CN110212869A - 在光接收机中使用的tia的过载电流校正方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光通信技术领域中的一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法和电路。方法的步骤包括：获取伪差分跨阻放大电路输出的两路交流电压信号；通过输出的两路交流电压信号得到电流过载信号值；将电流过载信号值与预设的参考电压值作比较，当电流过载信号值大于预设的参考电压值时，将伪差分跨阻放大电路的一个输入端的电流部分分流到另一个输入端。本发明的有益效果是，在高速电路和系统中，将伪差分TIA交流电流分流到虚拟GND点，而不是物理的GND点，减少了电路中的元器件，降低了电路元器件布局的难度；保持了TIA的稳定，并保持TIA带宽不变；从虚拟GND的角度将MOS器件的并联电容减半，从而降低寄生电容。

Description

在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法和电路
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法和电路。
背景技术
在现有光通信技术中，光发射机采用DP-QPSK、QAM等方式对光信号进行调制，光接收机接收到光信号后，将光信号进行解调，获取通信信息，跨阻放大器(TIA)作为光接收机前端的一个关键组成部分，近年来成为研究的重点，其作用是将从光电探测器输出的电流转换为电压，并进行放大。在进行跨阻放大器设计时，需要有尽可能小的输入电流噪声；可以与数据传输速度相匹配的带宽和足够大的增益。专利《一种跨阻放大器》(公开号CN106656061A)公开了一种伪差分跨阻放大器，其输入端输入光电流信号，其输出端为分别输出正极电压信号和负极电压信号，负电容两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，负电阻两端分别连接伪差分跨阻放大器的两个输出端，提高了放大器的增益和带宽，进而有效的提高了跨阻放大器的噪声性能。
在长距离的地铁100G-600G光信号的传输中，采用上述伪差分跨阻放大器遇到的问题在于，伪差分跨阻放大器输入端的光电流信号有电流过载的情况。
现有技术中，为了防止输入电流过载，采用在TIA的反馈电阻上并联MOSFET晶体管的方式(如图2所示)或者在TIA输入端并联MOSFET晶体管的方式(如图3所示)来实现过载电流的分流。然而，在差分TIA电路(如图4所示)和伪差分TIA电路(如图5所示)结构中，由于器件的增加，如果直接采用上述方式来防止输入电流过载，会造成电路设计复杂，功耗增加等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术中所存在的上述不足，基于伪差分放大电路，提供一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法和电路。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种光接收机中TIA的过载电流校正方法，步骤包括：
获取伪差分跨阻放大电路输出的两路极性相反的交流电压信号；
通过输出的两路极性相反的交流电压信号得到电流过载信号值；
将电流过载信号值与预设的参考电压值作比较，当电流过载信号值大于预设的参考电压值时，将伪差分跨阻放大电路的一个输入端的电流分流到另一个输入端。
控制跨接在伪差分跨阻放大电路两个输入端之间的MOSFET晶体管的导通，当MOSFET晶体管导通时，MOSFET晶体管实现了伪差分跨阻放大电路的一个输入端的电流至少部分分流到另一个输入端。
电流过载信号值为峰值差分参数，峰值差分参数获取方式为：得到伪差分跨阻放大电路输出的正极电压信号的正极峰值和负极电压信号的负极峰值；将正极峰值和负极峰值相减，得到峰值差分参数。
峰值差分参数与预设的参考电压值作比较，当峰值差分参数大于预设的参考电压值时，输出第一控制电压到MOSFET晶体管的栅极，开启MOSFET晶体管，若峰值差分参数小于参考电压值，输出第二控制电压到MOSFET晶体管的栅极，关闭MOSFET晶体管。
峰值差分参数与预设的参考电压值作比较采用差分峰值检测器和比较器实现，
