CN109039473A - 高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法，包括：连接于电源电压与光电二极管的阴极之间的第一电阻；连接光电二极管阴极的电平转换器；连接电平转换器的第一跨阻放大器；连接光电二极管阳极的第二跨阻放大器；连接第一、第二跨阻放大器的自动增益控制器，用于将第一、第二跨阻放大器的输出信号的幅度与参考值进行比较，并根据比较结果调节第一电阻，第一、第二跨阻放大器，进而使第一、第二跨阻放大器输出信号幅度保持恒定。本发明采用差分输入差分输出的方式，将输出摆幅提高为两倍，提高电路的有效增益，在不增加跨阻放大器的输出噪声的情况下，有效提高跨阻放大器的输出信噪比，进而提高跨阻放大器的灵敏度。

Description

高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法

技术领域

本发明涉及高速光通信收发芯片领域，特别是涉及一种高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法。

背景技术

当前数据中心等高速互联网络的带宽需求越来越高，传统的电互联由于其在成本和性能上的劣势，被价格低廉、容量大、串扰小、抗电磁干扰强的光纤通信取代的趋势日益明显。然而，作为光通信互联的核心，当前的高速光通信收发芯片(驱动器、跨组放大器、限幅放大器以及时钟数据恢复电路等均采用传统的SiGe/GaAs等工艺设计制造，其带宽噪声性能优越，但成本较高。随着系统集成度的提高和CMOS工艺的不断进步，利用具有成本、功耗和集成度优势的CMOS工艺完成高速光电收发机的设计具有越来越大的吸引力。

传统的跨阻放大器均采用SiGe工艺设计，其带宽噪声性能优越，但成本较高，CMOS的工艺成本较低，但带宽和噪声性能相对较差，如果需要达到和SiGe等双极工艺相近的灵敏度性能，需要更多的电路技术来克服工艺本身所带来的设计困难，尤其电路的噪声性能，在现有的技术下很难进行噪声性能提高，需要创新技术，基于上述原因本发明提出了一种应用于跨阻放大器中的低噪声电路技术，其可以有效提高跨阻放大器的输出信噪比，进而提高跨组放大器灵敏度。

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高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法，用于解决现有技术中CMOS工艺的高速光接收机噪声性能差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速光接收机的前端电路，所述高速光接收机的前端电路至少包括：

第一电阻，一端连接电源电压，另一端连接光电二极管的阴极；

电平转换器，输入端连接所述光电二极管的阴极，用于进行电平转换；

第一跨阻放大器，输入端连接所述电平转换器的输出端，用于将所述电平转换器的输出信号转化为电压信号并放大输出；

第二跨阻放大器，输入端连接所述光电二极管的阳极，用于将所述光电二极管的阳极电流转化为电压信号并放大输出；

自动增益控制器，输入端分别连接所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出端，用于将所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号的幅度与参考值进行比较，并根据比较结果调节所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，进而使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器输出信号幅度保持恒定。

优选地，所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器均包括放大单元及反馈电阻，所述反馈电阻跨接于所述放大单元的输入端与输出端之间，所述反馈电阻受所述自动增益控制器的控制。

优选地，所述高速光接收机的前端电路还包括连接于所述电源电压与所述第一电阻之间的接收信号强度指示器，用于显示接收到的激光信号的强度。

更优选地，所述激光信号的强度为所述光电二极管光电流的共模平均值。

优选地，所述第一电阻的阻抗设定为所述电平转换器输入阻抗的600～800倍。

优选地，所述参考值为内置信号或外设信号。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述高速光接收机的前端电路的低噪声处理方法，所述低噪声处理方法至少包括：

将光电二极管的阴极和阳极电流分别放大后转化为电压，以得到输出信号；基于所述输出信号的幅度调整所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，以使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输入信号幅度不断变化的情况下，所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号幅度保持恒定。

优选地，所述光电二极管的阴极信号经电平转换从高电平迁移到低电平，并保持原有频谱。

优选地，所述高速光接收机的前端电路的有效信噪比满足如下关系：

SNR2＝2I_PD·Z_TIA2·sqrt(2)·V_n，

其中，I_PD为所述光电二极管转换得到的光电流，Z_TIA2为所述第二跨阻放大器的增益，V_n为所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出噪声均方根值。

优选地，所述输出信号的幅度与一参考值进行比较，以调整所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号，所述参考值为内置信号或外设信号。

更优选地，当所述输出信号的幅度大于所述参考值时，减小所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器中的反馈电阻的阻抗；当所述输出信号的幅度小于所述参考值时，增大所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器中的反馈电阻的阻抗。

