CN110622443B - 用于控制光学数据发送器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制光学数据发送器的系统，包括：电流驱动器电路系统，被配置为向激光二极管供应驱动电流；以及监测电路系统，所述监测电路系统包括：光电二极管；以及耦合至所述光电二极管的第一跨阻放大器，其中所述监测电路系统被配置为提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出信号；第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器基本上相同；控制电路系统，被配置为控制所述电流驱动器电路系统，所述控制电路系统被配置为比较所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出的至少一个性质并且基于该比较生成至少一个控制信号以控制所述电流驱动器电路系统，其中该控制电路系统包括参考电流发生器，该参考电流发生器包括：限定电流源；压控电流源，被配置为生成所述参考电流，所述压控电流源被配置为生成其幅值处于固定比率的至少两个输出电流，其中所述输出电流中的至少一个由所述控制电路系统用来控制所述电流驱动器电路系统；第一多个串联耦合电阻器，第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器并且被配置为使得第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；以及第一多个开关，被配置为使得第一多个开关中的至少一个开关与第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将第一多个串联耦合电阻器中的电阻器耦合至限定电流源并将压控电流源的第一控制输入端子耦合至第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；第二多个串联耦合电阻器，第二多个电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，该单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器基本上相同，并且被配置为使得第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述参考电压；第二多个开关，被配置为使得第二多个开关中的至少一个开关与第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将第二多个串联耦合电阻器中的电阻器耦合至来自压控电流源的第一输出电流并将压控电流源的第一第二控制输入端子耦合至第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及查找表，被配置为基于输入来控制第一多个开关和第二多个开关，以控制压控电流源输出电流中的至少一个与限定电流源电流之间的比率。

Description

用于控制光学数据发送器的系统和方法
发明内容
在光纤通信系统中，期望能够控制由发送激光器器件生成的光的调制深度。为了维持状态之间的快速切换并减少噪声，不将发送激光器切换到某个限定的功率然后关断，但是对于低状态，其输出降低到低水平。此调制深度也描述为消光比率(ER)，后者是存在数据“1”时的光学强度与存在数据“0”时的强度的比率。然而，由于单个激光器器件的特性因加热和老化而变化，激光器输送这些高和低光学输出所需的电流不是恒定的，并且实际上受单个激光器器件之间的容限的影响，并且该电流也会随着时间的流逝而受到影响。当器件在使用中变热时，这种变化会在正常操作中发生。
因此，不仅期望能够自动地补偿激光器本身的制造容限和参数漂移，而且还期望能够达到某个限定的目标调制水平，其中数据模式仅具有有限的低频成分而具有随机特性。
为激光器输出提供闭环控制的一种方法是，通过获取传入的调制数据流，并使用它来控制参考电流，并且将组合的电流传递给复制跨阻放大器(TIA)及相关联的电路系统，来产生监测光电二极管输出电流的复制。在对监测器和复制路径信号进行适当的信号处理之后，可以以某种方式将两者进行比较，并生成误差信息，以便于平均光学功率和消光比率的闭环控制。
为了使用复制路径构造这样的闭环控制系统，需要能够产生相当于来自理想光电二极管的电流的电流信号，该理想光电二极管感测从发送激光器输出的光学功率。该电流信号不仅需要具有与理想光电流相同的平均值，而且需要处理相同的调制深度或消光比率(ER)。因此，需要能够产生可以被切换和组合以便提供具有任何期望的ER值的理想光电流的所述复制的电流。分析示出，为此所需的电流值与任何方便的输入变量都不具有线性关系。在大多数情况下，用户可能希望以分贝为单位设置目标ER水平，并希望能够以分贝为步长来变化所述ER。
一些实施例的目的是提供适合于这样的控制系统的电流，其中以特别方便的方式并且在注意最小化产生电流时的误差的情况下，实现表示所需ER的变量与所述电流之间的关系。
根据第一方面，提供了一种用于控制光学数据发送器的系统，包括：电流驱动器电路系统，被配置为向激光二极管供应驱动电流；以及监测电路系统，所述监测电路系统包括：光电二极管；以及耦合至所述光电二极管的第一跨阻放大器，其中所述监测电路系统被配置为提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出信号；第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器基本上相同；控制电路系统，被配置为控制所述电流驱动器电路系统，所述控制电路系统被配置为比较所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出的至少一个性质并且基于该比较生成至少一个控制信号以控制所述电流驱动器电路系统，其中该控制电路系统包括参考电流发生器，该参考电流发生器包括：限定电流源；压控电流源，被配置为生成所述参考电流，所述压控电流源被配置为生成其幅值处于固定比率的至少两个输出电流，其中所述输出电流中的至少一个由所述控制电路系统用来控制所述电流驱动器电路系统；第一多个串联耦合电阻器，第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器并且被配置为使得第