CN109560879A - 具暗电流补正功能的光学接收电路及其暗电流补正方法 - Google Patents

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Abstract

现有技术无法对光感测电路之中的光二极管的暗电流进行完美的补正，有鉴于此本发明提供一种具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的一种暗电流补正方法；其中该光学接收电路系包括：一转阻放大器、一第一可变电阻器、一第二可变电阻器、一光二极管、一补偿用光二极管、至少一第一补正用光二极管、至少一第一开关、至少一第二补正用光二极管、以及至少一第二开关。当补偿用光二极管的暗电流无法完全消除光二极管所产生的光电流所带有的漏电流之时，可以通过闭合第一开关与第二开关方式启用第一补正用光二极管与第二补正用光二极管，进而利用两个补正用光二极管所产生的暗电流来完全消除光二极管的光电流所带有的漏电流成分。

Description

具暗电流补正功能的光学接收电路及其暗电流补正方法
技术领域
本发明关于电子电路的技术领域，尤指一种具暗电流补偿功能的光学接收电路与该光学接收电路的一种具暗电流补正方法。
背景技术
光通讯系统具有高通信容量、低传输损耗、体积小、重量轻、不易受电磁干扰等优点，目前已成为高速网络的主要传输架构。图1即显示现有的一种光通讯系统的架构图。如图1所示，现有的光通讯系统1’系包括：一光传送模块11’、一光接收模块12’与用于使该光传送模块11’与该光接收模块12’相互通讯的一光纤13’。其中，该光传送模块11’至少包括一驱动单元111’与一激光二极管(Laserdiode,LD)112’，且该光接收模块12’至少包括一光二极管(Photodiode,PD)121’、一转阻放大器(Transimpedance amplifier,TIA)122’、一限幅器(Limiting amplifier,LA)123’、与一频率数据回复单元(Clock and data recovery,CDR)124’。
目前，可通过CMOS工艺实现的光二极管121’包括三种主要结构，可参考图2显示的N-well/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图、图3显示的N+-diffusion/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图、以及图4显示的P+-diffusion/N-well/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图。在光接收模块12’的应用中，光二极管121’通常被施予逆偏压而操作于光导模式(photo-conduction mode)；此时，当特定强度的光线照射光二极管121’之后，光二极管121’即对应地产生逆向电流，被称之为光电流。值得注意的是，由于光二极管121’被施予逆向偏压，故即使在无光照的状态下，光二极管121’依旧会产生逆向饱和电流，被称之为暗电流。
熟悉光接收器电路与环境光感测电路的开发与设计的电子工程师都应该知道，暗电流为易受温度影响的一个非时变噪声。因此，如何设计出具暗电流补偿功能的光感测应用电路，是非常重要的课题。图5即显示现有的一种具暗电流补偿功能的光感测电路；其中，所述光感测电路14’包括：一硅基板141’、一第一扩散区142’、一第二扩散区143’、一遮盖144’、与一运算单元145’；其中，第一扩散区142’与硅基板141’组成一第一光二极管，且第二扩散区143’则与硅基板141’共同组成一第二光二极管。于此光感测电路14’运作时，第一光二极管会感测外界环境光并产生对应的第一光电流I1’；此时，即使第二光二极管因受到金属遮盖144’的遮蔽而无法接收环境光，第二光二极管仍旧会随着外界温度变化而产生对应的第二光电流I2’。值得说明的是，由于第一扩散区142’与第二扩散区143’具有相同的面积，因此就半导体物理的理论上，第一光二极管与第二光二极管会产生相同的漏电流(即，暗电流)。是以，只要利用运算单元145’对第一光电流I1’与第二光电流I2’执行减法运算，光传感器电路14’便可以输出经过漏电流补偿的一输出电流Iout’。
