CN110086433A - 一种带复位信号的突发跨阻放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带复位信号的突发跨阻放大器，输入光电流信号从正向放大器‑A的输入端与反馈电阻RF的结合点输入，NMOS管NO与反馈电阻RF并联；正向放大器‑A的输出信号分成两路，一路直接输入到差分电压放大器Diff Amp的反相输入端；另一路经过串联电阻RS和RL后，输入到差分电压放大器Diff Amp及运放OP的反相输入端；信号经过差分电压放大器放大后，变为差分信号OUTP/OUTN并输出到片外；开关S与电阻RL并联，并受复位信号RESET控制。在前导码阶段，开关s闭合，在数据段，开关s断开。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路领域，尤其涉及跨阻放大器。
背景技术
在现代高速光纤通信系统中，跨阻放大器TIA扮演着把光电二极管生成的微弱光电流信号转化并放大为电压信号，并输出给后续的电路进行处理。因此TIA处于接收端最前沿，是光通信系统接收端的核心器件，其噪声、灵敏度、动态范围、灵敏度等核心指标基本决定了整个接收系统的性能。
典型的跨阻放大器电路的核心指标有跨阻ZT、带宽f-3dB、等效输入噪声In可推导为：
除此之外，输入动态范围也是一项重要指标，其定义为饱和输入光功率与灵敏度的差值。饱和输入光功率和灵敏度分别定义为在一定可允许误码率范围内的最大和最小输入光功率。灵敏度主要由等效输入噪声决定，等效输入噪声越小，则灵敏度指标越高；而饱和输入光功率主要由输出信号的脉宽失真等因素决定。从上述公式可看出，要取得比较良好的灵敏度指标，需要在带宽允许的前提下，将跨阻即RF值尽量做大，而跨阻越大，则饱和输入光功率则越小。
在实际应用的跨阻放大器中通常都会加入自动增益控制(Automatic GainControl,AGC)电路来解决这个问题。即在较小输入光功率时，保持大跨阻；在较大输入光功率时，自动调节减小跨阻，使得输出信号不会产生过大的脉宽失真，从而拓宽动态范围。
AGC功能通常采用一个可调的有源电阻与反馈电阻并联来实现对跨阻的调节。有两种常用的方法来检测输入光功率是否过大到会导致输出产生过大的脉宽失真，一是检测TIA的交流输出幅度，如图1所示；二是检测TIA的输出直流电平变化，如图2所示。
两种方法都需要在反馈环路中加入低通滤波器以滤除高频分量，以保持跨阻的稳定，降低输出信号抖动。通常为了保证可接受的抖动特性，AGC环路的低频截止频率需要低至几十KHz。由于AGC环路存在低频截止频率，且低频截止频率又较低，因此AGC环路需要较长的稳定收敛时间，通常在几十us左右。因此这两种AGC电路仅适用于于连续通讯模式。
而在无源光网络(Passive Optical Network,PON)系统中，在OLT(Optical LineTerminal)端，接收端接收的的信号是突发(Burst Mode)的信号，即几十个的ONU(OpticalNetwork Unit)局端按照一定的时分轮流发送信号给OLT，每个ONU发送的光功率、传送距离不一，因此OLT端接收到的光信号具有时序突发、光功率突变的特点
PON主要分为GPON与EPON，以及10G PON(包括10G GPON和10G EPON)，其中由于采用NRZ编码以及更严格的时序要求，GPON的实现难度远大于EPON。本文以GPON为例来说明，一个典型的PON突发数据包如图3所示。一个突发数据包由前导码preamble(0101编码，占空比50％)、有效数据data(NRZ编码)、安全间隙区guardtime(0信号)构成。当OLT的突发接收系统接收到一个突发数据包时，整个突发接收系统需要在前导码时序内建立稳定的工作状态，以正确处理后续的有效数据信号。
不同的PON的前导码长度要求有些不同，如1.25G/10G EPON为512ns，GPON为12.8ns，XG-PON/XGS-PON为128ns，因此如果采用传统的AGC方法，则AGC的收敛时序显然是无法满足要求的。同时，由于XGS/XG/GPON的信号编码为NRZ码，最长连线码(consequentialidentical digit,CID)达72bit，在传输这种编码信号时，整个信号通道的低频截止频率必须足够低(通常要求小于100KHz)，才能减小直流漂移(DC Wandering)效应，减小抖动。因此这种矛盾的存在，导致传统的AGC控制环路无法适用于突发模式的PON接收系统上。