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；以及第一多个开关，被配置为使得第一多个开关中的至少一个开关与第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将限定电流源和压控电流源的第一控制输入端子耦合至第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；第二多个串联耦合电阻器，第二多个电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，该单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器基本上相同，并且被配置为使得第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述参考电压；第二多个开关，被配置为使得第二多个开关中的至少一个开关与第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将来自压控电流源的第一输出电流和压控电流源的第二控制输入端子耦合至第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及查找表，被配置为基于输入来控制第一多个开关和第二多个开关，以控制压控电流源输出电流中的至少一个与限定电流源电流之间的比率。
第一多个开关可以包括：第一开关阵列，被配置为将第一多个串联耦合电阻器耦合至限定电流源；以及第二开关阵列，被配置为将第一多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第一控制输入端子，其中查找表被配置为从第一开关阵列中选择一个开关并从第二开关阵列中选择一个开关，以使得第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第一开关阵列中所选择的一个开关耦合至限定电流源，并经由第二开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第一控制输入端子。
第二多个开关可以包括：第三开关阵列，被配置为将第二多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第二控制输入端子；以及第四开关阵列，被配置为将第二多个串联耦合电阻器耦合至来自压控电流源的第一输出电流，其中查找表被配置为从第三开关阵列中选择一个开关并从第四开关阵列中选择一个开关，以使得第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第三开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第二控制输入端子，并经由第四开关阵列中所选择的一个开关耦合至来自压控电流源的所述第一输出电流。
压控电流源可以包括：放大器，包括：通过第一多个开关选择性地耦合至第一多个电阻器的第一控制输入以及通过第二多个开关选择性地耦合至第二多个电阻器的第二输入；至少一个MOS晶体管，该至少一个MOS晶体管的栅极端子被配置为耦合至放大器的输出。
压控电流源还可以包括与至少一个MOS晶体管以共源共栅布置进行布置的至少一个另外的MOS晶体管。
查找表可以被配置为基于输入来控制第一多个开关和第二多个开关，基于激光二极管的调制深度和/或消光比率来限定压控电流源输出电流中的至少一个与该限定电流源电流之间的比率。
被配置为控制第一多个开关和第二多个开关的查找表可以通过以下步骤生成：用第一数量的第一多个电阻器和第二数量的第二多个电阻器搜索所有可能的整数分配比率；并且将每个比率与期望值进行比较；以及从期望值中选择误差最低的整数比率作为用于控制第一多个开关和第二多个开关的选择。
被配置为控制第一多个开关和第二多个开关的查找表还可以进一步通过以下步骤而生成：检测提供最低误差的至少两个整数分配比率；从至少两个整数分配比率中选择具有可以实现的单位值电阻器的最大公倍数的整数分配比率。
第一多个电阻器和第二多个电阻器中的每个电阻器可以在包括系统的集成电路内具有相同的物理尺寸。
根据第二方面，提供了一种用于控制光学数据发送器的方法，包括：向激光二极管供应驱动电流；以及提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出信号；耦合第一跨阻放大器，所述第一跨阻放大器耦合至所述输出电流；提供第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器基本上相同；通过以下的步骤生成参考电流：提供限定电流源；提供压控电流源，所述压控电流源被配置为生成所述参考电流并且被配置为生成其幅值处于固定比率的至少两个输出电流，其中所述输出电流中的至少一个用于控制所述驱动电流；提供第一多个串联耦合电阻器，第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，并且被耦合为使得第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；提供第一多个开关，被耦合为使得第一多个开关中的至少一个开关与第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将限定电流源和压控电流源的第一控制输入端子耦合至第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；提供第二多个串联耦合电阻器，第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，该单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器基本上相同，并且被耦合为使得第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述参考电压；提供第二多个开关，被耦合为使得第二多个开关中的至少一个开关与第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将来自压控电流源的第一输出电流和压控电流源的第二控制输入端子耦合至第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及通过提供基于输入的查找表来控制第一多个开关和第二多个开关，以控制压控电流源输出电流中的至少一个与限定电流源电流之间的比率；以及基于将所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出的至少一个性质与参考电流进行比较来控制所述驱动电流。
