CN109038212A - 混合模式的激光驱动电路及光发射系统 - Google Patents

混合模式的激光驱动电路及光发射系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种混合模式的激光驱动电路及光发射系统，包括：均衡电路根据数据信号及时钟信号产生补偿混合模式的激光驱动电路的均衡信号；混合模式的激光驱动电路连接于均衡电路的输出端，根据均衡电路的输出信号产生相应的驱动信号，以驱动发光二极管产生相应的光信号；第三电流源连接于电源电压与混合模式的激光驱动电路的输出端之间；发光二极管的正极连接混合模式的激光驱动电路的输出端、负极连接电源地。本发明的混合模式的激光驱动电路及光发射系统采用推挽输出的方式，在提高带宽的同时减小电流功耗，大大改善激光驱动电路的性能，进而提高光发射系统的性能。

Description

混合模式的激光驱动电路及光发射系统
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种混合模式的激光驱动电路及光发射系统。
背景技术
随着数据中心，高性能超算逐渐使用光互连来取代铜互连来满足日益增长的带宽需求。不管是直接调制激光器还是外部调制激光器，光发射机芯片的功耗都占模块整体功耗很大一部分，所以提高光发射机芯片的能效是目前研究和发展的主要方向；而激光驱动电路又是光发射机芯片的主要功耗消耗模块，大约占比50％以上，所以降低激光驱动电路的功耗能显著降低整体发射机芯片的功耗。同时，带宽对于激光驱动电路也是一项重要的指标。
传统的电流模电路(CML)具有较好的电源、地噪声抑制能力，如图1所示为传统的电流模电路1的结构，差分对管N1’、N2’的源极相连并连接电流源S1’后接地，差分对管N1’、N2’的栅极分别连接一输入信号，差分对管N1’、N2’的漏极分别通过一负载Rload连接电源；电源与电流模电路的输出端之间连接电流源S2’，发光二极管的正极连接电流模电路的输出端、负极接地。其功耗和带宽分别满足如下关系：
Time Constant＝(Rload//Rvcsel)·Cload
其中，Imod为流经电流源S1’的电流，Imod，vcsel为流经发光二极管的电流，Rvcsel为发光二极管的导通电阻的阻值，Rload为负载的阻值，Time Constant为时间常数(与带宽成正比)，Cload为电流模电路输出端的寄生电容的值。
由上式可知，传统的电流模电路可实现大带宽，但是电流模电路的带宽需要和功耗折中，两者存在直接的关系，提高带宽的同时必然会增加功耗，因此，如何在增大带宽的同时减小电流功耗已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混合模式的激光驱动电路及光发射系统，用于解决现有技术中激光驱动电路带宽和功耗不能兼顾的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种混合模式的激光驱动电路，所述混合模式的激光驱动电路至少包括：
预驱动单元，接收输入信号并根据所述输入信号得到预驱动信号，其中，所述预驱动信号与所述输入信号反相；
驱动单元，接收所述输入信号及所述预驱动信号，所述预驱动信号控制所述输入信号推挽输出。
优选地，所述预驱动单元包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第一电流源、第一负载及第二负载；所述第一NMOS管与所述第二NMOS管组成差分对，所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的源极相连后通过所述第一电流源接第一参考电源负极；所述第一NMOS管的栅极连接正相输入信号、漏极连接所述第一负载后连接第一参考电源正极；所述第二NMOS管的栅极连接反相输入信号、漏极连接所述第二负载后连接所述第一参考电源正极；所述第一NMOS管的漏极输出反相预驱动信号，所述第二NMOS管的漏极输出正相预驱动信号。
