CN1123117C - 猝发型数字数据放大电路单元及放大电路 - Google Patents

Abstract

一种放大电路单元，由偏移补偿电路和限幅放大电路构成，该偏移补偿电路使差动输入信号中一输入信号在数据输入期间的直流电位与另一输入信号在数据输入期间的直流电位输出相等，所述限幅放大电路将该偏移补偿电路的差动输出作为输入信号，在线性区放大并使输出信号幅度固定，作为差动输出信号输出给差动输出端。该放大电路单元按需要多级级联，适用于光接收电路等放大电路。

Description

猝发型数字数据放大电路单元及放大电路

本发明涉及用于光接收电路，特别是用于放大猝发脉冲信号的放大电路单元，以及使用多个这种放大电路单元所构成的放大电路。

在光数字通信系统中，放大已衰减信号的光接收电路单元必不可少。对这种光接收电路单元要求有这样的功能，即用光电二极管将光信号变换为电流信号后，再将该电流信号变换为电压信号，并对其放大至可进行逻辑识别的电压幅值。

已有的光接收电路，其结构如图16框图所示，采用光接收元件PD(光电二极管)将光信号hv变换为电流信号Iin，输入前置放大电路3。该前置放大电路3将电流Iin变换为电压信号t。该电压信号t通过电容器c滤除低频成分，变为电压信号u，输入主放大电路4中的限幅放大电路41。该限幅放大电路41以电压源E供给的固定电压V为阈值放大电压信号u，并输出可逻辑识别的脉冲信号数据串w。

也即，在已有放大电路中，滤除输入信号中低频成分，其直流电平与输入信号电平无关总是不变，并以固定阈值电平为基准，用限幅放大电路41放大信号电压。

然而，近来来人们在研究猝发型数据信号的光通信方式，作为光接收电路单元要求有数据输入起始时的高速响应性。

但是，上述已有技术存在问题是数据输入起始时的高速响应性与同编码连接段持续性两者不能兼得。

图17A表示图16中电容器C取小容量，低频截止频率高时输入限幅电路41的数据输入起始时的输入信号波形(a)，图17B为表示相应输出数据波形(b)的说明图。图19A表示图16中电容器C取大容量，低频截止频率低时输入限幅电路41的数据输入起始时的输入小信号波形(a)，图19B为表示输出数据波形(b)的说明图。图17A，图19A中，为了无信号输入期间输出φ电平，无信号输入时的电位V设定得比电位u低。

比较这些波形可见，低波截止频率设定得高时，直流电平变动快，短时间内输入数据u的中间电平就能接近固定的阈值电平v，可缩短数据输入起始时的畸变期。

图18A表示图16中电容器C取小容量，低频截止频率高时输入限幅放大电路41的中间有一连接段的输入信号波形(a)，图18B为表示输出数据波形(b)图。与此相反，图20A表示图16中电容器C取大容量，低频截止频率低时输入限幅放大电路41的中间有一连接段的输入信号波形(a)，图20B表示输出数据波形(b)的说明图。图18A、图20A中，为了无信号输入期间输出φ电平，无信号输入时电位V设定得比电位u低。

显然，图18A中，由于直流电平变动快，故如图18B所示，在中间连接段时输出数据会发生逻辑反相，与此相反，图20A中，直流电平变动慢，对于同编码连接段具有较高的持续性(见图20B)。

如上所述，在已有技术例中，低频截止频率设定得高时，虽能获得数据输入起始时的高速响应，但其反面是同编码连接段持续性差。与该条件相反，当将低频截止频率设定得低时，虽能提高同编码连接段持续性，但其反面是失去数据输入起始时的高速响应，故存在如何折衷选择的问题。

本发明用于解决上述已有技术的问题，其目的在于提供一种在低频截止型光接收电路中能兼得通常对立的数据输入起始时高速响应特性和同编码连接段持续性的放大电路单元及放大电路。

为了达到上述目的，本发明的放大电路单元及放大电路基本上由具有两输入端和两输出端的偏移补偿电路和连接于该补偿电路的具有两输入端和两输出端的限幅放大电路构成。

上述电路的运作功能如下。首先，对偏移补偿电路两输入端之一加正相输入信号，对另一输入端加反相输入信号，并分别检测其峰值，各自加以保持。接着，分别取此正输入信号与该信号的保持峰值的差，反相输入信号与该信号的保持峰值的差，从偏移补偿电路的两输出端输出，加给限幅放大电路。限幅放大电路在线性区对偏移补偿电路的两差动信号进行放大，同时保持输出幅度不变，分别获得两输出信号。进而，用比较器比较所述两输出信号的幅度，并获得可进行逻辑识别的脉冲信号数据。