提供第一多个开关可以包括：提供将第一多个串联耦合电阻器耦合至限定电流源的第一开关阵列；提供将第一多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第一控制输入端子的第二开关阵列，其中控制第一多个开关和第二多个开关包括：从第一开关阵列中选择一个开关并从第二开关阵列中选择一个开关，以使得第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第一开关阵列中所选择的一个开关耦合至限定电流源，并且经由第二开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第一控制输入端子。
提供第二多个开关包括：提供第三开关阵列，该第三开关阵列将第二多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第二控制输入端子；提供第四开关阵列，该第四开关阵列将第二多个串联耦合电阻器耦合至来自压控电流源的第一输出电流，其中控制所述驱动电流还包括从第三开关阵列中选择一个开关并从第四开关阵列中选择一个开关，以使得第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第三开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第二控制输入端子，并且经由第四开关阵列中所选择的一个开关耦合至来自压控电流源的所述第一输出电流。
提供压控电流源可以包括：提供放大器，该放大器包括：由第一多个开关选择性地耦合至第一多个电阻器的第一控制输入以及由第二多个开关选择性地耦合至第二多个电阻器的第二控制输入；以及提供至少一个MOS晶体管，该至少一个MOS晶体管的栅极端子耦合至放大器的输出。
提供压控电流源还可以包括提供与至少一个MOS晶体管以共源共栅布置进行布置的至少一个另外的MOS晶体管。
控制第一多个开关和第二多个开关可以包括：基于输入来控制第一多个开关和第二多个开关，基于激光二极管的调制深度和/或消光比率限定压控电流源输出电流中的至少一个和该限定电流源电流之间的比率。
该方法还可以包括通过以下步骤来生成控制第一多个开关和第二多个开关的查找表：用第一数量的第一多个电阻器和第二数量的第二多个电阻器搜索所有可能的整数分配比率；比较每个比率与期望值；以及从期望值中选择误差最低的整数比率作为用于控制第一多个开关和第二多个开关的选择。
生成控制第一多个开关和第二多个开关的查找表还可以包括：检测提供最低误差的至少两个整数分配比率；从至少两个整数分配比率中选择具有能够实现的单位值电阻器的最大公倍数的整数分配比率。
该方法还可以包括在集成电路内为第一多个电阻器和第二多个电阻器中的每个电阻器提供相同的物理尺寸。
根据第三方面，提供了一种用于控制光学数据发送器的设备，该设备包括：用于向激光二极管供应驱动电流的装置；以及用于提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出信号的装置；用于耦合第一跨阻放大器的装置，该第一跨阻放大器耦合至所述输出电流；用于提供第二跨阻放大器的装置，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器基本上相同；用于生成参考电流的装置，包括：用于提供限定电流源的装置；用于提供压控电流源的装置，所述压控电流源被配置为生成所述参考电流并且被配置为生成其幅值处于固定比率的至少两个输出电流，其中所述输出电流中的至少一个用于控制所述驱动电流；用于提供第一多个串联耦合电阻器的装置，第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器并且被耦合为使得第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；用于提供第一多个开关的装置，被耦合为使得第一多个开关中的至少一个开关与第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将限定电流源和压控电流源的第一控制输入端子耦合至第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；用于提供第二多个串联耦合电阻器的装置，第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器基本上相同，并且被耦合为使得第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述参考电压；用于提供第二多个开关的装置，被耦合为使得第二多个开关中的至少一个开关与第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将来自压控电流源的第一输出电流和压控电流源的第二控制输入端子耦合至第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及用于通过提供基于输入的查找表来控制第一多个开关和第二多个开关的装置，以控制压控电流源输出电流中的至少一个与限定电流源电流之间的比率；以及基于将所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出的至少一个性质与参考电流进行比较来控制所述驱动电流。
用于提供第一多个开关的装置可以包括：用于提供第一开关阵列的装置，该第一开关阵列将第一多个串联耦合电阻器耦合至限定电流源；用于提供第二开关阵列的装置，该第二开关阵列将第一多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第一控制输入端子，其中控制第一多个开关和第二多个开关包括：用于从第一开关阵列中选择一个开关并从第二开关阵列中选择一个开关，以使得第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第一开关阵列中所选择的一个开关耦合至限定电流源，并且经由第二开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第一控制输入端子的装置。