差分峰值检测器输入伪差分跨阻放大电路的输出正极电压信号和输出负极电压信号，输出正极峰值和负极峰值的差值，得到峰值差分参数，峰值差分参数与预先设定的参考电压值通过比较器进行比较，若峰值差分参数大于等于参考电压值，输出第一控制电压到MOSFET晶体管的栅极，开启MOSFET晶体管，若峰值差分参数小于参考电压值，输出第二控制电压到MOSFET晶体管的栅极，关闭MOSFET晶体管。
一种光接收机TIA的过载电流校正电路，包括并联的第一差分支路和第二差分支路，第一差分支路包括第一光电检测器、第一放大器、第一反馈电阻RF1，第一光电检测器与第一放大器串联，第一反馈电阻RF1跨接于第一放大器的输入端和输出端，第二差分支路包括第二光电检测器、第二放大器、第二反馈电阻RF2，第二光电检测器与第二放大器串联，第二反馈电阻RF2跨接于第二放大器的输入端和输出端，还包括MOSFET晶体管、电容、比较器和差分峰值检测器，
差分峰值检测器的两个输入端分别与第一差分支路、第二差分支路的输出端连接，差分峰值检测器的输出端与比较器的一个输入端连接；
比较器的一个输入端与差分峰值检测器的输出端连接，另一个输入端输入参考电压，比较器将差分峰值检测器输出的电压参数值与参考电压进行比较，输出控制信号到MOSFET晶体管的栅极；
MOSFET晶体管的栅极与比较器的输出连接，漏极与第一差分支路中第一放大器的输入端连接，源极与第二差分支路中第二放大器的输入端连接；
电容一端与MOSFET晶体管的栅极连接，另一端接地。
第一放大器或第二放大器跨阻增益的计算公式为：
其中，RT是跨阻增益，A0是放大器1或放大器2的开环增益，RF是反馈电阻，rON是MOSFET晶体管的导通电阻。
光接收组件、光接收机或光通信系统中包含了采用上述任一方案中的一种光接收机中TIA的过载电流校正方法的电路。
光接收组件、光接收机或光通信系统中包含了上述任一方案中的一种光接收机中TIA的过载电流校正电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、在高速电路和系统中，创建物理GND节点或地面需要大量的VIA(过孔)和大型旁路电容器，本发明的过载电路将差动交流电流分流到虚拟GND点，而不是物理的GND点，减少了电路中的元器件，降低了电路元器件布局的难度。
2、本发明能保持TIA稳定，并保持TIA带宽不变。当MOSFET晶体管的导通电阻rON减小时，放大器的开环增益以相同的幅度减小，相位裕度保持不变，TIA达到稳定。
3、从虚拟GND的角度将MOS器件的并联电容减半，从而降低寄生电容。
附图说明：
图1为本发明一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正电路图；
图2为在TIA的反馈电阻上并联MOSFET晶体管的过载分流电路图；
图3为TIA输入端并联MOSFET晶体管的过载分流电路图；
图4为差分TIA电路图；
图5为伪差分TIA电路图；
图6为实施例1中在三极管区域中工作的MOSFET晶体管RC-T型网络等效图；
图7为实施例1中在三极管区域中工作的MOSFET晶体管的PI模型图；
图8为实施例1中PI模型简化图；
图9为实施例1中PI模型简化图的工作原理等效电路图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种用于100-600G光接收器跨阻放大器的过载电流校正方法的步骤包括：
通过差分峰值检测器，分别采集伪差分跨阻放大电路两个输出端的电压值，输出的两路电压值分别为正极电压信号和负极电压信号。
差分峰值检测器保存了正极电压信号的正极峰值和负极电压信号的负极峰值，并将正极峰值和负极峰值作差，输出峰值差分参数；
通过比较器将峰值差分参数与参考电压进行比较，若峰值差分参数大于等于参考电压，输出第一控制电压到MOSFET晶体管的栅极，开启MOSFET晶体管，若峰值差分参数小于参考电压，输出第二控制电压到MOSFET晶体管的栅极，其中，第一控制电压大于MOSFET晶体管的导通电压，第二控制电压小于MOSFET晶体管的导通电压；
当MOSFET晶体管导通时，MOSFET晶体管实现了伪差分跨阻放大电路两个输入端过载电流的分流。