图5所示的光感测电路14’虽然利用了第二光二极管的暗电流扣除第一光二极管所产生的光电流所带有的漏电流；然而，除了环境温度以外，光二极管的暗电流也非常容易受到工艺变异(process variation)的影响。尤其，工艺变异可能造成光二极管的表面缺陷(interface defects)及其内部的接面缺陷(junction defects)，导致相同布局面积(layout area)的两个光二极管不一定会具有相同的暗电流。一旦如此，图5所示的光感测电路14’便无法利用第二光二极管的暗电流来完美地消除第一光二极管所产生的光电流所带有的漏电流。
由上述说明可以得知，目前并不存在理想的改善方案能够对光感测电路之中的光二极管的暗电流进行完美的补正；有鉴于此，本发明的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的一种暗电流补正方法。
发明内容
有鉴于前述说明指出现有的光感测电路之中的光二极管的暗电流进行完美的补正，本发明的主要目的在于提供一种具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的暗电流补正方法；其中，所述具暗电流补正功能的光学接收电路包括：一转阻放大器、一第一可变电阻器、一第二可变电阻器、一光二极管、一补偿用光二极管、至少一第一补正用光二极管、至少一第一开关、至少一第二补正用光二极管、以及至少一第二开关。当补偿用光二极管的暗电流无法完全消除光二极管所产生的光电流所带有的漏电流之时，可以通过闭合第一开关与第二开关的方式启用第一补正用光二极管与第二补正用光二极管，进而利用两个补正用光二极管所产生的暗电流来完全消除光二极管的光电流所带有的漏电流成分。
为了达成上述本发明的主要目的，本发明的发明人提供所述具暗电流补正功能的光学接收电路的一实施例，包括：
一转阻放大器，具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端；
一第一可变电阻器，电性连接至该正输入端与该负输出端；
一第二可变电阻器，电性连接至该负输入端与该正输出端；
一光二极管，电性连接至该正输入端；
一补偿用光二极管，电性连接至该负输入端；
多个第一补正用光二极管，电性连接至该正输入端，并与该光二极管并联；
多个第一开关，其中该正输入端与每一个第一补正用光二极管之间设置有一个第一开关；
多个第二补正用光二极管，电性连接至该负输入端，并与该补偿用光二极管并联；
至少一第二开关，其中该负输入端与每一个第二补正用光二极管之间设置有一个第二开关；
其中，该第一补正用光二极管、该补偿用光二极管与该第二补正用光二极管皆具有一光隔离罩，用以隔离外界光线。
于前述本发明的具暗电流补正功能的光学接收电路的实施例中，其更包括：
一模拟数字转换器，电性连接至该转阻放大器的该正输出端与该负输出端，用以接收该转阻放大器所送出的一正输出电压与一负输出电压；以及
一微控制器，电性连接该模拟数字转换器，并同时电性连接至该第一开关与该第二开关；
其中，藉由调整该第一可变电阻器与该第二可变电阻器的值，所述转阻放大器输出一全差动驱动信号至该模拟数字转换器；并且，接收该模拟数字转换器所输出的包括一暗电流数字码的一数字信号之后，该微控制器通过闭合至少一个第一开关与至少一个第二开关的方式，调整该暗电流数字码的值至最小。
为了达成上述本发明的主要目的，本发明的发明人提供所述光学接收电路的暗电流补正方法的一实施例，包括以下步骤：
(1)提供一光学接收电路，包括：具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端的一转阻放大器、电性连接至该正输入端与该负输出端的一第一可变电阻器、电性连接至该负输入端与该正输出端的一第二可变电阻器、电性连接至该正输入端的一光二极管、电性连接至该负输入端的一补偿用光二极管、电性连接至该正输入端并与该光二极管相互并联的多个第一补正用光二极管、电性连接至该负输入端并与该补偿用光二极管相互并联的多个第二补正用光二极管；其中，该正输入端与每一个第一补正用光二极管之间设置有一个第一开关，且该负输入端与每一个第二补正用光二极管之间设置有一个第二开关；