优选地，所述驱动单元包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管及第二电流源；所述第三NMOS管与所述第四NMOS管组成差分对，所述第三NMOS管及所述第四NMOS管的源极相连后通过所述第二电流源连接第二参考电源负极；所述第三NMOS管的栅极连接正相输入信号、漏极连接所述第五NMOS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接基准电压、漏极连接所述第七NMOS管的源极，所述第七NMOS管的栅极连接反相预驱动信号、漏极连接第二参考电源正极；所述第四NMOS管的栅极连接反相输入信号、漏极连接所述第六NMOS管的源极，所述第六NMOS管的栅极连接所述基准电压、漏极连接所述第八NMOS管的源极，所述第八NMOS管的栅极连接正相预驱动信号、漏极连接所述第二参考电源正极；所述第六NMOS管的漏极与所述第八NMOS管的源极的连接端作为所述驱动单元的输出端。
更优选地，所述预驱动单元的参考电源正极连接所述驱动单元的参考电源负极，电流从所述驱动单元的参考电源正极流向所述预驱动单元的参考电源负极。
更优选地，所述驱动单元的参考电源正极连接电源电压，所述预驱动单元的参考电源负极连接电源地，所述预驱动单元的参考电源正极及所述驱动单元的参考电源负极的电位介于所述电源电压与所述电源地之间。
更优选地，所述驱动单元中所述输入信号及所述预驱动信号的输入端分别连接一电平转换模块。
更优选地，所述电平转换模块为交流耦合模块。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光发射系统，所述光发射系统至少包括：
均衡电路、上述混合模式的激光驱动电路、第三电流源及发光二极管；
所述均衡电路接收数据信号及时钟信号，根据所述数据信号及所述时钟信号产生补偿所述混合模式的激光驱动电路的均衡信号；
所述混合模式的激光驱动电路连接于所述均衡电路的输出端，根据所述均衡电路的输出信号产生相应的驱动信号，以驱动发光二极管产生相应的光信号；
所述第三电流源连接于电源电压与所述混合模式的激光驱动电路的输出端之间；
所述发光二极管的正极连接所述混合模式的激光驱动电路的输出端、负极连接电源地。
如上所述，本发明的混合模式的激光驱动电路及光发射系统，具有以下有益效果：
本发明的混合模式的激光驱动电路及光发射系统采用推挽输出的方式，在提高带宽的同时减小电流功耗，大大改善激光驱动电路的性能，进而提高光发射系统的性能。
附图说明
图1显示为现有技术中的电流模电路的结构示意图。
图2显示为本发明的混合模式的激光驱动电路的结构示意图。
图3～图4显示为本发明的混合模式的激光驱动电路的工作原理示意图。
图5显示为本发明的光发射系统的结构示意图。
图6显示为不同键合线寄生电感下本发明的光眼图。
图7显示为不同输出电流下本发明的光眼图。
元件标号说明
1 电流模电路
2 混合模式的激光驱动电路
21 预驱动单元
22 驱动单元
221～224 第一～第四交流耦合模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种混合模式的激光驱动电路2，所述混合模式的激光驱动电路2包括：
预驱动单元21及驱动单元22。
如图2所示，所述预驱动单元21接收输入信号并根据所述输入信号得到预驱动信号，其中，所述预驱动信号与所述输入信号反相。
具体地，在本实施例中，所述预驱动单元21包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一电流源S1、第一负载Rmod1及第二负载Rmod2。所述第一NMOS管N1与所述第二NMOS管N2组成差分对，所述第一NMOS管N1及所述第二NMOS管N2的源极相连后通过所述第一电流源S1接第一参考电源负极，在本实施例中，所述第一参考电源负极为电源地；所述第一NMOS管N1的栅极连接正相输入信号Vin+、漏极连接所述第一负载Rmod1后连接第一参考电源正极，在本实施例中，所述第一参考电源正极设定为0.95V；所述第二NMOS管N2的栅极连接反相输入信号Vin-、漏极连接所述第二负载Rmod2后连接所述第一参考电源正极；所述第一NMOS管N1的漏极输出反相预驱动信号Vmod-，所述第二NMOS管N2的漏极输出正相预驱动信号Vmod+。在本实施例中，所述第一负载Rmod1与所述第二负载Rmod2的阻值相同。
如图2所示，所述驱动单元22接收所述输入信号及所述预驱动信号，所述预驱动信号控制所述输入信号推挽输出。