一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正电路图如图1所示，该电路主要是应用于100-600G光接收器的TIA中，电路包括并联的第一差分支路和第二差分支路，第一差分支路中包括光电检测器1、放大器1和反馈电阻RF1，其中，光电检测器1、放大器1串联，反馈电阻RF1跨接于放大器1的输入端和输出端，第二差分支路包括光电检测器2、放大器2、反馈电阻RF2，光电检测器2与放大器2串联，反馈电阻RF2跨接于放大器1的输入端和输出端。还包括MOSFET晶体管、电容、比较器和差分峰值检测器，差分峰值检测器的两个输入端分别与第一差分支路、第二差分支路的输出端连接，差分峰值检测器的输出端与比较器的一个输入端连接；比较器的一个输入端与差分峰值检测器的输出端连接，另一个输入端输入参考电压，比较器的输出与MOSFET晶体管的栅极连接；MOSFET晶体管的栅极与比较器的输出连接，漏极与第一差分支路中放大器1的输入端连接，源极与第二差分支路中放大器2的输入端连接；电容一端与MOSFET晶体管的栅极连接，另一端接地。
本发明的过载电流消除电路没有分别使用单独的MOSFET晶体管在伪差分TIA的两个输入端分流过载电流，而是将工作在三极管区域中的单个MOSFET晶体管作为可变电阻来调节伪差分TIA分路中的过载电流。单个MOSFET晶体管的漏极和源极分别连接到差分TIA的两个输入端，当输入的光信号增大时，伪差分TIA输出的两路电压均增大，跨接在伪差分TIA两个输出端的差分峰值检测器对两路电压峰值作差，输出差值即电压参数值，该电压参数值与参考电压在比较器中进行比较，当电压参数值大于参考电压时，比较器输出控制电压(VSHNT)到MOSFET晶体管的栅极，使得MOSFET晶体管导通。因为伪差分TIA输入具有相同的共模电压，所以MOSFET晶体管的漏极和源极电压相等，因此，MOSFET晶体管漏极到源极电压VDS约为0V，跨接在差分TIA两个输入端的MOSFET晶体管作为可变MOS电阻器工作在三极管区域中。通过调整控制电压VSHNT，使得MOSFET晶体管的漏极-源极电压(VDS)保持为约等于0V。在三极管区域中工作的MOSFET晶体管等效为RC的T型网络，如图6所示。
将在三极管区域中工作的MOSFET晶体管等效为RC的T型网络的原理如下：
通常，在三极管区域中工作的MOSFET晶体管可以用PI模型来描述，如图7所示，rON是MOSFET晶体管的导通电阻，计算公式为：
其中，VGS是栅极-源极电压，VTH是阈值电压，VDS是近似等于0V的小信号漏极-源极电压，COX是栅极氧化电容，μ是载流子迁移率。
在三极管区域中，MOSFET晶体管充电载流子均匀分布在导电沟道中。因此，假设MOSFET晶体管的栅极-漏极电容(CGD)和栅极-源极电容(CGS)相等并且由公式(2)计算得出：
其中，COV为寄生重叠电容，COX为栅极氧化电容，W和L分别为MOSFET晶体管的宽度和长度。
等效网络中电流源的电流输出为gm×Vgs，其中跨导gm的计算公式为：
由于MOSFET晶体管漏极和源极之间的电压降VDS近似为0，gm×Vgs≈0，因此，跨导gm近似为0，等效网络中电流源近似为0，可以忽略不计，PI模型可以简化为RC的T网络结构，如图8所示。由于伪差分TIA输入端为大小相等极性相反的两个差分电流信号IiP和IiN，所以，MOSFET晶体管漏极D电压信号为+Ve，源极S极电压信号为-Ve，由于+Ve和-Ve分别为电压值相等，极性相反的交流信号，所以MOSFET晶体管的导通电阻rON可以近似的被看成被均分为两个rON/2电阻，两个rON/2电阻的中点VGND相对于+Ve和-Ve为虚拟的地，等效的电路图如图9所示。伪差分输入的两路过载交流电流等效为分流到中点VGND并通过2C1接地，保持“零”共模(或直流)电流通过MOSFET晶体管的两个rON/2电阻。因此，MOSFET晶体管只分流差动交流电流，而不干扰伪差分TIA输入端的共模电压。对于大的光输入信号，AGC环路(即电容、比较器和差分峰值检测器形成的如图1所示的自动控制增益电路)使得MOSFET晶体管导通，将影响伪差分TIA的跨阻增益(RT)，基于公式(2)，可以看出，MOSFET晶体管栅极端控制电压VSHNT增大，将使导通电阻rON更小，因此，TIA的跨阻增益RT的计算公式为：