(2)判断是否该转阻放大器所产生的一负输出信号与一正输出信号构成一全差动驱动信号；若是，则执行步骤(4)；若否，则执行步骤(3)；
(3)调整该第一可变电阻器与该第二可变电阻器的阻值，直至该负输出信号与该正输出信号构成所述全差动驱动信号；
(4)将所述全差动驱动信号输出至后端的一模拟数字转换器，使该模拟数字转换器对应地输出包括一暗电流数字码的一数字信号至一微控制器；
(5)该微控制器判断该暗电流数字码的值是否已调整至最小，若是则执行步骤(7)；若否，则执行步骤(6)；
(6)闭合(close)至少一个第一开关与至少一个第二开关，使至少一个第一补正用光二极管与该光二极管并联以及令至少一个第二补正用光二极管与该补偿用光二极管并联；重复执行步骤(5)；以及
(7)步骤结束。
附图说明
图1为显示现有的一种光通讯系统的架构图；
图2为显示N-well/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图；
图3为显示N+-diffusion/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图；
图4为显示P+-diffusion/N-well/P-substrate结构的光二极管的侧面剖视图；
图5为显示现有的一种具暗电流补偿功能的光感测电路；
图6为显示本发明的一种具暗电流补正功能的光学接收电路的第一电路架构图；
图7A与图7B为显示光学接收电路的暗电流补正方法的流程图。
其中附图标记为：
1 光学接收电路
11 转阻放大器
vR1 第一可变电阻器
vR2 第二可变电阻器
Pd 光二极管
DPd 补偿用光二极管
P 第一补正用光二极管
SWP 第一开关
Q 第二补正用光二极管
SWQ 第二开关
VOP 正输出信号
VON 负输出信号
12 模拟数字转换器
13 微控制器
S1-S7 方法步骤
1’ 光通讯系统
11’ 光传送模块
12’ 光接收模块
13’ 光纤
111’ 驱动单元
112’ 激光二极管
121’ 光二极管
122’ 转阻放大器
123’ 限幅器
124’ 频率数据回复单元
14’ 光感测电路
141’ 硅基板
142’ 第一扩散区
143’ 第二扩散区
144’ 遮盖
145’ 运算单元
I1’ 第一光电流
I2’ 第二光电流
Iout’ 输出电流
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的暗电流补正方法，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
第一实施例
请同时参阅图6，为显示本发明的一种具暗电流补正功能的光学接收电路的第一电路架构图。如图6所示，本发明的一种具暗电流补正功能的光学接收电路1(下简称“光学接收电路1”)主要包括：一转阻放大器11、一第一可变电阻器vR1、一第二可变电阻器vR2、一光二极管Pd、一补偿用光二极管DPd、M个第一补正用光二极管P、M个第一开关SWP、N个第二补正用光二极管Q、以及N个第二开关SWQ；其中，该第一补正用光二极管P、该补偿用光二极管DPd与该第二补正用光二极管Q皆具有一光隔离罩，用以隔离外界光线。
值得注意的是，此转阻放大器11为一全差动转阻放大器(Fully differentialtransimpedance amplifier,FD-TIA)，具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端。并且，作为回授电阻(Feedback resistor)使用，第一可变电阻器vR1电性连接至该正输入端与该负输出端，且该第二可变电阻器vR2电性连接至该负输入端与该正输出端。另一方面，所述光二极管Pd电性连接至该正输入端，而该补偿用光二极管DPd则电性连接至该负输入端。值得说明的是，本发明更将M个第一补正用光二极管P电性连接至该正输入端；并且，该正输入端与每一个第一补正用光二极管P之间设置有一个第一开关SWP。如此，藉由打开(open)/闭合(close)第一开关SWP的方式，可令第一补正用光二极管P与该光二极管Pd并联。