具体地，在本实施例中，所述驱动单元22包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8及第二电流源S2。所述驱动单元22为共源共栅结构，其中，所述第三NMOS管N3与所述第四NMOS管N4组成差分对，所述第三NMOS管N3及所述第四NMOS管N4的源极相连后通过所述第二电流源S2连接第二参考电源负极，在本实施例中，所述第二参考电源负极与所述第一参考电源正极相连，以实现层叠结构；所述第三NMOS管N3的栅极连接正相输入信号Vin+、漏极连接所述第五NMOS管N5的源极，所述第五NMOS管N5的栅极连接基准电压Vbias、漏极连接所述第七NMOS管N7的源极，所述第七NMOS管N7的栅极连接反相预驱动信号Vmod-、漏极连接第二参考电源正极，在本实施例中，所述第二参考电源正极连接电源电压，(电源电压的值为3.3V)；所述第四NMOS管N4的栅极连接反相输入信号Vin-、漏极连接所述第六NMOS管N6的源极，所述第六NMOS管N6的栅极连接所述基准电压Vbias、漏极连接所述第八NMOS管N8的源极，所述第八NMOS管N8的栅极连接正相预驱动信号Vmod+、漏极连接所述第二参考电源正极。所述第六NMOS管N6的漏极与所述第八NMOS管N8的源极的连接端作为所述驱动单元22的输出端。
需要说明的是，在本实施例中，所述预驱动单元21的参考电源正极连接所述驱动单元22的参考电源负极，电流从所述驱动单元21的参考电源正极流向所述预驱动单元22的参考电源负极，以此节省一部分电流，通过层叠结构复用电流，所述驱动单元22中的电流流到所述预驱动单元21中被所述预驱动单元21复用，可进一步降低功耗。
具体地，所述驱动单元22中所述输入信号及所述预驱动信号的输入端分别连接一电平转换模块。在本实施例中，所述电平转换模块分别为连接于所述正相输入信号Vin+输入端的第一交流耦合模块221，连接于所述反相输入信号Vin-输入端的第二交流耦合模块222，连接于所述正相预驱动信号Vmod+输入端的第三交流耦合模块223及连接于所述反相预驱动信号Vmod-输入端的第四交流耦合模块224，通过交流耦合实现电平的转换。在实际应用中，实现电平转换的方式及电路可以是任意适用于本发明的现有技术，不以本实施例为限。
所述混合模式的激光驱动电路2的工作原理如下：
如图3所示，当所述正相输入电压Vin+为高电平，所述反相输入电压Vin-为低电平时，所述第一NMOS管N1导通，所述第二NMOS管N2截止；所述第一NMOS管N1的漏极输出反相预驱动信号Vmod-，为低电平，所述第二NMOS管N2的漏极输出为正相预驱动信号Vmod+，为高电平，所述正相预驱动信号Vmod+及所述反相预驱动信号Vmod-的幅值为Imod，swing·Rmod，其中，Imod，swing为所述第一负载Rmod1或所述第二负载Rmod2的阻值。
此时，所述第四NOMS管N4及所述第六NMOS管N6截止，所述第三NOMS管N3、及所述第五NMOS管N5导通；所述第七NMOS管N7的栅极和源极同相变化(电压均降低)，则所述第七NMOS管N7动态不导通；所述第八NMOS管N8的栅极接高电平，所述第八NMOS管N8导通；则，电流从所述第八NMOS管N8的漏极流向源极，并输出所述混合模式的激光驱动电路2为发光二极管提供电流，输出电流Imod的幅值为Imod·Rvcsel，其中，Imod为输出电流，Rvcsel为光电发光二极管的导通电阻。
如图4所示，当所述正相输入电压Vin+为低电平，所述反相输入电压Vin-为高电平时，所述第一NMOS管N1截止，所述第二NMOS管N2导通；所述第一NMOS管N1的漏极输出反相预驱动信号Vmod-，为高电平，所述第二NMOS管N2的漏极输出为正相预驱动信号Vmod+，为低电平，所述正相预驱动信号Vmod+及所述反相预驱动信号Vmod-的幅值为Imod，swing·Rmod，其中，Imod，swing为所述第一负载Rmod1或所述第二负载Rmod2的阻值。
此时，所述第四NOMS管N4及所述第六NMOS管N6导通，所述第三NOMS管N3、及所述第五NMOS管N5截止；所述第八NMOS管N8的栅极和源极同相变化(电压均降低)，则所述第八NMOS管N8动态不导通；所述第七NMOS管N7的栅极接高电平，所述第七NMOS管N7导通；则，电流从所述第六NMOS管N6的漏极流经所述第四NMOS管N4、所述第二负载Rmod2及所述第二NMOS管N2进入电源地。
