CN110445551A - 具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块，使用具有有源电流镜结构的差动对检测差分输入端的电压差，当输入端存在电压差时，输出一个电流信号，再由电流镜传递给峰值存储电容为其充电；在峰值存储电容两端并联一个放电MOS管，当放电MOS管的漏端电压达到阈值时实现复位功能；在输出电压调控电阻两端并联一个降阻MOS管，当降阻MOS管导通时支路电阻值减小，输出电压降低，扩展了增益自动控制的输入电流范围。

Description

具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块
技术领域
本发明涉及光通信、光互连及可见光通信领域，尤其涉及一种可以自动调节25Gb/s光接收机增益并具有复位功能的自动增益控制模块。
背景技术
随着无人驾驶、远程医疗、大数据、云计算等领域的飞速发展，5G技术正一步步渗透到人们的实际生活中，一个万物互联的时代即将到来。绝大多数的应用场景都对新一代移动通信技术提出了高速率、低延时和广连接的要求，也为光通信及光互连领域带来了新的挑战。光接收机作为数据传输的中转站/终端，需实现光纤通路中光电信号的相互转换，是提升通信质量的重要一环。然而，受激光器功率、中间传输损耗、探测器转化效率等因素的影响，光接收机模拟前端电路接收到的电流信号会产生一定的起伏，使得输出摆幅出现波动。为了应对这种波动，需在电路中引入自动增益控制模块，在输入信号发生变化时，将输出摆幅锁定在一个小的范围内，为后级电路提供一个稳定的输入。
目前，研究人员为增益自动可控光接收机提出的解决方案主要分为两类：一是通过数字电路实现对增益的自动控制，例如王德刚等人申请的名为“一种接收机自动增益控制方法及系统”的专利(公开号：CN105656496A)；二是利用模拟电路中的直流偏移消除电路结合增益调控电路来实现增益自动控制功能，例如莫太山等人申请的名为“一种低噪声跨阻放大器及其光接收机前置放大器”的专利(公开号：CN204046530U)。利用模拟电路实现自动增益控制功能的方案大多利用直流偏移消除电路的峰值检测功能来为自动增益控制模块提供峰值电压，而缺少电容放电复位的功能，这种方式的缺陷在于需选取十分精确的电容值来使得两次采样时间具有较大的间隔，会严重影响直流偏移消除的效果，使得整体电路的直流工作点不稳定。
发明内容
本发明提供了一种具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块，本发明采用具有复位功能的峰值检测电路和增益调控电路一起组成自动增益控制模块，本发明在输出电压控制电阻两端并联了MOS管结构，并引入了分流三极管，来扩展可实现增益自动控制的输入电流范围，详见下文描述：
一种具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块，使用具有有源电流镜结构的差动对检测差分输入端的电压差，当输入端存在电压差时，输出一个电流信号，再由电流镜传递给峰值存储电容为其充电；在峰值存储电容两端并联一个放电MOS管，当放电MOS管的漏端电压达到阈值时实现复位功能；
在输出电压调控电阻两端并联一个降阻MOS管，当降阻MOS管导通时支路电阻值减小，输出电压降低，扩展了增益自动控制的输入电流范围。
其中，所述自动增益控制模块包括：
MOS管Mn1的栅极为信号的输入端，MOS管Mp1的漏极与MOS管Mn1的漏极及MOS管Mp3的栅极、漏极还有MOS管Mp4的栅极相连，MOS管Mp2的漏极与MOS管Mn2的漏极相连，MOS管Mn1的源极与MOS管Mn2的源极及MOS管Mn3的漏极相连，MOS管Mn3的栅极接中间电平Vb，MOS管Mp1的栅极与MOS管Mp2的栅极、漏极相连，MOS管Mp4的漏极与MOS管Mn5的栅极及MOS管Mn4的漏极相连，MOS管Mn4的栅极接中间电平Vbp，MOS管Mn5的漏极与MOS管Mp5的栅极、漏极和MOS管Mp6的栅极相连，MOS管Mp6的漏极与MOS管Mn6的栅极、漏极和三极管Q1的集电极相连，MOS管Mn6的源极和漏极并联在电阻R2的两端，三极管Q1的基极与电阻R3的一端相连，MOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的源极接电源点平，MOS管Mn3、Mn4的源极及三极管Q1的发射极接地。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、通过自主设计的光接收机前端模拟电路对自动增益控制模块功能进行了验证，前端模拟电路包括跨阻放大器、两级增益放大器、输出缓冲级、直流偏移消除模块和自动增益控制模块几部分；
2、本发明设计的自动增益控制模块具有单独的峰值检测电路，并具有复位功能，不会对直流偏移消除模块产生影响，可以保证直流偏移消除模块良好的稳定直流工作点效果的同时实现对增益的自动控制；
3、本发明设计的自动增益控制模块的增益调控电路部分引入了并联降阻MOS管和电流分流三极管结构来扩展可实现增益自动控制的输入电流范围，使得输入电流变化较大时，光接收机的输出摆幅仅在一个很小的范围内波动；
4、本发明设计的自动增益控制模块在应用于光接收机时将同时引入结构轻巧的直流偏移消除模块，使用尽可能少的器件实现功能，在保障直流偏移消除效果的同时尽量减小噪声的引入。