另一方面，本发明又将N个第二补正用光二极管Q电性连接至该负输入端；并且，该负输入端与每一个第二补正用光二极管Q之间设置有一个第二开关SWQ。如此，藉由打开/闭合第二开关SWQ的方式，可令第二补正用光二极管Q与该补偿用光二极管DPd并联。必须特别说明的是，在第一开关SWP与第二开关SWQ处于打开(open)的状态下，若第一可变电阻器vR1与第二可变电阻器vR2的阻值为RF，则转阻放大器11所输出的一正输出信号VOP与负输出信号VON可以由下式(1)表示：
V(OP,ON)＝RF{[Pd(Ilight+Idark)]-[DPd(Idark)]}…………..(1)于上式(1)之中，Pd(Ilight+Idark)表示为光二极管Pd所输出的光电流与暗电流的总和，且DPd(Idark)表示为补偿用光二极管DPd所输出暗电流。易于推知的是，一旦DPd(Idark)与Pd(Idark)的值不相等，则转阻放大器11的输入信号包含未被消除的暗电流信号，导致转阻放大器11无法单纯地对光二极管Pd所输出的光电流(亦即，Pd(Ilight))执行单端至差分转换(single-ended-to-differential conversion)，造成负输出信号VON与正输出信号VOP无法构成完全的差动驱动信号。在这个情况下，转阻放大器11是无法正常驱动后端电路的模拟数字转换器12。
熟悉半导体工艺与集成电路制造的工程师应该都知道，工艺变异(processvariation)可能造成光二极管的表面缺陷(interface defects)及其内部的接面缺陷(junction defects)，导致相同布局面积(layout area)的两个光二极管不一定会具有相同的暗电流。因此，当DPd(Idark)与Pd(Idark)的值不相等之时，便可以通过闭合(close)第一开关SWP的方式令至少一个第一补正用光二极管P与该光二极管Pd并联；或者，通过闭合第二开关SWQ的方式令至少一个第二补正用光二极管Q与该补偿用光二极管DPd并联。必须特别说明的是，在第一开关SWP与第二开关SWQ处于闭合(close)的状态下，若第一可变电阻器vR1与第二可变电阻器vR2的阻值为RF，则转阻放大器11所输出的负输出信号VON与正输出信号VOP可以由下式(2)表示：
V(OP,ON)＝RF{[Pd(Ilight+Idark)+M×P(Idark)]-[DPd(Idark)+N×Q(Idark)]}…………..(2)
于上式(2)之中，P(Idark)表示为第一补正用光二极管P所输出的暗电流，且M表示为第一补正用光二极管P并联至光二极管Pd的颗数。同样地，Q(Idark)表示为第二补正用光二极管Q所输出的暗电流，且N表示为第二补正用光二极管Q并联至补偿用光二极管DPd的颗数。易于推知的是，当[Pd(Idark)+M×P(Idark)]-[DPd(Idark)+N×Q(Idark)]的值为零，转阻放大器11的输入信号便不会包含任何暗电流信号，使得转阻放大器11能够单纯地对光二极管Pd所输出的光电流(即，Pd(Ilight))执行单端至差分转换。在这个情况下，由负输出信号VON与正输出信号VOP所构成的全差动驱动信号会驱动模拟数字转换器12，进而将光二极管Pd所输出的光电流信号转换成数字信号。简单地说，P(Idark)与Q(Idark)用来调整[Pd(Idark)+M×P(Idark)]-[DPd(Idark)+N×Q(Idark)]的值，使两者的值相等。