需要说明的是，各交流耦合模块通过交流耦合去除所述输入信号及所述与驱动信号中的直流分量，为层叠结构的输入信号实现电平转换。
需要说明的是，通过调整所述第五NMOS管N5及所述第六NMOS管N6栅极的偏置电压Vbias可实现过压保护，并提高输出阻抗。
本实施例的混合模式的激光驱动电路的带宽及功耗满足如下关系：
Time Constant＝(1/gm//Rvcsel)·Cload
其中，Imod为输出电流，Imod，vcsel为流经发光二极管的电流，Rvcsel为发光二极管的导通电阻的阻值，gm为NMOS的跨导，Time Constant为时间常数(与带宽成正比)，Cload为驱动电路输出端的寄生电容的值。
从带宽上来讲，一般gm在理论极限功耗的情况下(Imod＝Imod,vcsel)，1/gm值就已经很小了，约在10ohm范围内，这样带来的带宽是10ohm并上发光二极管的导通电阻乘驱动电路输出端的寄生电容。从电流消耗角度来看，在1/gm这么小电阻的情况下是由于电流经过NMOS管产生的，这部分电流没有浪费，从而减小了功耗。
实施例二
如图5所示，本实施例提供一种光发射系统，所述光发射系统包括：
均衡电路3、所述混合模式的激光驱动电路2、第三电流源S3及发光二极管PD。
如图5所示，所述均衡电路3接收数据信号及时钟信号，根据所述数据信号及所述时钟信号产生补偿所述混合模式的激光驱动电路2的均衡信号。
具体地，所述均衡电路3基于所述数据信号中各数据的电平跳变模式产生相应的均衡信号，所述均衡信号用于驱动所述发光二极管PD。
如图5所示，所述混合模式的激光驱动电路2连接于所述均衡电路3的输出端，根据所述均衡电路3的输出信号产生相应的驱动信号，以驱动发光二极管PD产生相应的光信号。
具体地，所述混合模式的激光驱动电路2的结构及原理与实施例一相同，在此不一一赘述。
如图5所示，所述第三电流源S3连接于电源电压与所述混合模式的激光驱动电路2的输出端之间。
如图5所示，所述发光二极PD的正极连接所述混合模式的激光驱动电路2的输出端、负极连接电源地。
在VCSEL R(VCSEL激光器导通后的等效DBR(分布式布拉格反射)电阻)＝100ohm，Cesd,pad(外部静电保护焊盘的容值)＝120fF，带宽＝200pH，Ibias(流过第三电流源S3的电流)＝7mA，Imod(驱动电路22的输出电流)＝7mA的条件下，本发明与现有技术的性能比较：
性能(非归零编码模式下) 本发明 传统电流模电路
上升沿、下降沿时间(20％-80％) 10.5ps 13ps
电流消耗 18mA 30mA
功耗 60mW 100mW
由此可见，本申请的上升沿、下降沿时间(以幅值的20％-80％计算)小于传统电流模电路，本申请的电流消耗及功耗均小于传统电流模电路。
在VCSEL R(VCSEL激光器导通后的等效DBR(分布式布拉格反射)电阻)＝100ohm，Cesd,pad(外部静电保护焊盘的容值)＝120fF，带宽＝200pH，Ibias(流过第三电流源S3的电流)＝9mA，Imod(驱动电路22的输出电流)＝9mA的条件下，本发明与现有技术的性能比较：
性能(四阶脉冲幅度调制模式下) 本发明 传统电流模电路
上升沿、下降沿时间(20％-80％) 9ps 8ps
电流消耗 27mA 70mA
功耗 89mW 231mW
由此可见，本申请的上升沿、下降沿时间(以幅值的20％-80％计算)略高于传统电流模电路，但本申请的电流消耗及功耗均远小于传统电流模电路。
如图6所示为不同键合线寄生电感(150pH、200pH、250pH、300pH)下的光眼图，可见，不同键合线上的寄生电感对光眼图均无影响。如图7所示为不同输出电流下的光眼图，可见，不同输出电流下光眼图质量均完好。
本发明的混合模式的激光驱动电路及光发射系统采用推挽输出的方式，在提高带宽的同时减小电流功耗，大大改善激光驱动电路的性能，进而提高光发射系统的性能。
综上所述，本发明提供一种混合模式的激光驱动电路及光发射系统，包括：均衡电路、混合模式的激光驱动电路、第三电流源及发光二极管；所述均衡电路接收数据信号及时钟信号，根据所述数据信号及所述时钟信号产生补偿所述混合模式的激光驱动电路的均衡信号；所述混合模式的激光驱动电路连接于所述均衡电路的输出端，根据所述均衡电路的输出信号产生相应的驱动信号，以驱动发光二极管产生相应的光信号；所述第三电流源连接于电源电压与所述混合模式的激光驱动电路的输出端之间；所述发光二极管的正极连接所述混合模式的激光驱动电路的输出端、负极连接电源地。本发明的混合模式的激光驱动电路及光发射系统采用推挽输出的方式，在提高带宽的同时减小电流功耗，大大改善激光驱动电路的性能，进而提高光发射系统的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种混合模式的激光驱动电路，其特征在于，所述混合模式的激光驱动电路至少包括：