为了克服上述矛盾,一般的突发AGC控制电路采样如图4所示方式来实现,利用一个二极管来钳制TIA的输出幅度，即当输入电流大到一定程度，TIA输出节点电压下降，造成反馈电阻的压降增大到使得二极管开启，二极管并联上反馈电阻Rf，分流掉部分输入电流，使得TIA的输出幅度不再急剧增大，从而将TIA输出幅度钳制在一定范围内。
但这种方式有一个缺点，典型的二极管的开启电压为0.7V左右，即时采用MOS FET作为二极管，其阈值基本上也都在0.4V以上。而一般TIA输出幅度只有在0.2Vpp以内才不会产生明显的失真，因此，一般采用特殊的低阈值(low threshold)器件来实现，这样做的代价是工艺成本上升，并且需要工艺特别支持，很多商用工艺不支持这种特殊器件的工艺选项。
另外一点，现代常用的光通信系统在接收端接收到的光脉冲信号为单端非对称信号，光脉冲信号经过光电二极管转化为光电流信号，输入到跨阻放大器，经过核心跨阻放大器转换放大为单端电压信号后，需要进一步转换放大为差分信号，以利于消除共模噪声。通常采用如下方式图5、图6实现单端到差分的转换。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种带复位信号的突发跨阻放大器，以达到在前导码阶段，快速收敛稳定；在数据码变频信号阶段，超长的稳定时间，实现信号传输的低抖动，低直流漂移等，达到解决背景技术中的矛盾的目的。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种带复位信号的突发跨阻放大器，输入光电流信号从正向放大器-A的输入端与反馈电阻RF的结合点输入，NMOS管N0与反馈电阻RF并联；
正向放大器-A的输出信号分成两路，一路直接输入到差分电压放大器Diff Amp的反相输入端；另一路经过串联电阻RS和RL后，输入到差分电压放大器Diff Amp及运放OP的反相输入端；
信号经过差分电压放大器放大后，变为差分信号OUTP/OUTN并输出到片外；
开关S与电阻RL并联，并受复位信号RESET控制；
反馈运放OP的正向输入端接入一固定的参考电压VREF，反馈运放OP的输出端及反相输入端并接一个补偿电容CC，使得ACG反馈环路及单端转差分节点的稳定时间常数为：
τ＝(RS+RL)*AOP*CC
其中AOP为反馈运放OP的直流电压增益；
在前导码阶段，开关s闭合，在数据段，开关s断开。
在一较佳实施例中：所述电阻RS的阻值小鱼RL的阻值。
在一较佳实施例中：所述开关S包括Nmos管N0和Pmos管PO；其中N0的漏极和P0的源极相连并连接至电阻RS和RL的同名端；NO的源极和PO的漏极相连并连接至电阻RL的另一端；N0和P0的栅极分别与所述正向复位信号RESET S及反向复位信号Sb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：
本发明提供的一种带复位信号的突发跨阻放大器，当本跨阻放大器芯片接收到突发包输入信号及同步的复位信号后，复位开关导通，AGC环路及单端转差分节点切换到低时间常数，进入快速收敛稳定模式；当前导码阶段结束，复位脉冲跳变到低电平状态后，AGC环路及单端转差分节点切换到长时间常数模式，AGC控制电压、直流电平值都将保持稳定，不会随输入信号变化，保持信号的稳定输出。以达到在前导码阶段，快速收敛稳定；在数据码变频信号阶段，超长的稳定时间，实现信号传输的低抖动，低直流漂移的效果。
本技术可应用在EPON/GPON/10G-PON/NG-PON等多种突发接收模式的光通信系统中，作为突发接收跨阻放大器，起到将突发的光电流信号转化并放大为电压信号，快速调整跨阻以适应输入信号功率，避免出现严重的脉宽失真而导致误码。电路结构新颖、简洁，可靠性高。
附图说明
图1为现有技术中基于检测交流输出幅度的AGC原理结构
图2为现有技术中基于检测输出直流电平的AGC原理结构
图3为典型的PON突发数据包结构
图4为现有技术中利用二极管钳幅AGC的结构；
图5为典型单端转差分电路结构
图6为典型单端转差分电路结构
图7为本发明优选实施例中跨阻放大器的电路图。