另一方面，图6显示用以控制第一开关SWP与第二开关SWQ的微控制器13。于此，必须特别说明的是，为了避免过多的连接线导致电路图过于杂乱，即使微控制器13电性连接于该第一可变电阻器vR1、该第二可变电阻器vR2、该模拟数字转换器12、该M个第一开关SWP、与该N个第二开关SWQ，图6仍仅是绘出微控制器13与模拟数字转换器12之间的连接线；然而，这并不会有碍于电子工程师对于本发明技术的理解及据以实施。必须补充说明的是，于本发明中，通过调整第一可变电阻器vR1与第二可变电阻器vR2的值可令转阻放大器11所输出的一负输出信号VON与一正输出信号VOP构成一全差动驱动信号。如此，受到所述全差动驱动信号的驱动，模拟数字转换器12会对应地输出的包含暗电流数字码的数字信号至微控制器13。此时，若微控制器13判读暗电流数字码的值未达最小，则微控制器13会利用回授控制的方式，调整M与N的值使暗电流数字码的植被调校至最小，藉此方式达到消除光二极管所带有的漏电流成分的目的。于此，所谓调整M与N的值意指闭合的第一开关SWP与第二开关SWQ的数量；亦即，并联至光二极管Pd的第一补正用光二极管P的颗数以及补偿用光二极管DPd的第二补正用光二极管Q的颗数。
进一步地，为了利于本发明的光学接收电路1能够自动地执行暗电流补正，实务可利用一运行控制方法(circuit controlling algorithm)加以控制之。因此，本发明又同时提供一种光学接收电路的暗电流补正方法。如图7A与图7B所显示的光学接收电路的暗电流补正方法的流程图所示，此暗电流补正方法包括以下步骤：
步骤(S1)：提供一光学接收电路1，并且，该光学接收电路1包括：具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端的一转阻放大器11、电性连接至该正输入端与该负输出端的一第一可变电阻器vR1、电性连接至该负输入端与该正输出端的一第二可变电阻器vR2、电性连接至该正输入端的一光二极管Pd、电性连接至该负输入端的一补偿用光二极管DPd、电性连接至该正输入端并与该光二极管Pd相互并联的多个第一补正用光二极管P、电性连接至该负输入端并与该补偿用光二极管DPd相互并联的多个第二补正用光二极管Q；其中，该正输入端与每一个第一补正用光二极管P之间设置有一个第一开关SWP，且该负输入端与每一个第二补正用光二极管Q之间设置有一个第二开关SWQ；
步骤(S2)：判断是否该转阻放大器11所产生的一负输出信号VON与一正输出信号VOP构成一全差动驱动信号；若是，则执行步骤(S4)；若否，则执行步骤(S3)；
步骤(S3)：调整该第一可变电阻器vR1与该第二可变电阻器vR2的阻值，直至该负输出信号VON与该正输出信号VOP构成所述全差动驱动信号；
步骤(S4)：将所述全差动驱动信号输出至后端的一模拟数字转换器12，且该模拟数字转换器12对应地输出包括一暗电流数字码的一数字信号至一微控制器13；
步骤(S5)：该微控制器13判断该暗电流数字码的值是否已调整至最小，若是则执行步骤(7)；若否，则执行步骤(6)；
步骤(S6)：闭合(close)至少一个第一开关SWP与至少一个第二开关SWQ，使至少一个第一补正用光二极管P与该光二极管Pd并联以及令至少一个第二补正用光二极管Q与该补偿用光二极管DPd并联；重复执行步骤(S5)；以及
步骤(S7)：步骤结束。
必须补充说明的是，于该步骤(S3)之中，所述微控制器13输出的一调整信号以调整该第一可变电阻器vR1与该第二可变电阻器vR2的阻值。另一方面，于该步骤(S6)之中，该第一开关SWP与该第二开关SWQ受到该微控制器13所输出的一开关控制信号的控制而闭合。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明所揭示的具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的暗电流补正方法；并且，经由上述，吾人可以得知本发明具有下列的优点：
(1)受到工艺变异的影响，现有的光感测电路14’(如图5所示)无法利用第二光二极管的暗电流来完美地消除第一光二极管所产生的光电流所带有的漏电流；有鉴于此，本发明于是提出了一种具暗电流补正功能的光学接收电路与该光学接收电路的一种暗电流补正方法。所述具暗电流补正功能的光学接收电路1主要包括：一转阻放大器11、一第一可变电阻器vR1、一第二可变电阻器vR2、一光二极管Pd、一补偿用光二极管DPd、至少一第一补正用光二极管P、至少一第一开关SWP、至少一第二补正用光二极管Q、以及至少一第二开关SWQ。当补偿用光二极管DPd的暗电流无法完全消除光二极管Pd所产生的光电流所带有的漏电流之时，可以通过闭合第一开关SWP与第二开关SWQ的方式启用第一补正用光二极管P与第二补正用光二极管Q，进而利用两个补正用光二极管(P,Q)所产生的暗电流来完全消除光二极管Pd的光电流所带有的漏电流成分。