预驱动单元，接收输入信号并根据所述输入信号得到预驱动信号，其中，所述预驱动信号与所述输入信号反相；
驱动单元，接收所述输入信号及所述预驱动信号，所述预驱动信号控制所述输入信号推挽输出。
2.根据权利要求1所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述预驱动单元包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第一电流源、第一负载及第二负载；所述第一NMOS管与所述第二NMOS管组成差分对，所述第一NMOS管及所述第二NMOS管的源极相连后通过所述第一电流源接第一参考电源负极；所述第一NMOS管的栅极连接正相输入信号、漏极连接所述第一负载后连接第一参考电源正极；所述第二NMOS管的栅极连接反相输入信号、漏极连接所述第二负载后连接所述第一参考电源正极；所述第一NMOS管的漏极输出反相预驱动信号，所述第二NMOS管的漏极输出正相预驱动信号。
3.根据权利要求1所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述驱动单元包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管及第二电流源；所述第三NMOS管与所述第四NMOS管组成差分对，所述第三NMOS管及所述第四NMOS管的源极相连后通过所述第二电流源连接第二参考电源负极；所述第三NMOS管的栅极连接正相输入信号、漏极连接所述第五NMOS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接基准电压、漏极连接所述第七NMOS管的源极，所述第七NMOS管的栅极连接反相预驱动信号、漏极连接第二参考电源正极；所述第四NMOS管的栅极连接反相输入信号、漏极连接所述第六NMOS管的源极，所述第六NMOS管的栅极连接所述基准电压、漏极连接所述第八NMOS管的源极，所述第八NMOS管的栅极连接正相预驱动信号、漏极连接所述第二参考电源正极；所述第六NMOS管的漏极与所述第八NMOS管的源极的连接端作为所述驱动单元的输出端。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述预驱动单元的参考电源正极连接所述驱动单元的参考电源负极，电流从所述驱动单元的参考电源正极流向所述预驱动单元的参考电源负极。
5.根据权利要求4所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述驱动单元的参考电源正极连接电源电压，所述预驱动单元的参考电源负极连接电源地，所述预驱动单元的参考电源正极及所述驱动单元的参考电源负极的电位介于所述电源电压与所述电源地之间。
6.根据权利要求4所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述驱动单元中所述输入信号及所述预驱动信号的输入端分别连接一电平转换模块。
7.根据权利要求6所述的混合模式的激光驱动电路，其特征在于：所述电平转换模块为交流耦合模块。
8.一种光发射系统，其特征在于，所述光发射系统至少包括：
均衡电路、如权利要求1～7任意一项所述的混合模式的激光驱动电路、第三电流源及发光二极管；
所述均衡电路接收数据信号及时钟信号，根据所述数据信号及所述时钟信号产生补偿所述混合模式的激光驱动电路的均衡信号；
所述混合模式的激光驱动电路连接于所述均衡电路的输出端，根据所述均衡电路的输出信号产生相应的驱动信号，以驱动发光二极管产生相应的光信号；
所述第三电流源连接于电源电压与所述混合模式的激光驱动电路的输出端之间；
所述发光二极管的正极连接所述混合模式的激光驱动电路的输出端、负极连接电源地。
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