CN110417480B - 基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，所述驱动电路包括：输入缓冲级，用于提供输入阻抗匹配；延迟单元，以多级级联的形式实现，且引入可变电容，提供延时；延迟单元、主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿共同构成的3抽头前馈均衡用于补偿信号的高频损耗；VCSEL驱动电路，将得到的信号进行叠加，由数模转换器提供调制尾电流和偏置电流。本发明在保证光纤通信误码率一定的前提下，进一步提升光发射机的传输速率，补偿信号的高频损耗，提升发射电路带宽。

Description

基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路
技术领域
本发明涉及高速光纤通信领域，尤其涉及一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路。
背景技术
随着通信技术的快速发展，信息时代逐步演变为大数据时代，人工智能技术展现出优异的应用前景，无线传感网络的普及也越来越广泛。随着应用的不断推广和普及，人们对通信网络数据容量和速率的要求越来越高。国际半导体技术路线图指出：由于信息产生和传输量雪崩式地增加，现有电互连的性能己经不能满足芯片性能的増长速度和通信系统发展的要求，大数据通信需要新的互连方式来寻求进一步的突破。
相比于电互连，光互连具有带宽髙、功耗低、抗干扰能力强等诸多优点。使用光纤通信技术，可以有效突破目前传输速率的瓶颈，所以近年来光互连得以飞速发展。光互连系统的发射端使用电信号调制的激光器作为发射源，以光强的变化承载信息，实现信息传输和交换。因为光发射机芯片负责将电信号调制成激光器发送的光信号，故其性能直接影响数据传输的质量和速率。因此，光发射机芯片的设计有着十分重要的意义。
随着技术的不断发展，对发射机传输速率的要求持续提升，然而电路基础带宽却十分有限。传输速率越高，信号的高频损耗也越严重，误码率也越大。为了解决这一问题，研究人员提出了各种预加重技术。其中，前馈均衡(Feedforward Equalization,FFE)预加重技术具有较为突出的优势：首先，由于其电路拓扑无需电感设计，可以大大节省芯片面积；其次，由于其只对高频信号进行补偿，而低频信号不受影响，故均衡效果比常规滤波技术更好。鉴于上述原因，前馈均衡技术已逐渐发展成为垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)光发射机预加重技术的新选择之一。
近年来，国内外在预加重技术的研究上取得了较大突破。例如，美国南卫理公会大学采用了源级退化和峰化电感结合的预加重技术，实现了4×10Gb/s的VCSEL驱动阵列[1]，但电感的引入使得芯片面积过大；复旦大学和中科院使用时间连续性均衡、负电容补偿、峰化电感以及前馈均衡技术，设计出了25Gb/s的DFB驱动电路[2]，但前馈均衡预加重只有2抽头，均衡效果不甚理想，且电路中使用无源电感，芯片占用面积大。
参考文献：
[1]D.Guo,et al.Developments of two 4×10Gb/s VCSEL array drivers in65nm CMOS for HEP
experiments.TopicalWorkshop onElectronics for Particle Physics,26–30September 2016.
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发明内容
本发明提供了一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，本发明在保证光纤通信误码率一定的前提下，进一步提升光发射机的传输速率，补偿信号的高频损耗，提升发射电路带宽，详见下文描述：
一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，所述驱动电路包括：
输入缓冲级，用于提供输入阻抗匹配；
进一步地，所述输入缓冲级连接一个三级级联的、差分共源结构的放大器，为电路提供增益。
延迟单元，以多级级联的形式实现，且引入可变电容，提供延时；
延迟单元、主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿共同构成的3抽头前馈均衡用于补偿信号的高频损耗；
进一步地，所述主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿的电路均采用差分共源放大器拓扑结构。
VCSEL驱动电路，将得到的信号进行叠加，由数模转换器提供调制尾电流和偏置电流。
其中，所述驱动电路还包括：设计对工艺角不敏感的电流镜，使驱动电路的工作更稳定。
其中，所述电流镜为：
