能完成50ohm阻抗匹配改善高频信号的传输性能。

失配调节步骤：在等效输入阻抗校准完成后，图2中的比较结果判断逻辑保持结果，关闭图3中的固定电流生成模块，打开失配校准电流模块，得到失配调节负反馈环路用于调节电路自身的失配电压。因为整个负反馈环路的增益在40dB左右，可以把失调电压缩小100倍；一般而言因为CMOS工艺失配的原因，单级电路失调电压多在10mV左右，放大后在输出端的失调电压大约60mV左右，通过环路增益校准残留的失调电压在300uV到3mV之间，在保持系统稳定的情况下保证电压输出稳定在正常工作状态。

在正常工作状态，低通滤波器一般设定为几十K到上百K左右，这样低频噪声能够传输到S2D模块变为共模噪声做抵消，所以低频的闪烁噪声在S2D被大部分抵消了并没有传输到输出端，这样向输入端等效的输入噪声会有一定程度的提高，本实施例中对于可见光通信500MHz的频率范围，通过噪声抵消可以把等效输入噪声从300nA提高到20%到200多nA，从而更有利于对弱信号的检测放大。

因此，根据本发明能够有效校准等效输入阻抗提高阻抗匹配保证信号传输质量和稳定性，有效抵消电路自身的失配问题保证电路的工作状态，同时降低一部分噪声提高系统的信噪比，微弱的可见光信号可以被稳定有效的放大，然后被后续的电路解码，完成信息通信。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.一种光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

包括电流电压转换模块，单端差分增益模块，阻抗和失配调节模块和电压电流转换模块，其中光电流输入端连接至电流电压转换模块的输入端，所述电流电压转换模块的输出端连接至所述单端差分增益模块的其中一个输入端，所述光电流输入端还分别连接至阻抗和失配调节模块和电压电流转换模块，所述电压电流转换模块能够输入固定的输入电流变化至阻抗和失配调节模块，所述阻抗和失配调节模块具有可变电阻，能够将所述固定的输入电流变化与可变电阻得到的电压变化值与参考电压进行比较，根据比较的结果调整所述可变电阻。

2.根据权利要求1所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

所述电压电流转换模块具有固定电流生成模块，所述阻抗和失配调节模块具有电压比较器、比较结果判断逻辑、参考电压模块和可变阻抗调节模块，所述电压电流转换模块分别与所述可变阻抗调节模块和电压比较器连接，使得所述固定电流生成模块生成的固定的输入电流变化与所述可变阻抗调节模块得到电压变化值，参考电压模块与所述电压比较器连接，用于产生参考电压，所述电压比较器将所述电压变化值与所述参考电压模块的参考电压进行比较，所述电压比较器与所述比较结果判断逻辑连接，所述比较结果判断逻辑根据比较的结果调整所述可变阻抗调节模块。

3.根据权利要求2所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

所述比较结果判断逻辑根据比较的结果调整所述可变阻抗调节模块，具体为：

如果电压变化值大于参考电压值则调小阻抗和失配调节模块的输入电阻，如果电压变化值小于参考电压值则调大阻抗和失配调节模块的输入电阻，直至完成这个校准过程。

4.根据权利要求2所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

所述光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路还包括差分单端误差放大器，所述电压电流转换模块还包括失配电流校准模块，所述差分单端误差放大器接入单端差分增益模块的输出端，并将所述差分单端误差放大器输出的失配误差电压接入适配校准电流模块。

5.根据权利要求4所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

在调节等效输入阻抗时，打开所述固定电流生成模块，关闭所述失配电流校准模块；在失配调节时，关闭所述固定电流生成模块，打开所述失配电流校准模块。

6.根据权利要求5所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

在所述光电流输入端与所述单端差分增益模块的另一个输入端之间还具有低通滤波器。

7.根据权利要求6所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路，其特征在于：

所述固定电流生成模块的所述固定输入电流变化在2mA左右，所述失配电流校准模块输出电流在50uA到500uA；

所述阻抗和失配调节模块中，参考电压为1.1V，或者相对电源电压降低0.1V，所述可变阻抗调节模块共有5个Bit控制位，控制可调节阻抗模块的范围从100ohm到350ohm；

所述低通滤波器的3dB带宽在50KHz到500KHZ之间。

8.一种利用权利要求6所述的光电转换模块跨阻增益放大器参数校准电路进行参数校准的方法，包括如下步骤：

等效输入阻抗校准步骤：在无光的情况下光电流输入为零，同时断开失配调节环路，即关闭失配校准电流模块，控制固定电流生成模块产生一个电流变化，这个电流变化进入阻抗和失配调节模块以及电流电压转换模块引起在光电流输入端的电压变化，阻抗和失配调节模块中的电压比较器将该电压变化与一个预设的参考电压比较；如果比较结果为低，则比较结果判断逻辑调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变高；如果比较结果为高，比较结果判断逻辑调节所述可变阻抗调节模块使其等效输入阻抗变低，从而改善高频信号的传输性能。

9.根据权利要求8所述的参数校准方法，还包括如下步骤：

失配调节步骤：在等效输入阻抗校准步骤完成后，所述比较结果判断逻辑保持结果，关闭所述固定电流生成模块，打开所述失配校准电流模块，得到失配调节负反馈环路用于调节电路自身的失配电压。