必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (6)

1.一种具暗电流补正功能的光学接收电路，其特征在于，包括：
一转阻放大器，具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端；
一第一可变电阻器，电性连接至该正输入端与该负输出端；
一第二可变电阻器，电性连接至该负输入端与该正输出端；
一光二极管，电性连接至该正输入端；
一补偿用光二极管，电性连接至该负输入端；
多个第一补正用光二极管，电性连接至该正输入端，并与该光二极管并联；
多个第一开关，其中该正输入端与每一个第一补正用光二极管之间设置有一个第一开关；
多个第二补正用光二极管，电性连接至该负输入端，并与该补偿用光二极管并联；
多个第二开关，其中该负输入端与每一个第二补正用光二极管之间设置有一个第二开关；
其中，该第一补正用光二极管、该补偿用光二极管与该第二补正用光二极管皆具有一光隔离罩，用以隔离外界光线。
2.如权利要求1所述的具暗电流补正功能的光学接收电路，其特征在于，更包括：
一模拟数字转换器，电性连接至该转阻放大器的该正输出端与该负输出端，用以接收该转阻放大器所送出的一正输出电压与一负输出电压；以及
一微控制器，电性连接该模拟数字转换器，并同时电性连接至该第一开关与该第二开关；
其中，藉由调整该第一可变电阻器与该第二可变电阻器的值，所述转阻放大器输出一全差动驱动信号至该模拟数字转换器；并且，接收该模拟数字转换器所输出的包括一暗电流数字码的一数字信号之后，该微控制器通过闭合至少一个第一开关与至少一个第二开关的方式，调整该暗电流数字码的值至最小。
3.如权利要求1所述的具暗电流补正功能的光学接收电路，其特征在于，该第一可变电阻器与该第二可变电阻器为包含至少一晶体管的一压控电阻单元。
4.一种光学接收电路的暗电流补正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一光学接收电路，并且，该光学接收电路包括：具有一正输入端、一负输入端、一正输出端、一负输出端的一转阻放大器、电性连接至该正输入端与该负输出端的一第一可变电阻器、电性连接至该负输入端与该正输出端的一第二可变电阻器、电性连接至该正输入端的一光二极管、电性连接至该负输入端的一补偿用光二极管、电性连接至该正输入端并与该光二极管相互并联的多个第一补正用光二极管、电性连接至该负输入端并与该补偿用光二极管相互并联的多个第二补正用光二极管；其中，该正输入端与每一个第一补正用光二极管之间设置有一个第一开关，且该负输入端与每一个第二补正用光二极管之间设置有一个第二开关；
(2)判断是否该转阻放大器所产生的一负输出信号与一正输出信号构成一全差动驱动信号；若是，则执行步骤(4)；若否，则执行步骤(3)；
(3)调整该第一可变电阻器与该第二可变电阻器的阻值，直至该负输出信号与该正输出信号构成所述全差动驱动信号；
(4)将所述全差动驱动信号输出至后端的一模拟数字转换器，且该模拟数字转换器对应地输出包括一暗电流数字码的一数字信号至一微控制器；
(5)该微控制器判断该暗电流数字码的值是否已调整至最小，若是则执行步骤(7)；若否，则执行步骤(6)；
(6)闭合至少一个第一开关与至少一个第二开关，使至少一个第一补正用光二极管与该光二极管并联以及令至少一个第二补正用光二极管与该补偿用光二极管并联；重复执行步骤(5)；
(7)步骤结束。
5.如权利要求4所述的光学接收电路的暗电流补正方法，其特征在于，于该步骤(6)之中，该第一开关与该第二开关受到该微控制器所输出的一开关控制信号的控制而闭合。
6.如权利要求4所述的光学接收电路的暗电流补正方法，其特征在于，于该步骤(3)之中，所述微控制器输出的一调整信号以调整该第一可变电阻器与该第二可变电阻器的阻值。
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