由M0与M1、M0与M4、M0与M7分别构成三个电流镜，分别把调制电流Imod镜像成三个放大器的尾电流。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明引入基于前馈均衡技术的预加重来补偿发射信号的高频损耗，且使用了由1路主放大、1路正补偿、1路负补偿构成的3路补偿技术，比传统的2路补偿更精确，因而提升了电路带宽，优化了信号传输质量；
2、本发明利用数模转换器(DAC)为电路提供精确的偏置电流和调制电流，且设计了对工艺角不敏感的电流镜结构，提升了驱动电路在不同工艺角下的运行稳定性；
3、本发明所设计芯片的传输速率高，受环境变化影响小，更适合特殊环境和恶劣环境的应用。
综上所述，本发明提出的基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路具有良好的应用前景。
附图说明
图1为3抽头前馈均衡技术(FFE)的预加重示意图；
图2为对工艺角不敏感的电流镜电路图；
图3为一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路的结构图；
图4为差分输入缓冲电路图；
图5为延迟单元电路图；
图6为对工艺角不敏感的VCSEL驱动电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提出的基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路包括：
一个输入缓冲级，提供输入阻抗匹配；
一个三级放大器，提供足够的电路增益；
一个基于前馈均衡技术(FFE)的均衡器，该均衡器由三路信号放大器和两个延迟单元共同构成，预补偿发射信号的高频损失；
一个驱动电路，用于将均衡信号叠加，得到补偿后的调制电流信号，同时提供偏置电流信号。
由于制造工艺偏差以及环境变化，电路的整体性能会随着工艺角的变化而产生偏移。
为了克服这一问题，本发明实施例引入了对工艺角不敏感的电流镜结构，更好的适应了由于工艺误差向SS工艺角或FF工艺角的偏移，使数模转换器(DAC)的电流可以精确地提供给电路，用作调制电流和偏置电流。
前馈均衡技术(FFE)采用3路信号叠加，即整体信号由主放大信号、正补偿信号和负补偿信号叠加形成，最终获得高频分量增强、低频分量不变的均衡信号，实现对信号高频损耗的精确补偿。
实施例2
在光发射机领域，垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有垂直表面发射、阈值电流低，以及成本低等优良特性，目前已成为光发射机领域的首选光源。因此，本发明实施例中的光发射机驱动电路采用VCSEL激光器作为发射光源。
由于趋肤效应、介质损耗等非理想因素，高频信号在传输过程中会产生畸变。由于常规传输媒质具有低通特性，所以传输到接收端的信号高频分量将严重衰减，这会影响信号判决，造成误码率。而预加重技术的基本思想就是在发送端对信号的高频损耗进行预补偿，使接收端最终获得的高频分量和低频分量保持相对平衡。
基于前馈均衡技术(FFE)的预加重原理为：在信号发射端增加信号上升、下降斜率(即增加高频能量)，且幅值高于正常的发射幅值，以补偿高频分量在传输过程中的较大衰减，实现传输速率的提升。图1所示为3抽头前馈均衡技术(FFE)的预加重示意图，主信号为放大后的原始信号，正信号补偿为经过一个延时的信号，大小为6dB，负信号补偿为经过两个延时的信号，大小为-6dB，经过三路叠加后，就可以得到高频分量增强、低频分量不变的传输信号，使电路的整体带宽得到提升。
在实际情况下，由于制造工艺偏差以及环境变化，电路的整体性能会随着工艺角的变化而产生偏移。为了克服这一问题，本发明实施例引入了对工艺角不敏感的电流镜设计，为电路提供精确的偏置电流和调制电流。图2所示为对工艺角不敏感的电流镜电路图。
当工艺偏向慢NFET和慢PFET(ss)工艺角时，M1的漏极电压会降低，导致镜像不精确。但在M0的漏极加入电阻R后，其阻值在慢NFET和慢PFET(ss)工艺角时会变大，引入额外压降，使得M0漏极电位降低。只要合理设置电阻值，仍可保证M0和M1处于相同的工作状态，从而减小镜像误差。同理，当工艺角偏向快NFET和快PFET(ff)工艺角时，M1的漏极电压会升高，而同时电阻值减小，故M0漏极电位升高，镜像误差也会减小。
基于上述设计思想，本发明实施例提出了一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路。图3为基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路结构图。该驱动电路主要包括：输入缓冲级、三级放大器、延迟单元、主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿、VCSEL驱动电路。
