CN111565030B - Pam4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器，包括高速的信号传输主通路以及低速的增益控制电路。所述的高速信号传输主通路包括跨阻放大器、可变增益控制放大器、带宽拓展电路和输出缓冲级，所述的低速增益控制电路包括接收信号强度检测、电流比较器、译码器、控制电压生成模块等。为提升整体电路性能，本发明采用的可变增益放大器具备良好的线性度和较高的动态范围。与此同时，可变增益放大器与输出缓冲级间增加带宽拓展电路，拓宽整体级联电路的带宽。整体电路采用前馈式结构，前向检测跨阻放大器输入电流生成相应的增益控制信号，大大降低了响应时间。

Description

PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器
技术领域
本发明涉及光纤通信等系统中的接收机部分电路，具体涉及一种PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器。
背景技术
光纤通信具有传输损耗低、不易受电场磁场影响、传输的通信容量高等优点，成为当前信息高速公路中关键传输技术之一。在光纤通信中，对于100Gbit/s的短距离光纤传输，目前普遍采用的是NRZ调制方式。如今，大数据和云计算的时代已经到来，人们对流量的需求大幅度提高，提出了一种新型4级脉冲幅度调制方式(PAM4)。PAM4调制方式与NRZ调制方式不同点在于，每个信号周期内采用4个不同的信号电平进行传输。因此，实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号传输速率只要达到NRZ信号的一半即可，从而大大降低对系统带宽的需求。
光纤通信中的光接收机前端主要包括光电二极管、跨阻放大器、自动增益控制放大器等电路。光电二极管将接收到的光信号转变为微弱的电流信号，前置跨阻放大器将该微弱的电流信号无差错地转变为电压信号并且提供一定的放大能力。由于光电检测器检测到的的电流一直变化，使得跨阻放大器的输出摆幅差异较大，严重影响后续数据时钟恢复电路的正常工作。因此，在跨阻放大器和数据时钟恢复电路之间增加自动增益控制放大器电路模块，根据不同的输入幅度自动调整自身增益，使得其输出摆幅稳定在一个恒定区间内，保证后续的数据时钟恢复电路能正常工作。对于高速PAM4信号，设计的自动增益控制放大器带宽和线性度具有较高的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器，实现了较大的带宽、较高的线性度和中等的动态范围，同时具备较快的稳定时间。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器，其特征在于：包括高速的信号传输主通路以及低速的增益控制电路，所述的高速信号传输主通路包括跨阻放大器、可变增益控制放大器、带宽拓展电路和输出缓冲级；光电二极管将检测到的光信号转变为电流信号，其输出电流信号Iin同时与前置跨阻放大器和接收信号强度检测的输入端相连。跨阻放大器的输出端与可变增益放大器的输入端相连，可变增益放大器的输出端与带宽拓展电路的输入端相连，带宽拓展电路的输出与输出缓冲级的输入端相连，输出缓冲级的输出Vout+与Vout-作为整个电路的输出；所述的低速的增益控制电路包括接收信号强度检测、电流比较器、译码器、控制电压生成模块；接收信号强度检测电路的输入与前置跨阻放大器的输入保持一致，其输出端作为电流比较器的输入，电流比较器将比较结果作为译码器的输入，译码器输出一系列开关加载到控制电压生成模块的输入端，其输出端为相应的增益控制信号，作为可变增益放大器的增益控制端的输入。
可变增益放大器电路作为自动增益控制放大器的核心模块，其性能关乎整个自动增益控制放大器性能的好坏，因此必须具备良好的线性度和较高的动态范围。