图8为本发明优选实施例中开关S的电路图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
参考图7，一种带复位信号的突发跨阻放大器，输入光电流信号从正向放大器-A的输入端与反馈电阻RF的结合点输入，NMOS管N0与反馈电阻RF并联；
正向放大器-A的输出信号分成两路，一路直接输入到差分电压放大器Diff Amp的反相输入端；另一路经过串联电阻RS和RL后，输入到差分电压放大器Diff Amp及运放OP的反相输入端；
信号经过差分电压放大器放大后，变为差分信号OUTP/OUTN并输出到片外；
开关S与电阻RL并联，并受复位信号RESET控制；
反馈运放OP的正向输入端接入一固定的参考电压VREF，反馈运放OP的输出端及反相输入端并接一个补偿电容CC，使得ACG反馈环路及单端转差分节点的稳定时间常数为：
τ＝(RS+RL)*AOP*CC
其中AOP为反馈运放OP的直流电压增益；
在前导码阶段，开关s闭合，在数据段，开关s断开。
因此，通过引入开关，控制RL值，就可以实现对时间常数的控制。可以将RS设计得较小，RL较大值，实现在前导码阶段时间常数短，快速稳定；在数据段时间常数长，保持信号输出的低抖动。
开关S的实现方式有很多种，本实施例中，参考图8，所述开关S包括Nmos管N0和Pmos管PO；其中N0的漏极和P0的源极相连并连接至电阻RS和RL的同名端；NO的源极和PO的漏极相连并连接至电阻RL的另一端；N0和P0的栅极分别与所述正向复位信号RESET S及反向复位信号Sb连接。
下面通过一个实例对本实施例的工作状态进行说明：
输入信号源为2个突发包，第一个为电流强度为400uApp，第二个为130uApp，前导码长度为25ns，码型为0101信号，数据段长度为100ns，码型为随机码，整个突发包长度为125ns，包间安全间隙为50ns。片外复位信号(RESET绿色)高电平有效复位，脉宽宽度25ns，与突发包同步。
当本实施例的跨阻放大器接收到突发包输入信号及同步的复位信号后，复位开关S导通，AGC环路及单端转差分节点切换到低时间常数，快速收敛稳定模式，AGC环路开始快速工作，在前导码占空比50％的0101码型阶段，AGC控制电压迅速稳定到最终的稳定值，核心跨阻放大器的输出信号也迅速收敛到稳定状态，单端转差分节点抽取出来的直流电平值也迅速收敛到正确的稳定值；当前导码阶段结束，复位脉冲跳变到低电平状态后，AGC环路及单端转差分节点切换到长时间常数模式，低频截止频率低于100KHz，AGC控制电压、直流电平值都将保持稳定，不会随输入信号变化，保持信号的稳定输出，直至下一个突发包及复位脉冲的到来。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。
Claims (3)
1.一种带复位信号的突发跨阻放大器，其特征在于：输入光电流信号从正向放大器-A的输入端与反馈电阻RF的结合点输入，NMOS管N0与反馈电阻RF并联；
正向放大器-A的输出信号分成两路，一路直接输入到差分电压放大器Diff Amp的反相输入端；另一路经过串联电阻RS和RL后，输入到差分电压放大器Diff Amp及运放OP的反相输入端；
信号经过差分电压放大器放大后，变为差分信号OUTP/OUTN并输出到片外；
开关S与电阻RL并联，并受复位信号RESET控制；
反馈运放OP的正向输入端接入一固定的参考电压VREF，反馈运放OP的输出端及反相输入端并接一个补偿电容CC，使得AGC反馈环路及单端转差分节点的稳定时间常数为：
τ＝(RS+RL)*AOP*CC
其中AOP为反馈运放OP的直流电压增益；
在前导码阶段，开关s闭合，在数据段，开关s断开。
2.根据权利要求1所述一种带复位信号的突发跨阻放大器，其特征在于：所述电阻RS的阻值小于RL的阻值。
3.根据权利要求1所述一种带复位信号的突发跨阻放大器，其特征在于：所述开关S包括NMOS管N0和PMOS管PO；其中N0的漏极和P0的源极相连并连接至电阻RS和RL的同名端；NO的源极和PO的漏极相连并连接至电阻RL的另一端；N0和P0的栅极分别与所述正向复位信号RESET S及反向复位信号Sb连接。
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