其中，输入缓冲级主要提供50Ω的输入阻抗匹配；延迟单元以多级级联的形式实现，且引入了可变电容，提供精确延时；由延迟单元、主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿共同构成的3抽头前馈均衡(FFE)用于补偿信号的高频损耗；VCSEL驱动电路将得到的信号进行叠加，由数模转换器(DAC)提供精确的调制尾电流和偏置电流，同时设计了对工艺角不敏感的电流镜，使驱动电路的工作更稳定。
图4为输入缓冲级电路图。其中Vi+和Vi-为输入信号，M1a和M1b为共源级放大器的差分的跨导输入管，M0为尾电流管，VB为M0管提供栅极偏压，RD为跨阻负载。因输入信号一般为复接电路的输出，或者直接由信号源提供，其输出阻抗一般为50Ω。
因此，本发明实施例的输入缓冲级的输入阻抗设计为50Ω，以实现阻抗匹配，减少由于反射等造成的信号劣化。输入缓冲级之后连接一个三级级联的、差分共源结构的放大器，为电路提供足够高的增益，使信号具有足够大的摆幅。
为了实现预加重，需要采用延时单元对原始信号进行处理。为高速信号提供延时，延时的精度对补偿效果至关重要，而电阻、电容随工艺角和寄生效应会发生很大的变化，所以本设计中采用可变电容实现对延时的精确调节。图5为延迟单元电路。其中，Vi+和Vi-为输入信号，M1a和M1b为共源级放大器的差分的跨导输入管，M0为尾电流管，VB为M0管提供栅极偏压，RD为跨阻负载。压控可变电容Ct的一端接共源级放大器的输出端，另一端连在一起，通过外部控制电压Vc精确调节电容值。RD与Vc形成RC网络，得到弛豫延时。
在实际设计中，使用3级级联的方式可实现合适的所需延时，并与分成三路的信号放大器形成3抽头前馈均衡预加重的整体设计，本设计中的主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿的电路均采用差分共源放大器拓扑结构。
图6所示为对工艺角不敏感的VCSEL驱动电路图。调制电流Imod由数模转换器(DAC)提供，并采用对工艺角不敏感的电流镜，由M0与M1、M0与M4、M0与M7分别构成三个电流镜，分别把调制电流Imod镜像成三个放大器的尾电流。Vi+和Vi-为主信号输入，经M2、M3管调制放大，在右支路得到调制后的主信号电流信号；Vp1+和Vp1-为正信号补偿输入，经M5、M6管调制放大，在右支路得到调制后的正信号补偿电流信号；Vp2+和Vp2-为负信号补偿输入，经M8、M9管调制放大，在右支路得到调制后的负信号补偿电流信号；经过调制的信号在输出节点X叠加，得到整体的补偿后的传输信号。三个放大器左支路共用一个负载电阻R；同时，偏置电流Ibias也由数模转换器(DAC)提供，同样采用对工艺角不敏感的电流镜，由M12、M13镜像为VCSEL激光器所需的偏置电流，并加入M10晶体管进行高压保护，避免驱动电路和偏置电路中的MOS管发生击穿。经过补偿的调制电流和偏置电流在输出节点X叠加，共同为共阳极的VCSEL提供工作电流。整体电路采用差分输入、单端输出结构。
综上所述，本发明实施例提出的基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，可以有效补偿高频信号衰减，提升信号传输速率；同时满足对工艺角的不敏感，整体性能更加稳定。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：
输入缓冲级，用于提供输入阻抗匹配；
延迟单元，以多级级联的形式实现，且引入可变电容，提供延时；
延迟单元、主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿共同构成的3抽头前馈均衡用于补偿信号的高频损耗；
VCSEL驱动电路，将得到的信号进行叠加，由数模转换器提供调制尾电流和偏置电流；
所述驱动电路还包括：设计对工艺角不敏感的电流镜，使驱动电路的工作更稳定；
所述输入缓冲级连接一个三级级联的、差分共源结构的放大器，为电路提供增益；
所述电流镜为：
由M0与M1、M0与M4、M0与M7分别构成三个电流镜，分别把调制电流Imod镜像成三个放大器的尾电流；
当工艺偏向慢NFET和慢PFET(ss)工艺角时，M1的漏极电压会降低，导致镜像不精确；但在M0的漏极加入电阻R后，其阻值在慢NFET和慢PFET(ss)工艺角时会变大，引入额外压降，使得M0漏极电位降低；设置电阻值，可保证M0和M1处于相同的工作状态，从而减小镜像误差；同理，当工艺角偏向快NFET和快PFET(ff)工艺角时，M1的漏极电压会升高，而同时电阻值减小，故M0漏极电位升高，镜像误差也会减小。
2.根据权利要求1所述的一种基于3抽头前馈均衡预加重的光发射机驱动电路，其特征在于，所述主信号放大器、正信号补偿、负信号补偿的电路均采用差分共源放大器拓扑结构。
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