其中，rON是并联MOSFET晶体管的导通电阻，A0是放大器的增益，RF是反馈电阻值。

Claims (9)

1.一种光接收机中TIA的过载电流校正方法，其特征在于，步骤包括：
获取伪差分跨阻放大电路输出的两路极性相反的交流电压信号；
通过所述输出的两路极性相反的交流电压信号得到电流过载信号值；
将所述电流过载信号值与预设的参考电压值作比较，当所述电流过载信号值大于预设的参考电压值时，将所述伪差分跨阻放大电路的一个输入端的电流部分分流到另一个输入端。
2.如权利要求1所述的在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法，其特征在于，控制跨接在所述伪差分跨阻放大电路两个输入端之间的MOSFET晶体管的导通，当所述MOSFET晶体管导通时，所述MOSFET晶体管实现了所述伪差分跨阻放大电路的一个输入端的电流至少部分分流到另一个输入端。
3.如权利要求1或2所述的在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法，其特征在于，所述电流过载信号值为峰值差分参数，所述峰值差分参数获取方式为：得到伪差分跨阻放大电路输出的正极电压信号的正极峰值和负极电压信号的负极峰值；将所述正极峰值和负极峰值相减，得到峰值差分参数。
4.如权利要求3所述的在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法，其特征在于，所述峰值差分参数与预设的参考电压值作比较，当所述峰值差分参数大于所述预设的参考电压值时，输出第一控制电压到MOSFET晶体管的栅极，开启MOSFET晶体管，若所述峰值差分参数小于所述参考电压值，输出第二控制电压到MOSFET晶体管的栅极，关闭MOSFET晶体管。
5.如权利要求4所述的在光接收机中使用的TIA的过载电流校正方法，其特征在于，所述峰值差分参数与预设的参考电压值作比较采用差分峰值检测器和比较器实现，
所述差分峰值检测器输入所述伪差分跨阻放大电路的输出正极电压信号和输出负极电压信号，输出所述正极峰值和负极峰值的差值，得到峰值差分参数，所述峰值差分参数与预先设定的参考电压值通过比较器进行比较，若所述峰值差分参数大于等于参考电压值，输出第一控制电压到MOSFET晶体管的栅极，开启MOSFET晶体管，若所述峰值差分参数小于所述参考电压值，输出第二控制电压到MOSFET晶体管的栅极，关闭MOSFET晶体管。
6.一种光接收机TIA的过载电流校正电路，包括并联的第一差分支路和第二差分支路，第一差分支路包括第一光电检测器、第一放大器、第一反馈电阻RF1，所述第一光电检测器与第一放大器串联，所述第一反馈电阻RF1跨接于第一放大器的输入端和输出端，所述第二差分支路包括第二光电检测器、第二放大器、第二反馈电阻RF2，所述第二光电检测器与第二放大器串联，所述第二反馈电阻RF2跨接于第二放大器的输入端和输出端，其特征在于，还包括MOSFET晶体管、电容、比较器和差分峰值检测器，
所述差分峰值检测器的两个输入端分别与第一差分支路、第二差分支路的输出端连接，所述差分峰值检测器的输出端与比较器的一个输入端连接；
所述比较器的一个输入端与所述差分峰值检测器的输出端连接，另一个输入端输入参考电压，所述比较器将所述差分峰值检测器输出的电压参数值与所述参考电压进行比较，输出控制信号到所述MOSFET晶体管的栅极；
所述MOSFET晶体管的栅极与比较器的输出连接，漏极与第一差分支路中第一放大器的输入端连接，源极与第二差分支路中第二放大器的输入端连接；
所述电容一端与所述MOSFET晶体管的栅极连接，另一端接地。
7.如权利要求6所述的一种在光接收机中使用的TIA的过载电流校正电路，其特征在于，所述第一放大器或第二放大器跨阻增益的计算公式为：
其中，RT是跨阻增益，A0是放大器1或放大器2的开环增益，RF是反馈电阻，rON是MOSFET晶体管的导通电阻。
8.光接收组件、光接收机或光通信系统中包含了采用如权利要求1-3任一所述的一种光接收机中TIA的过载电流校正方法的电路。
9.光接收组件、光接收机或光通信系统中包含了如权利要求4-5任一所述的一种光接收机中TIA的过载电流校正电路。
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