综上所述，本发明提出的应用于25Gb/s光接收机前端模拟电路的自动增益控制模块具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所设计通过控制管调控反馈电阻大小的电路结构原理图；
图2是本发明所设计的具有复位功能的自动增益控制模块的电路原理图；
图3是应用了本发明所设计的自动增益控制模块的完整光接收机前端模拟电路结构原理图；
图4是在25Gb/s速率下光接收机输出摆幅随输入电流变化的曲线示意图。
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
1、使用具有有源电流镜结构的差动对检测差分输入端的电压差，当输入端存在电压差时，输出一个电流信号，再由电流镜传递给峰值存储电容为其充电。
2、在峰值存储电容两端并联一个放电MOS管，当该MOS管的漏端电压达到一定值时该支路导通，迅速释放电容内存储的电荷，实现复位功能。
3、在输出电压调控电阻两端并联一个降阻MOS管，当MOS管导通时支路电阻值迅速减小，自动增益控制模块的输出电压降低，扩展了增益自动控制的输入电流范围。
4、使用三极管结构进行电流分流，减小自动增益控制模块输出端的电压变化，扩展增益自动控制的输入电流范围。
5、使用结构灵巧的直流偏移消除模块，仅采用基础结构的低通滤波器来稳定直流工作点。
实施例2
光接收机前端模拟电路的第一级跨阻放大器多采用电阻反馈型结构，其跨阻增益与反馈电阻的阻值成正相关，本发明实施例利用电阻反馈型跨阻放大器的这一特性来实现对增益的自动控制。
本发明实施例在反馈电阻的两端并联了一个NMOS管来调控反馈电阻的大小，电路结构如图1所示。正常工作状态下，MOS管的栅极电压小于开启电压，MOS管未导通，工作在截止状态下，电阻可视为无穷大，反馈电阻值近似等于Rf；当光接收机的输入电流剧增时，MOS管的栅极电压随之升高，并达到开启电压，MOS管导通，工作在三极管区，此时反馈电阻值减小，放大器的增益也随之降低。
MOS管的栅端控制电压由图2所示的自动增益控制电路提供，及本发明实施例设计的主要电路结构。MOS管Mn1的栅极微信号的输入端，MOS管Mp1的漏极与MOS管Mn1的漏极及MOS管Mp3的栅极、漏极还有MOS管Mp4的栅极相连，MOS管Mp2的漏极与MOS管Mn2的漏极相连，MOS管Mn1的源极与MOS管Mn2的源极及MOS管Mn3的漏极相连，MOS管Mn3的栅极接中间电平Vb，MOS管Mp1的栅极与MOS管Mp2的栅极、漏极相连，MOS管Mp4的漏极与MOS管Mn5的栅极及MOS管Mn4的漏极相连，MOS管Mn4的栅极接中间电平Vbp，MOS管Mn5的漏极与MOS管Mp5的栅极、漏极和MOS管Mp6的栅极相连，MOS管Mp6的漏极与MOS管Mn6的栅极、漏极和三极管Q1的集电极相连，MOS管Mn6的源极和漏极并联在电阻R2的两端，三极管Q1的基极与电阻R3的一端相连，MOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的源极接电源点平，MOS管Mn3、Mn4的源极及三极管Q1的发射极接地。
其中，实现自动增益控制的模块需要具备两个功能：一是对峰值电压的检测；二是利用检测到的峰值电压对增益进行自动控制。MOS管Mp1，Mp2，Mn1，Mn2，Mn3构成一个差动对来为峰值存储电容充电，其中Mp1，Mp2代替电阻结构形成有源电流镜。当差分输入端存在电压差时，差动对会在输出节点1产生一个电流，再由电流镜Mp3、Mp4将该电流复制到节点2为位电容充电，使得节点2保持电容存储的电压，实现峰值检测功能。同时，峰值存储电容的两端并联了一个提供放电功能的MOS管Mn4，当节点2的电压提升到一定值时，MOS管Mn4导通，是电容上存储的电荷被迅速释放，实现了复位功能。MOS管Mn5的栅端接收检测到的峰值电压产生源漏电流，再由电流镜Mp5，Mp6将该电流镜像到Vo端，与电阻R1，R2，R3产生输出电压，来控制并联在跨阻放大器反馈电阻两端的控制管的工作状态。其中，MOS管Mn6和三极管Q1用于扩展可实现增益自动控制的输入电流范围。Mn6导通时会迅速拉低电阻支路的阻值大小，三极管Q1可对控制管开启后的电阻支路进行分流，两种结构都可降低输出电压Vo的值，扩展输入的动态范围，使电路可以应对更大范围的输入信号波动。
为了验证本发明实施例所设计的自动增益控制模块的功能，本发明实施例基于IHP0.25μm SiGe BiCMOS工艺将其加入到完整的光接收机前端模拟电路中对模块功能进行了仿真。完整的光接收机模拟前端电路结构如图3所示，包括：电阻反馈型跨阻放大器(TIA)、两级Cherry-Hooper增益放大器(Amp)、fT倍频器输出缓冲级(Buffer)、直流偏移消除模块(DOC)和自动增益控制模块(AGC)。
结果的前提条件如图4所示为加入本发明设计的自动增益控制电路后光接收机在25Gb/s速率下输出电压摆幅随输入电流变化的曲线。正常工作状态下，光接收机的输入电流100μA，此时输出摆幅约为710mV。在输入电流约为130μA时控制管导通，反馈电阻阻值下降，开始进入摆幅自动调控阶段。电路可处理的极限输入电流为500μA，在100μA到500μA的范围内，输出电压摆幅围绕700mV上下波动，峰谷差值约40mV。