如上所述，本发明的高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法，具有以下有益效果：

本发明采用差分输入差分输出的方式，将输出摆幅提高为两倍，提高电路的有效增益，在不增加跨阻放大器的输出噪声的情况下，有效提高跨阻放大器的输出信噪比，进而提高跨阻放大器的灵敏度。

附图说明

图1显示为本发明的实施例的高速光接收机的前端电路的结构示意图。

图2显示为本发明的对比例的高速光接收机的前端电路的结构示意图。

元件标号说明

1 高速光接收机的前端电路

11 接收信号强度指示器

12 电平转换器

13，13 第一跨阻放大器

131 第一放大单元

14，24 第二跨阻放大器

141 第二放大单元

15，25 自动增益控制器

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1～图2。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

如图1所示，本发明提供一种高速光接收机的前端电路1，所述高速光接收机的前端电路1包括：

接收信号强度指示器11、第一电阻R1，电平转换器12，第一跨阻放大器13、第二跨阻放大器14及自动增益控制器15。

如图1所示，所述信号强度指示器(RSSI，Received Signal Strength Indicator)11连接于电源电压VDD与所述第一电阻R1之间，用于显示接收到的激光信号的强度。

具体地，光电二极管将PD将接收到的激光信号转化为电信号，流过所述信号强度指示器的电流等于所述光电二极管PD的光电流的共模平均值，由于光功率和电流之间的数学关系，通过电流可以表征出所述光电二极管PD接收光的强度。在本实施例中，所述光电二极管PD通过第一键合线L_bd1及第二键合线L_bd2与所述高速光接收机的前端电路1连接。

需要说明的是，所述信号强度指示器11可省略，对本发明的高速光接收机的前端电路1的性能不产生影响。接入所述信号强度指示器11时的所述电源电压VDD相对于不接入所述信号强度指示器11时适当提高，以确保所述高速光接收机的前端电路1的正常运作。在本实施例中，所述电源电压VDD(接入所述信号强度指示器11时)设定为3.3V，可根据具体电路需要设定所述电源电压VDD的值，不以本实施例为限。

如图1所示，所述第一电阻R1的一端连接所述信号强度指示器11，另一端连接所述光电二极管PD的阴极。

具体地，所述第一电阻R1为可调电阻，通过调节所述第一电阻R1的阻抗可实现对流经所述光电二极管PD的光电流I_PD的调节。所述第一电阻R1的阻抗大于所述电平转换器12输入阻抗，设定为600～800倍，在本实施例中，所述第一电阻R1的阻抗设定为所述电平转换器12输入阻抗的720倍，具体倍数可根据需要设定，不以本实施例为限。

需要说明的是，当所述信号强度指示器11省略时，所述第一电阻R1直接连接所述电源电压VDD。

如图1所示，所述电平转换器12连接所述光电二极管PD的阴极，用于进行电平转换。

具体的，所述电平转换器12的输入端连接所述光电二极管PD的阴极、输出端连接所述第一跨阻放大器13的输入端，所述电平转化器12将所述光电二极管PD阴极的共模电压从高电平有效地平移到一低电平，且不影响信号的原有频谱，以使所述电平转换器12两端不同的电压规格之间实现信号的传输，确保所述第一跨阻放大器13的正常工作。在本实施例中，所述光电二极管PD的阴极电压最小电平为2.7V，所述第一跨阻放大器13的输入电压最大电平为0.7V，因此需要将高电压规格转换为低电压规格。

如图1所示，所述第一跨阻放大器13的输入端连接所述电平转换器12的输出端，用于将所述电平转换器12的输出信号转化为电压信号并放大输出。

具体地，所述第一跨阻放大器13包括第一放大单元131及第一反馈电阻R_f1，所述第一反馈电阻R_f1的两端跨接于所述第一放大单元131的输入端与输出端之间。所述第一反馈电阻R_f1为可调电阻，受所述自动增益控制器15的控制，通过调节所述第一反馈电阻R_f1的阻抗可实现所述第一跨阻放大器13的增益调节。

如图1所示，所述第二跨阻放大器14的输入端连接所述光电二极管PD的阳极，用于将所述光电二极管PD的阳极电流转化为电压信号并放大输出。

具体地，所述第二跨阻放大器14包括第二放大单元141及第二反馈电阻R_f2，所述第二反馈电阻R_f2的两端跨接于所述第二放大单元141的输入端与输出端之间。所述第二反馈电阻R_f2为可调电阻，受所述自动增益控制器15的控制，通过调节所述第二反馈电阻R_f2的阻抗可实现所述第二跨阻放大器14的增益调节。所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的输出端形成差分输出，分别为正相输出信号outp及反相输出信号outn。