用于提供第二多个开关的装置可以包括：用于提供第三开关阵列的装置，该第三开关阵列将第二多个串联耦合电阻器耦合至压控电流源的第二控制输入端子；用于提供第四开关阵列的装置，该第四开关阵列将第二多个串联耦合电阻器耦合至来自压控电流源的第一输出电流，其中控制所述驱动电流还包括从第三开关阵列中选择一个开关并从第四开关阵列中选择一个开关，以使得第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由第三开关阵列中所选择的一个开关耦合至压控电流源的所述第二控制输入端子，并且经由第四开关阵列中所选择的一个开关耦合至来自压控电流源的所述第一输出电流。
用于提供压控电流源的装置可以包括：放大器装置，包括：由第一多个开关选择性地耦合至第一多个电阻器的第一控制输入以及由第二多个开关选择性地耦合至第二多个电阻器的第二控制输入；以及至少一个MOS晶体管装置，该至少一个MOS晶体管的栅极端子耦合至放大器的输出。
用于提供压控电流源的装置还可以包括：与至少一个MOS晶体管装置以共源共栅布置进行布置的至少一个另外的MOS晶体管装置。
用于控制第一多个开关和第二多个开关的装置可以包括用于基于输入来控制第一多个开关和第二多个开关的装置，该装置基于激光二极管的调制深度和/或消光比率限定压控电流源输出电流中的至少一个与该限定电流源电流之间的比率。
该设备还可以包括用于生成用于控制第一多个开关和第二多个开关的查找表的装置，该用于生成的装置可以包括：用于用第一数量的第一多个电阻器和第二数量的第二多个电阻器搜索所有可能的整数分配比率的装置；用于比较每个比率与期望值的装置；以及用于从期望值中选择误差最低的整数比率作为用于控制第一多个开关和第二多个开关的选择的装置。
用于生成查找表的装置还可以包括：用于检测提供最低误差的至少两个整数分配比率的装置；用于从至少两个整数分配比率中选择具有可以实现的单位值电阻器的最大公倍数的整数分配比率的装置。
该设备还可以包括：在集成电路内，第一多个电阻器和第二多个电阻器中的每个电阻器具有相同的物理尺寸。
现在将仅通过示例并参考附图来描述一些实施例，在附图中：
图1示出了典型的激光器特性相对于温度。
图2示出了示例性的光学发送器和监测信道架构。
图3示出了光学发送器的架构，该光学发送器包括监测信道的复制以提供激光器输出的闭环控制。
图4示出了旨在复制来自理想光电二极管的电流的电流源和开关的配置。
图5示出了旨在复制来自理想光电二极管的电流的电流源和开关的另一配置。
图6示出了被配置为产生与输入代码呈非线性关系的电流的数模转换器。
图7示出了被配置为产生与输入代码呈非线性关系的电流的另一数模转换器。
图8示出了选择相等的电阻器元件以产生对消光比率的期望的非线性响应的方法的示例。
图9示出了作为与线性形式的ER对应的输入代码的函数的来自数模转换器的归一化输出电流的绘图。
图10是示出对监测信道使用示例性的电容测量布置时所实现的复制电流中的ER和来自理想情况下的误差以分贝为单位的绘图。
实施例的描述不是限制性的，而仅仅是出于描述本发明的实施例的一般原理的目的。例如，可以变化所采用的电阻器的数量，以便满足这种数模(DAC)体系结构中残余误差的不同规格。此外，这种类型的DAC可以出于与其中期望非线性DAC的光学通信无关的目的而被布置，并且可以被配置为在代码和输出电流之间具有完全不同类型的关系。可以对其进行配置，以使输出函数不是单调的。
图1是光学通信系统中使用的典型的激光二极管的特性的示意图。当用于生成调制的光学信号时，对通过激光二极管的电流进行调制，以使得最小电流108高于激光器的阈值121，并且最大电流109低于器件制造商的额定值。当激光二极管冷或电流水平相对低时，简单的线性模型101可能足够了。但是，当激光二极管加热时，或者其特性随着年龄改变时，阈值电流可能改变122，并且该关系可能会呈现出更加弯曲的形状102。因此，最小电流110和最大电流111均应以这种方式增加以在操作期间维持期望的平均光学输出105和期望的ER。维持对系统寿命的这种控制并非易事。
在任何给定的实际系统中，可以设置最大电流，以便将激光器的平均操作功率设置为关于要建立可靠通信所需的信号水平的限定水平。这种系统中的关键参数是最大光学输出与最小光学输出的比率，通常被称为消光比率(ER)，因为这会影响接收器的信噪比水平。ER是最小和最大激光二极管电流值的函数，并且有时以简单的线性关系表示，但实际上这不是准确的表示。
图2示出了适用于光学通信系统的发送器中的典型布置。激光二极管201被提供有具有稳定成分和可变成分的电流。这可以是平均电流的形式，双向调制电流增加和减少电流来产生光学最大值和最小值；可替换地，可以存在较小的稳定偏置电流221，调制电流222借助于切换功能210断开以指示调制数据输入211中的逻辑低水平或者通过所述切换功能210连接以添加至所述电流221以指示逻辑高值。后一种变型在图2中表示。这些电流221和222可以分别由数模转换器206和207提供，数模转换器206和207具有通过分别由控制器功能214设置的数字值208和209控制的电流输出。
监测光电二极管202感测激光二极管201的光学输出，以产生与感测到的光学水平成比例的电流，并可以用跨阻放大器203将该电流转换为电压205。监测二极管202和放大器203的组合通常具有基本上小于主数据信道带宽的带宽。该监测值205可以借助于模数转换器204被转换为数字形式213，并且这些数据可以被控制器214用来根据一些机制来设置激光二极管电流水平(在该示例中为221和222)。监测信道的带宽限制在任何发送光学水平控制机制的实现中都非常重要，因为它限制了光学信号的峰值和谷值的可观察性。
图3示出了用于光学发送器系统的示例性布置，其中复制信号路径用于提供比较参考，以便产生能够设置和维持平均功率和调制ER两者的控制回路。在此示例中，激光器201的光学输出借助于光电二极管202进行监测，光电二极管202的电流借助于跨阻放大器(TIA)203被转换为电压。出于成本和功率的原因，该放大器203和光电二极管202的组合的带宽通常将远小于所发送的光学信号的符号率。所述TIA 203的输出205被传递到某些方式的信号处理302，以提取对于控制回路可能是有用的监测信号的至少一个特征，诸如平均值、峰到峰或标准偏差。该信号处理功能可以是例如滤波器、峰值检测器和均方根检测器的常用功能之一或组合。然后，将所述信号处理功能的输出304传递给比较功能306，以产生用于激光二极管的偏置308和调制ER 309电流设置的控制信号。通常设置或控制监测二极管期望的平均电流，并借助于可变电流沉(current sink)或源或借助于电流DAC 310从TIA203的输入中提取该平均电流。这具有TIA 203不需要处理可能具有非常大范围值的DC分量的优点。功能控制311和所述DAC 310可以由用户应用直接控制或经由反馈控制器306间接控制。