作为本发明的优选，本发明提供的可变增益放大器电路，包括六只NPN双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，三只MOS管M1、M2、M3，三只电阻R1、R2、R3；晶体管Q1的基极接输入电压Vin+，集电极与晶体管Q3、Q4的发射极连接，发射极与MOS管M2的漏极相连；晶体管Q2的基极接输入电压Vin—，集电极与晶体管Q5、Q6的发射极连接，发射极与MOS管M3的漏极相连，还通过电阻R3与晶体管Q1的发射极相连；晶体管Q3的基极与晶体管Q6的基极相连，接一端控制电压CtrlA，集电极通过电阻R1与电源电压VDD相连，发射极与晶体管Q4的发射极接于同一点，并与所述晶体管Q1的集电极相连；晶体管Q4的基极与所述晶体管Q5的基极连接在一起，共同与另一端控制信号CtrlB相连，集电极与所述晶体管Q6的集电极相连，共同通过电阻R2与电源电压VDD相连，发射极与所述晶体管Q3的发射极连于同一点，并与晶体管Q1的集电极相连；晶体管Q5的基极与所述晶体管Q4的基极连接在一起，共同与控制信号CtrlB相连，集电极与所述晶体管Q3的集电极相连，发射极与所述晶体管Q6的发射极相连，共同与晶体管Q2的集电极连接；晶体管Q6的基极与晶体管Q3的基极相连，接一端控制电压CtrlA，集电极通过电阻R2与电源电压VDD相连，发射极与晶体管Q5接于同一点，并与所述晶体管Q2的集电极相连；MOS管M1、M2、M3的栅极均与直流偏置电流IBias相连，MOS管M1、M2、M3的源极均接地，M1的漏极与其栅极连接在一起。
其中，考虑到前置跨阻放大器的输出直流电平较低，本发明在传统吉尔伯特单元的基础上进行了修改，将信号输入端和增益控制端位置进行了调换；
其中，考虑到PAM4信号对电路的线性度有较高要求，通过源极退化电阻R3牺牲一定的增益来获取较高的线性度和大带宽；
其中，为实现较高的动态范围，该可变增益放大器的动态范围和增益控制电压CtrlA及CtrlB相关，通过低速的增益控制电路模块提高控制电压精度即可实现较高的动态范围。
与现有技术相比，本发明提供的一种高速PAM4光接收机中的自动增益控制放大器的有益效果如下：
本发明采用的可变增益放大器具备良好的线性度和较高的动态范围；
可变增益放大器与输出缓冲级间增加带宽拓展电路，拓宽了整体级联电路的带宽，满足高速信号传输对带宽的要求；
采用前馈式结构，前向检测跨阻放大器输入电流，与反馈结构相比，不存在环路稳定性的问题，响应时间大大降低；
增益控制电路由接收信号强度检测、电流比较器和控制电压生成模块替代传统的ADC电路，简化了整体电路设计；
附图说明
图1是本发明中的PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器整体架构图。
图2是本发明中的可变增益放大器具体的电路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
参见图1，图1为本发明的PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器整体架构图。本发明的自动增益控制放大器包括高速的信号传输主通路以及低速的增益控制电路。高速主通路包括前置跨阻放大器、可变增益放大器、带宽拓展电路、输出缓冲级。光电二极管将检测到的光信号转变为电流信号，其输出电流信号Iin同时与前置跨阻放大器和接收信号强度检测的输入端相连。跨阻放大器的输出端与可变增益放大器的输入端相连，可变增益放大器的输出端与带宽拓展电路的输入端相连，带宽拓展电路的输出与输出缓冲级的输入端相连，输出缓冲级的输出Vout+与Vout-作为整个电路的输出。低速的增益控制电路包括接收信号强度检测、电流比较器、译码器、控制电压生成模块。接收信号强度检测电路的输入与前置跨阻放大器的输入保持一致，其输出端作为电流比较器的输入，电流比较器将比较结果作为译码器的输入，译码器输出一系列开关加载到控制电压生成模块的输入端，其输出端为相应的增益控制信号，作为可变增益放大器的增益控制端的输入。
图2为是本发明中的可变增益放大器具体的电路结构图，各元器件的连接方式如下：
晶体管Q1的基极接输入电压Vin+，晶体管Q1的集电极接晶体管Q3、Q4的发射极，晶体管Q1的发射极一方面接MOS管M2的漏极，另一方面接电阻R3的第一端；
晶体管Q2的基极接输入电压Vin-，晶体管Q2的集电极接晶体管Q5、Q6的发射极，晶体管Q2的发射极一方面接MOS管M3的漏极，另一方面接电阻R3的第二端；
晶体管Q3的基极一方面接增益控制电压CtrlA，另一方面接晶体管Q6的基极，晶体管Q3的集电极一方面接电阻R1的第一端，另一方面接晶体管Q5的发射极，晶体管Q3的发射极一方面接晶体管Q4的发射极，另一方面接晶体管Q1的集电极；
晶体管Q4的基极一方面接增益控制电压CtrlB，另一方面接晶体管Q5的基极，晶体管Q4的集电极一方面接电阻R2的第一端，另一方面接晶体管Q6的集电极，晶体管Q4的发射极一方面接晶体管Q3的发射极，另一方面接晶体管Q1的集电极；
晶体管Q5的基极一方面接增益控制电压CtrlB，另一方面接晶体管Q4的基极，晶体管Q4的集电极一方面接电阻R1的第一端，另一方面接晶体管Q3的集电极，晶体管Q5的发射极一方面接晶体管Q6的发射极，另一方面接晶体管Q2的集电极；