如图1所示，所述自动增益控制器15的输入端分别连接所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的输出端，用于使所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的输出信号幅度保持恒定。

具体地，所述自动增益控制器15接收所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的输出信号，将所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14输出的差分信号的幅度与一参考值进行比较，并根据比较结果调节所述第一电阻R1、所述第一反馈电阻R_f1及所述第二反馈电阻R_f2，通过对所述光电流I_PD、所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的增益的调节使得差分输出信号的幅度保持恒定。

需要说明的是，所述参考值可通过内置于所述自动增益控制器15中的参考信号提供，也可通过外设于所述自动增益控制器15的参考信号提供，在实际使用中根据需要设置。

如图1所示，本发明还提供一种所述高速光接收机的前端电路1的低噪声处理方法，包括：

所述光电二极管PD将接收到的激光信号转化为电信号，产生光电流I_PD；所述光电二极管PD的阴极信号经电平转换从高电平迁移到低电平，并保持原有频谱；通过所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14将所述电平转换器12的输出信号及所述光电二极管的阳极信号分别放大后转化为电压，以得到差分输出信号。

将所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14输出的差分信号的幅度与一参考值进行比较，并根据比较结果调节所述第一电阻R1、所述第一反馈电阻R_f1及所述第二反馈电阻R_f2；当输出信号的幅度大于所述参考值时，减小所述第一电阻R1、所述第一反馈电阻R_f1及所述第二反馈电阻R_f2的阻抗；当输出信号的幅度小于所述参考值时，增大所述第一电阻R1、所述第一反馈电阻R_f1及所述第二反馈电阻R_f2的阻抗；通过对所述光电流I_PD、所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的增益的调节使得所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的输入信号幅度不断变化的情况下，差分输出信号的幅度保持恒定。

所述光电二极管PD将接收到的激光信号转化为电信号，产生光电流I_PD，从所述光电二极管PD的阳极流入的电流(光电流I_PD)来自于流经所述第一电阻R1的电流I1和流经所述电平转换器12的电流I2。由于所述第一电阻R1的阻抗远大于所述电平转换器12的输入阻值(600～800倍)，根据并联电流分流原理可知，流经所述电平转换器12的电流I2远大于流经所述第一电阻R1的电流I1，流经所述电平转换器12的电流I2近似等于所述光电流I_PD，因此可以近似认为所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14流入的电流相同，但方向相反，又由于所述第一跨阻放大器13及所述第二跨阻放大器14的电路结构完全相同，因此可以近似将整个跨阻放大器看成差分工作模式。

本发明的所述高速光接收机的前端电路1的有效信噪比满足如下关系：

SNR2＝2I_pd·Z_TIA2·sqrt(2)·V_n，

其中，I_pd为所述光电二极管转换得到的光电流，Z_TIA2为所述第二跨阻放大器的增益，V_n为所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出噪声均方根值。

对比例

如图2所示，本对比例提供一种高速光接收机的前端电路2，所述高速光接收机的前端电路2包括：

接收信号强度指示器21、第一跨阻放大器23、第二跨阻放大器24及自动增益控制器25。

如图2所示，本对比例中不存在第一电阻R1，所述接收信号强度指示器21直接连接所述光电二极管PD的阴极，且所述自动增益控制器25不产生控制所述第一电阻R1的控制信号。

如图2所示，本对比例中不存在电平转换器，所述第一跨阻放大器23的输入端仅连接所述第一反馈电阻R_f1，因此，所述第一跨阻放大器23与所述第二跨阻放大器24构成单端输入伪差分输出的工作模式，其中，所述第一跨阻放大器23处于静态工作状态，其输出信号outp为静态信号，所述第一跨阻放大器23只能贡献噪声，并不能提高有效信号的增益；而所述第二跨阻放大器24将所述光电流I_PD进行放大转化为电压信号输出。

假设所述第一跨阻放大器23与所述第二跨阻放大器24输出噪声均方根值为V_n，所述第一跨阻放大器23与所述第二跨阻放大器24总体的差分输出噪声均方根值则为sqrt(2)·V_n，光电流为I_PD，则输出信号摆幅为I_PD·Z_TIA2，则所述第一跨阻放大器23与所述第二跨阻放大器24总体输出的有效信噪比为SNR1＝I_PD·Z_TIA2·sqrt(2)·V_n。

而本发明的高速光接收机的前端电路1的输出噪声等于ssqrt(2)·V_n，但光电流I_PD经过所述第一跨阻放大器13与所述第二跨阻放大器14后输出摆幅为2I_PD·Z_TIA2，所述第一跨阻放大器13与所述第二跨阻放大器14的总体输出的有效的信噪比SNR2满足如下关系式：SNR2＝2I_PD·Z_TIA2·sqrt(2)·V_n，等于两倍的SNR1。因此本发明在不提高噪声的情况下，将信号的增益提高一倍，有效的提高跨阻放大器输出的有效信噪比，进而提高跨阻放大器的灵敏度。