为了使上述反馈路径能够设置平均值和ER值以匹配系统用户的要求，某些形式的参考值可以显式或隐式包括在反馈回路中。在图3中，借助于输出305复制信号信道提供比较功能306所需的参考。该复制信道的输入是表示理想电流的电流319，该理想电流将由具有等于或大于符号率的频率响应带宽的光电二极管产生。该复制电流可以被配置为包括平均电流，或者可以被计算和配置为考虑到以使用DAC 310为例说明的方式从光电二极管去除平均电流。后一种情况使复制电路系统和监测电路系统更易于设计和构造。调制电流314和电流319可以分别由数模转换器312和313提供，数模转换器312和313的电流输出分别由控制器功能317和318设置的数字值控制。
传入的数据流211被施加到复制调制器电路315或者可替换的作为平均电流和调制电流，该复制调制器电路315根据调制电流314获取其另一输入，该调制电流314与偏置电流315组合。在此示例中示出了前一种布置。该调制电流316被传递到作为监测光电二极管TIA 203的复制的TIA 301。此外，可以配置该复制放大器301的增益和带宽，使得它们可以与监测信道的增益和带宽基本上相同。所述复制TIA的输出然后被传递到与监测信道中的信号处理功能302相同的信号处理功能303。以此方式，如果来自复制信道调制器的电流与来自监测光电二极管的电流相同(其可以以前述方式去除DC分量)，则复制信道输出305将与来自监测信道的输出304基本上相同。因此，比较功能306可以使用这两个信号之间的差异来产生校正和控制激光器的平均功率和调制ER所需的所需反馈信号。
使用这些误差信号，控制功能307确定用于DAC 207和206的设置发送激光偏置221和调制222电流所需的设置309和308。
生成和控制这种系统所需的复制偏置和调制电流的方式是本发明的一些实施例解决的问题。电流值与用户期望的输入变量具有非线性关系。此外，有数种选项来产生这些电流并将它们组合在一起，以使期望的偏置和调制出现在复制TIA的输入处。图4示出了一种可能配置的表示。监测TIA被示出为具有电流沉401，该电流沉401被配置为从监测光电二极管202去除平均电流以使得监测TIA不需要传递任何显着的DC分量。为了复制相同的输入电流，复制TIA 301具有配置有复制调制器开关405的电流源和电流沉的组合。
提供复制电流沉404，其具有与监测信道平均电流沉401的值基本上相同的值。为了产生该平均值的期望调制，我们可以添加固定电流源403并以传入数据流控制的方式切换到另一电流源402。源402和403的值是用户所需的平均电流404 IAVE和ER的函数，因此将获取值的范围。当连接来自源403和沉404的电流时，所得的输入电流仍然是净沉值(netsink value)，并且表示电流波形中的最小谷值。当源402也通过将有效数据的施加而连接到复制调制器开关405时，净电流变为表示电流波形中的最大峰值的源。源402和403可以被配置为以使得峰值和谷值关于平均值基本上对称的方式取决于平均电流和所需的ER。使用这种布置的缺点是来自源403的电流范围可能非常大。例如，如果要求ER覆盖从3到28的线性范围(表示大约5dB到14dB)，则电流需要采用非线性增量步长，最小与最大比率为1：7.5。如果平均电流值是固定的，则工程任务不太困难。但是，在实际应用中，平均电流IAVE可能会变化十倍以上，因此与ER有关的电流402和403需要按比例缩放。这种情况将特别使源403的设计极具挑战性。
图5示出了用于产生适用于上述系统中的复制信道的电流的替换配置。通过用也取决于所需ER的电流沉502代替固定的沉电流404，极大地减小了作为ER的函数的最小与最大比率。以与以前使用的相同ER范围为例，该比率仅为1：1.87，这使设计任务更加容易。需要单个调制器开关509，并且仅需要可变电流源501，其最小与最大比率与沉502中的比率类似。在配置的进一步变型中，以使用由数据流211和505的互补版本控制两个互补复制调制器开关506和507为代价的情况下，如果将电流源503和沉504配置为具有相同的值，则可以节省一些功率。使用此布置可能很方便，因为它允许在电流复制布置之后使用单个主源。
一些实施例的目的是能够以非常适合于设计和紧凑制造集成电路技术且就制造误差的容限而言性能稳定的便利方式，生成如上所述的用于设置和控制所发送的光学信号的平均值和ER所需的参考电流。如上所述需要的生成电流的方法可以是使用在输入和输出支路中具有不同晶体管尺寸的电流镜。然而，对于本领域技术人员清楚的是，为了实现准确的比率，器件尺寸将需要是某个最低公分母的倍数，从而导致非常大量的单位尺寸器件。如果直接缩放器件尺寸以实现期望的电流比率，则简单的几何器件缩放所引起的误差将变得明显。
在本发明的一些实施例中，电流缩放功能是通过配置至少两个等值电阻器串来实现的，其中反馈布置包括放大器和至少一个晶体管。
图6示出了例示实施例的示例性配置。电阻阵列602由多个尺寸相等的电阻器604、605等组成。从制造的角度来看，这是有益的，因为在需要提供很高的精度的集成电路中优选地采用给定尺寸的电子元件并组合这些而不是缩放元件的物理大小。每个电阻器可以具有相同的物理尺寸和布局，并使用众所周知的技术来实现出色的均匀性。电阻阵列中的元件数量是根据所述电流缩放功能的性能规格进行设计选择的问题，所述电流缩放功能是根据稍后描述的方法选择的。电阻器元件之间的连接元件之间的连接可以借助于开关606、607等进行。电流可以从参考输入电流601馈入连接点之一。也就是说，在任何给定时间，只有一个开关606进行连接。该电流将流过某些电阻器到达电路中的参考电压节点，通常为接地节点，并且在选择的连接节点处将生成与注入的参考电流和总的接地总电阻成比例的电压。在注入参考电流601的连接节点处，对应的开关闭合，并将该节点连接到高增益放大器621的输入622。该放大器输入可以具有非常高的电阻，从而流过连接其的开关的电流产生可忽视的很小的电压降。以这种方式，放大器输入以可忽略的误差感测在电阻器阵列中产生的电压。