晶体管Q6的基极一方面接增益控制电压CtrlA，另一方面接晶体管Q3的基极，晶体管Q6的集电极一方面接电阻R2的第一端，另一方面接晶体管Q4的集电极，晶体管Q6的发射极一方面接晶体管Q5的发射极，另一方面接晶体管Q2的集电极；
MOS管M1的栅极一方面接MOS管M2、M3的栅极，另一方面接MOS管M1的漏极，MOS管M1的漏极一方面接直流偏置电流IBias，另一方面接MOS管M1、M2、M3的栅极，MOS管M1的源极接地；
MOS管M2的栅级一方面接MOS管M1、M3的栅极，另一方面接直流偏置电流IBias，MOS管M2的漏极一方面接晶体管Q1的发射极，另一方面接电阻R3的第一端；
MOS管M3的栅级一方面接MOS管M1、M2的栅极，另一方面接直流偏置电流IBias，MOS管M3的漏极一方面接晶体管Q2的发射极，另一方面接电阻R3的第二端；
电阻R1的第一端接晶体管Q3的集电极，第二端接电源电压VDD；
电阻R2的第一端接晶体管Q3的集电极，第二端接电源电压VDD；
电阻R3的第一端一方面接晶体管Q1的发射极，另一方面接MOS管M2的漏极，电阻R3的第二端一方面接晶体管Q2的发射极，另一方面接MOS管M3的漏极。
本实施案例中电路已采用BiCMOS工艺实现，本技术方案具有结构简单、大带宽、高线性等特点。尽管上面的附图对本发明进行了相关描述，但本发明不局限于上述具体实施方式，上述具体的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均在本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种PAM4光接收机中前向电流检测的线性自动增益控制放大器，其特征在于：包括高速的信号传输主通路以及低速的增益控制电路，所述的高速信号传输主通路包括前置跨阻放大器、可变增益控制放大器电路、带宽拓展电路和输出缓冲级电路；
光电二极管将检测到的光信号转变为电流信号，其输出电流信号Iin同时与前置跨阻放大器和接收信号强度检测电路的输入端相连；前置跨阻放大器的输出端与可变增益控制放大器电路的输入端相连，可变增益控制放大器电路的输出端与带宽拓展电路的输入端相连，带宽拓展电路的输出与输出缓冲级电路的输入端相连，输出缓冲级电路的输出Vout+与Vout-作为整个电路的输出；
所述的低速的增益控制电路包括接收信号强度检测电路、电流比较器、译码器、控制电压生成模块；
接收信号强度检测电路的输入与前置跨阻放大器的输入保持一致，其输出端作为电流比较器的输入，电流比较器将比较结果作为译码器的输入，译码器输出一系列开关信号加载到控制电压生成模块的输入端，控制电压生成模块的输出端为相应的增益控制信号，
作为可变增益控制放大器电路的增益控制端的输入；所述的可变增益控制放大器电路包括六只NPN双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，三只MOS管M1、M2、M3，三只电阻R1、R2、R3；所述的晶体管Q1的基极接输入电压Vin+，集电极与晶体管Q3、Q4的发射极连接，发射极与MOS管M2的漏极相连；所述晶体管Q2的基极接输入电压Vin-，集电极与晶体管Q5、Q6的发射极连接，发射极与MOS管M3的漏极相连，晶体管Q2还通过电阻R3与晶体管Q1的发射极相连；
所述晶体管Q3的基极与晶体管Q6的基极相连，接一端控制信号CtrlA，集电极通过电阻R1与电源电压VDD相连，发射极与晶体管Q4的发射极接于同一点，并与所述晶体管Q1的集电极相连；所述晶体管Q4的基极与所述晶体管Q5的基极连接在一起，共同与另一端控制信号CtrlB相连，集电极与所述晶体管Q6的集电极相连，共同通过电阻R2与电源电压VDD相连，发射极与所述晶体管Q3的发射极连于同一点，并与晶体管Q1的集电极相连；所述晶体管Q5的基极与所述晶体管Q4的基极连接在一起，共同与控制信号CtrlB相连，集电极与所述晶体管Q3的集电极相连，发射极与所述晶体管Q6的发射极相连，共同与晶体管Q2的集电极连接；晶体管Q6的基极与晶体管Q3的基极相连，接一端控制信号CtrlA，集电极通过电阻R2与电源电压VDD相连，发射极与晶体管Q5接于同一点，并与所述晶体管Q2的集电极相连；MOS管M1、M2、M3的栅极均与直流偏置电流IBias相连，MOS管的M1、M2、M3源极均接地，M1的漏极与其栅极连接在一起。
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