本发明的高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法采用差分输入的方式，将输出摆幅提高为两倍，有效提高跨阻放大器的输出信噪比，进而提高跨阻放大器的灵敏度。

综上所述，本发明提供一种高速光接收机的前端电路及其低噪声处理方法，包括：第一电阻，一端连接电源电压，另一端连接光电二极管的阴极；电平转换器，输入端连接所述光电二极管的阴极，用于进行电平转换；第一跨阻放大器，输入端连接所述电平转换器的输出端，用于将所述电平转换器的输出信号转化为电压信号并放大输出；第二跨阻放大器，输入端连接所述光电二极管的阳极，用于将所述光电二极管的阳极电流转化为电压信号并放大输出；自动增益控制器，输入端分别连接所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出端，用于将所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号的幅度与参考值进行比较，并根据比较结果调节所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，进而使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器输出信号幅度保持恒定。将光电二极管的阴极和阳极电流分别放大后转化为电压，以得到输出信号；基于所述输出信号的幅度调整所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，以使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输入信号幅度不断变化的情况下，所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号幅度保持恒定。本发明采用差分输入差分输出的方式，将输出摆幅提高为两倍，提高电路的有效增益，在不增加跨阻放大器的输出噪声的情况下，有效提高跨阻放大器的输出信噪比，进而提高跨阻放大器的灵敏度。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 (11)

1.一种高速光接收机的前端电路，其特征在于，所述高速光接收机的前端电路至少包括：

第一电阻，一端连接电源电压，另一端连接光电二极管的阴极；

电平转换器，输入端连接所述光电二极管的阴极，用于进行电平转换；

第一跨阻放大器，输入端连接所述电平转换器的输出端，用于将所述电平转换器的输出信号转化为电压信号并放大输出；

第二跨阻放大器，输入端连接所述光电二极管的阳极，用于将所述光电二极管的阳极电流转化为电压信号并放大输出；

自动增益控制器，输入端分别连接所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出端，用于将所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号的幅度与参考值进行比较，并根据比较结果调节所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，进而使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器输出信号幅度保持恒定。

2.根据权利要求1所述的高速光接收机的前端电路，其特征在于：所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器均包括放大单元及反馈电阻，所述反馈电阻跨接于所述放大单元的输入端与输出端之间，所述反馈电阻受所述自动增益控制器的控制。

3.根据权利要求1所述的高速光接收机的前端电路，其特征在于：所述高速光接收机的前端电路还包括连接于所述电源电压与所述第一电阻之间的接收信号强度指示器，用于显示接收到的激光信号的强度。

4.根据权利要求3所述的高速光接收机的前端电路，其特征在于：所述激光信号的强度为所述光电二极管光电流的共模平均值。

5.根据权利要求1所述的高速光接收机的前端电路，其特征在于：所述第一电阻的阻抗设定为所述电平转换器输入阻抗的600～800倍。

6.根据权利要求1所述的高速光接收机的前端电路，其特征在于：所述参考值为内置信号或外设信号。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的高速光接收机的前端电路的低噪声处理方法，其特征在于，所述低噪声处理方法至少包括：

将光电二极管的阴极和阳极电流分别放大后转化为电压，以得到输出信号；基于所述输出信号的幅度调整所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器，以使所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输入信号幅度不断变化的情况下，所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号幅度保持恒定。

8.根据权利要求7所述的低噪声处理方法，其特征在于：所述光电二极管的阴极信号经电平转换从高电平迁移到低电平，并保持原有频谱。

9.根据权利要求7所述的低噪声处理方法，其特征在于：所述高速光接收机的前端电路的有效信噪比满足如下关系：

SNR2＝2I_PD·Z_TIA2·sqrt(2)·V_n，

其中，I_PD为所述光电二极管转换得到的光电流，Z_TIA2为所述第二跨阻放大器的增益，V_n为所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出噪声均方根值。

10.根据权利要求7所述的低噪声处理方法，其特征在于：所述输出信号的幅度与一参考值进行比较，以调整所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器的输出信号，所述参考值为内置信号或外设信号。

11.根据权利要求7或10所述的低噪声处理方法，其特征在于：当所述输出信号的幅度大于所述参考值时，减小所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器中的反馈电阻的阻抗；当所述输出信号的幅度小于所述参考值时，增大所述第一电阻、所述第一跨阻放大器及所述第二跨阻放大器中的反馈电阻的阻抗。