在图6中，示出了第二电阻阵列603，该第二电阻阵列603包括多个尺寸相等的电阻器，每个电阻器具有与第一电阻阵列602中的电和物理特性相同的电和物理特性。该阵列中的电阻器元件的数量可以与在第一电阻阵列中的电阻器数量相同或可以不同，这取决于电流缩放功能的规格。在这些电阻器元件之间的连接节点处，可以经由多个开关608之一将第二输入623连接到所述放大器621。在连接所述第二放大器输入的相同节点处，对应的开关609可以连接到被配置为电流源的至少一个晶体管。在图6中，所述电流源包括控制电流的第一金属氧化物半导体(MOS)晶体管631和用作共源共栅的第二MOS晶体管633，以本领域技术人员众所周知的方式提高输出电阻。其它电流源配置对于本领域技术人员也是清楚的。包括晶体管631和633的所述电流源由所述放大器621的输出控制，从而产生反馈回路，由此由于放大器的带宽，在任何建立时间之后，所述放大器621的输入622和623将稳定在基本上相同的电压处。通过使用两个开关608和609将放大器输入623和电流源631/633连接到电阻器阵列中的点，可以消除由于所述开关的有限电阻引起的误差。
反相输入622处的电压由输入电流601 IRef和串联的多个等值电阻器602设置，这些电阻器通过开关606之一选择连接到地。因此，来自电流源631/633的电流与通过开关609之一选择连接到地的等值电阻器603的总电阻的乘积需要在放大器的非反相输入623处生成等于另一(反相)输入622处的电压的电压。因此，如果每个电阻器的值由R表示，则在输入侧选择的电阻器602的数量为A，而在输出侧的电阻器603的数量为B，则输出电流IOut 624将由IOut＝(BxIREF)/A给出。
借助于提供电流输出625的包括晶体管632和共源共栅晶体管634的至少一个另外的电流源结构，可以将由源631/633提供的电流复制方便的话尽可能多的次数。该电流可以与反馈到电阻器阵列603的电流624相同，或者可以通过以常规方式调整晶体管632和634的大小来缩放。
基本拓扑的重大设计挑战是在输入电流和输出电流之间产生任意比率B/A，尤其是当所需比率遵循某些非线性增量级数时。查找表612用来转化命令期望比率的传入数据613，并转化用于输入阵列602的电阻器选择控制610和用于输出阵列603的电阻器选择控制611以使得在仅使用等值电阻器时实现对期望比率的最佳拟合，而不是使用大量的电阻器来寻找某个整数公分母或尝试修整各个电阻器值。对于本领域技术人员将清楚的是，可以使用非常大的电阻器阵列对以高精度实现该比率。在所描述的发明中，通过用输入阵列602和输出阵列603中提供的电阻器的数量搜索所有可能的整数分配比率，并将每个比率与理想的期望值进行比较并选择最佳拟合来产生查找表612。通过规定的最大误差容限，然后可以判定每个阵列中的等值电阻器的数量是否足以满足规格要求，因此可以判定电阻器阵列是否必须添加更多的元件。选择电阻器元件的这种方法将不遵循解析表达式，而是针对通过搜索获得的每个期望比率的每个选择。对于要选择的等值电阻器数量的某些比率，两个小整数的比率可以提供最小的误差。在这种情况下，可以通过选择从可用阵列内可以实现的单位值电阻器的最大公倍数来减少由于标称等值电阻器之间的制造容限而导致的任何其它误差。
图7示出了根据本发明的一些替换实施例。放大器621的输入的极性被反转，使得非反相输入623可以经由开关607之一连接到接收输入参考电流601的等值电阻器602的阵列，并且所述放大器621的反相输入622可以经由开关608之一连接到等值电阻器603的阵列，输出电流通过该等值电阻器603传递。所述放大器的输出625用于控制MOS晶体管701的栅极。所述晶体管借助于开关609之一传递流入电阻器阵列603中的电流702 IOut，从而在所述电阻器阵列中的与所述放大器的非反相输入通信的点处产生电压，以这种方式形成负反馈回路。回路将稳定下来，以使得放大器输入622和623具有明显基本上相同的电压，并且在这种情况下，流过晶体管701的电流将遵循由如前所述的查找表612控制的开关选择所确定的相同比率关系。在这些实施例中，输出电流被提供为沉而不是源。
对于本领域的技术人员将清楚的是，可以使用相反极性的MOS晶体管来修改图6和图7中的实施例，从而可以相对于电源线容易地反转电流的方向。
图8示出了示例查找表801，该查找表801提供了旨在提供复制信号路径所需的电流以具有激光器的控制和反馈系统期望的正确的平均值和ER值的计算。在该示例中，输入电阻器阵列602具有28个等值电阻器，并且输出电阻器阵列603具有30个等值电阻器。期望的线性ER范围从4.77dB至14.6dB，步长为相等的0.34dB，误差维持在小于0.1dB。
图9示出了作为查找表的各个步长的函数的来自包含诸如图6中的本发明的一些实施例的电路的归一化输出电流的绘图901。
图10示出了作为查找表的各个步长的函数的用理想复制反馈控制系统实现的以dB为单位的理想ER的绘图1001。同样在图10中示出了期望ER与从理想激光器功率和调制控制系统中的复制电流503和504得到的ER之间的以dB为单位的误差1002。
尽管已经参考特定示例及其可能的实施例描述了本发明，但是这些不应以任何方式解释为限制本发明的范围。应当清楚的是，在不脱离权利要求中所阐述的本发明的范围和精神的情况下，可以将许多其它可能的实施例、修改和改进并入本发明中或与本发明结合。

Claims (20)

1.一种用于控制光学数据发送器的系统，包括：
电流驱动器电路系统，被配置为向激光二极管供应驱动电流；以及
监测电路系统，所述监测电路系统包括：
光电二极管；以及
耦合至所述光电二极管的第一跨阻放大器，其中所述监测电路系统被配置为提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出电流；
第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器相同；
控制电路系统，被配置为控制所述电流驱动器电路系统，所述控制电路系统被配置为比较所述第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出的至少一个性质并且基于该比较生成至少一个控制信号以控制所述电流驱动器电路系统，其中
所述控制电路系统包括参考电流发生器，该参考电流发生器包括：
限定电流源，被配置为生成限定电流源电流；