综上所述，本发明实施例设计的具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块可在输入电流在100μA至500μA变化的情况下将输出摆幅锁定在一个很小的波动范围内，并实现高质量、稳定的信号传输。该电路结构有望用于25Gb/s的高速、宽动态范围的光通信系统。
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)

1.一种具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块，其特征在于，
使用具有有源电流镜结构的差动对检测差分输入端的电压差，当输入端存在电压差时，输出一个电流信号，再由电流镜传递给峰值存储电容为其充电；
在峰值存储电容两端并联一个放电MOS管，当放电MOS管的漏端电压达到阈值时实现复位功能；
在输出电压调控电阻两端并联一个降阻MOS管，当降阻MOS管导通时支路电阻值减小，输出电压降低，扩展了增益自动控制的输入电流范围。
2.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的25Gb/s光接收机自动增益控制模块，其特征在于，所述自动增益控制模块包括：
MOS管Mn1的栅极为信号的输入端，MOS管Mp1的漏极与MOS管Mn1的漏极及MOS管Mp3的栅极、漏极还有MOS管Mp4的栅极相连，MOS管Mp2的漏极与MOS管Mn2的漏极相连，MOS管Mn1的源极与MOS管Mn2的源极及MOS管Mn3的漏极相连，MOS管Mn3的栅极接中间电平Vb，MOS管Mp1的栅极与MOS管Mp2的栅极、漏极相连，MOS管Mp4的漏极与MOS管Mn5的栅极及MOS管Mn4的漏极相连，MOS管Mn4的栅极接中间电平Vbp，MOS管Mn5的漏极与MOS管Mp5的栅极、漏极和MOS管Mp6的栅极相连，MOS管Mp6的漏极与MOS管Mn6的栅极、漏极和三极管Q1的集电极相连，MOS管Mn6的源极和漏极并联在电阻R2的两端，三极管Q1的基极与电阻R3的一端相连，MOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的源极接电源点平，MOS管Mn3、Mn4的源极及三极管Q1的发射极接地。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111726099A (zh) * 2020-07-27 2020-09-29 厦门亿芯源半导体科技有限公司 一种精准自动增益控制电路
CN113794455A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 江苏科技大学 用于水听器的自动增益控制电路及水听器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090140808A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Gain control circuit
CN107147448A (zh) * 2017-04-21 2017-09-08 天津大学 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路
CN107786175A (zh) * 2017-09-28 2018-03-09 天津大学 一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090140808A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Gain control circuit
CN107147448A (zh) * 2017-04-21 2017-09-08 天津大学 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路
CN107786175A (zh) * 2017-09-28 2018-03-09 天津大学 一种用于光接收机的宽带跨阻放大电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙洋，黄启俊，王豪，常胜，何进: "5Gbps全差分双端光接收前置放大器设计", 《红外与激光工程》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111726099A (zh) * 2020-07-27 2020-09-29 厦门亿芯源半导体科技有限公司 一种精准自动增益控制电路
CN113794455A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 江苏科技大学 用于水听器的自动增益控制电路及水听器
CN113794455B (zh) * 2021-09-10 2024-02-27 江苏科技大学 用于水听器的自动增益控制电路及水听器

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