压控电流源，被配置为生成至少一个电流，所述至少一个电流用于生成所述第二跨阻放大器的复制电流输入；
第一多个串联耦合电阻器，所述第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器并且被配置为使得所述第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；以及
第一多个开关，被配置为使得所述第一多个开关中的至少一个开关与所述第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将所述限定电流源和所述压控电流源的第一控制输入端子耦合至所述第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；
第二多个串联耦合电阻器，所述第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，该单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器的电阻基本上相同，并且被配置为使得所述第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述第一参考电压；
第二多个开关，被配置为使得所述第二多个开关中的至少一个开关与所述第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且被配置为将来自所述压控电流源的第一电流和所述压控电流源的第二控制输入端子耦合至所述第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及
查找表，被配置为基于输入来控制所述第一多个开关和所述第二多个开关，以控制所述限定电流源电流与由所述压控电流源生成的至少一个电流之间的比率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个开关包括：第一开关阵列，被配置为将所述第一多个串联耦合电阻器耦合至所述限定电流源；以及第二开关阵列，被配置为将所述第一多个串联耦合电阻器耦合至所述压控电流源的第一控制输入端子，其中所述查找表被配置为从所述第一开关阵列中选择一个开关并从所述第二开关阵列中选择一个开关，以使得所述第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由所述第一开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述限定电流源，并且经由所述第二开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述压控电流源的所述第一控制输入端子。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二多个开关包括：第三开关阵列，被配置为将所述第二多个串联耦合电阻器耦合至所述压控电流源的第二控制输入端子；以及第四开关阵列，被配置为将所述第二多个串联耦合电阻器耦合至来自所述压控电流源的所述第一电流，其中所述查找表被配置为从所述第三开关阵列中选择一个开关并从所述第四开关阵列中选择一个开关，以使得所述第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由所述第三开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述压控电流源的所述第二控制输入端子，并且经由所述第四开关阵列中所选择的一个开关耦合至来自所述压控电流源的所述第一电流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压控电流源包括：
放大器，包括：由所述第一多个开关选择性地耦合至所述第一多个串联耦合电阻器的第一控制输入以及由所述第二多个开关选择性地耦合至所述第二多个串联耦合电阻器的第二输入；
至少一个MOS晶体管，所述至少一个MOS晶体管的栅极端子被配置为耦合至放大器的输出。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述压控电流源还包括与所述至少一个MOS晶体管以共源共栅布置进行布置的至少一个另外的MOS晶体管。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述查找表被配置为基于输入来控制所述第一多个开关和所述第二多个开关，基于激光二极管的调制深度和/或消光比率来限定所述限定电流源电流与由所述压控电流源生成的至少一个电流之间的比率。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，被配置为控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的查找表是通过以下步骤生成的：
用第一数量的第一多个串联耦合电阻器和第二数量的第二多个串联耦合电阻器搜索所有可能的整数分配比率；并且
将每个比率与期望值进行比较；以及
选择距期望值误差最低的整数比率作为用于控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的选择。
8.根据权利要求7所述的系统，其中被配置为控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的查找表还通过以下步骤而生成：
检测提供最低误差的至少两个整数分配比率；
从所述至少两个整数分配比率中选择具有能够实现的单位值电阻器的最大公倍数的整数分配比率。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个串联耦合电阻器和所述第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器在包括该系统的集成电路内具有相同的物理尺寸。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压控电流源被配置为生成至少一个另外的电流，所述至少一个另外的电流的幅值与所述至少一个电流处于固定比率。
11.一种用于控制光学数据发送器的方法，包括：
向激光二极管供应驱动电流；以及
提供与所述激光二极管的光学强度有关的输出电流；
耦合第一跨阻放大器，该第一跨阻放大器耦合至所述输出电流；
提供第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器被配置为在构造上与所述第一跨阻放大器相同；
通过以下的步骤生成参考电流：
提供限定电流源，该限定电流源被配置为生成限定电流源电流；
提供压控电流源，该压控电流源被配置为生成至少一个电流，所述至少一个电流用于生成所述第二跨阻放大器的复制电流输入；
提供第一多个串联耦合电阻器，所述第一多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，并且被耦合为使得所述第一多个串联耦合电阻器的一端耦合至第一参考电压；
提供第一多个开关，被配置为使得所述第一多个开关中的至少一个开关与所述第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将所述限定电流源和所述压控电流源的第一控制输入端子耦合至所述第一多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；
提供第二多个串联耦合电阻器，所述第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器是单位电阻器，该单位电阻器的电阻与所述第一多个串联耦合电阻器中的单位电阻器的电阻基本上相同并且被耦合为使得所述第二多个串联耦合电阻器的一端耦合至所述第一参考电压；
提供第二多个开关，被配置为使得所述第二多个开关中的至少一个开关与所述第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器相关联，并且能够将来自所述压控电流源的第一电流和所述压控电流源的第二控制输入端子耦合至所述第二多个串联耦合电阻器中的相同电阻器；以及
通过提供基于输入的查找表来控制所述第一多个开关和所述第二多个开关，以控制所述限定电流源电流与由所述压控电流源生成的至少一个电流之间的比率；以及
基于所述第一跨阻放大器和所述第二跨阻放大器的输出的至少一个性质的比较控制所述驱动电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述第一多个开关包括：
提供将所述第一多个串联耦合电阻器耦合至所述限定电流源的第一开关阵列；
提供将所述第一多个串联耦合电阻器耦合至所述压控电流源的第一控制输入端子的第二开关阵列，其中控制所述第一多个开关和所述第二多个开关包括：
从所述第一开关阵列中选择一个开关并从所述第二开关阵列中选择一个开关，以使得所述第一多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由所述第一开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述限定电流源，并且经由所述第二开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述压控电流源的所述第一控制输入端子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供所述第二多个开关包括：
提供第三开关阵列，所述第三开关阵列将所述第二多个串联耦合电阻器耦合至所述压控电流源的第二控制输入端子；
提供第四开关阵列，所述第四开关阵列将所述第二多个串联耦合电阻器耦合至由所述压控电流源生成的第一电流，其中
控制所述驱动电流还包括从所述第三开关阵列中选择一个开关并从所述第四开关阵列中选择一个开关，以使得所述第二多个串联耦合电阻器中的一个电阻器经由所述第三开关阵列中所选择的一个开关耦合至所述压控电流源的所述第二控制输入端子，并且经由所述第四开关阵列中所选择的一个开关耦合至来自所述压控电流源的所述第一电流。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述压控电流源包括：
提供放大器，所述放大器包括：
由所述第一多个开关选择性地耦合至所述第一多个串联耦合电阻器的第一控制输入，以及
由所述第二多个开关选择性地耦合至所述第二多个串联耦合电阻器的第二控制输入；以及
提供至少一个MOS晶体管，所述至少一个MOS晶体管的栅极端子耦合至所述放大器的输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，提供所述压控电流源还包括提供与所述至少一个MOS晶体管以共源共栅布置进行布置的至少一个另外的MOS晶体管。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述第一多个开关和所述第二多个开关包括：基于输入来控制所述第一多个开关和所述第二多个开关，基于激光二极管的调制深度和/或消光比率限定所述限定电流源电流与由所述压控电流源生成的至少一个电流之间的比率。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括通过以下步骤来生成控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的查找表：
用第一数量的第一多个串联耦合电阻器和第二数量的第二多个串联耦合电阻器搜索所有可能的整数分配比率；
比较每个比率与期望值；以及
选择距期望值误差最低的整数比率作为用于控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的选择。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，生成控制所述第一多个开关和所述第二多个开关的查找表还包括：
检测提供最低误差的至少两个整数分配比率；
从所述至少两个整数分配比率中选择具有能够实现的单位值电阻器的最大公倍数的整数分配比率。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括：在集成电路内为所述第一多个串联耦合电阻器和所述第二多个串联耦合电阻器中的每个电阻器提供相同的物理尺寸。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，提供被配置为生成至少一个电流的压控电流源包括生成至少一个另外的电流，所述至少一个另外的电流的幅值与所述至少一个电流处于固定比率。
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