在上述电路结构中，由于采用充电时间常数小，放大时间常数大的峰值检测/保持电路，故能兼得数据输入起始时的高速响应特性和同编码连续段持续性。

附图概述

图1为本发明第一实施例的第一基本放大电路的电路图；

图2为表示使用本发明第一基本放大电路的光接收电路一结构例的电路图；

图3A～图3E为表示使用第一实施例形态的第一基本放大电路的光接收电路各部分信号波形的波形图；

图4A(a)、图4A(b)、图4B(a)及图4B(b)为用于说明使用第一实施形态基本放大电路的光接收电路中，基本放大电路输出中存在直流偏差时的问题的信号波形图；

图5为表示本发明第二、第四实施形态中多级放大电路实施例的电路图；

图6为本发明多级放大电路实施例中2级结构情况下的电路图；

图7A～图7E为表示使用图6所示2级结构的多级放大电路的光接收电路中各部分信号波形的第二实施形态的波形图；

图8A～图8E为使用图2所示本发明第一实施形态基本放大电路的光接收电路中各部分信号波形附加无信号输入期间各部分波形的波形图；

图9A～图9E为第四实施形态中波形图，表示使用图2所示2级结构多级放大电路的光接收电路中各部分信号波形；

图10A～图10E为使用图2所示本发明第一实施形态基本放大电路的光接收电路中输入信号瞬时变小时的各部分波形图；

图11为表示用于本发明第五实施形态及第七实施形态的第二基本放大电路的电路图；

图12为表示使用图11所示第二基本放大电路的光接收电路；

图13A～图13F为将第二基本放大电路多级连接构成的多级放大电路的电路图；

图14为表示本发明第六实施形态中放大电路的电路图；

图15A～图15F为图12所示光接收电路中各部分的信号波形，即第七实施形态的波形图；

图16为表示已有技术光接收电路的电路图；

图17A及图17B为已有技术光接收电路中低频截止频率设定得高的情况下，数据输入起始时限幅放大电路的输入信号波形及输出数据波形；

图18A及图18B为已有技术光接收电路中低频截止频率设定得高的情况下，有一编码中间连接段时限幅放大电路的输入信号波形及输出数据波形；

图19A及图19B为已有技术光接收电路中低频截止频率设定得低的情况下，数据输入起始时限幅放大电路的输入信号波形及输出数据波形；

图20A及图20B为已有技术光接收电路中低频截止频率设定得低的情况下，有一编码中间连接段时限幅放大电路的输入信号波形及输出数据波形。

下面，参照附图说明本发明放大电路单元及使用该放大电路单元的放大电路的较佳实施形态。

图1为表示本发明第一实施形态中基本放大电路(放大电路单元)A1的结构的电路图。该基本放大电路A1备有：输入差动输入信号中一信号的输出端INe，输入另一信号的输入端INo，使输入所述一输入端INe的电压信号中数据输入期间的直流值与输入所述另一输入端INo的电压信号中数据输入期间的直流值输出相等的偏移补偿电路A11，取该偏移补偿电路A11的差动输出信号作为输入信号在线性区进行放大同时保持输出信号幅度不变的限幅放大器A12，输出差动输出信号中一信号的输出端OUTe，和输出另一信号的输出端OUTo。

在图1中，偏移补偿电路A11的构成部分包括：检测/保持输入一输入端INe的电压信号峰值的第一峰值检测/保持电路A111，输出由该第一峰值检测/保持电路A111，输出由该第一峰值检测/保持电路A111检测/保持的值与输入一输入端INe的电压信号的差的第一差动放大电路A113，及检测/保持输入另一输入端INo的电压信号峰值的第二峰值检测/保持电路A112，输出由该第二峰值检测/保持电路A112检测/保持的值与输入另一输入端INo的电压信号的差的第二差动放大电路A114。

图2示出用图1所示基本放大电路A1构成的本发明光接收电路的一结构例。

在图2中，光接收元件PD(光电二极管)将光信号hv变换为电流信号Iin，并将该电流信号Iin输出给差动输出型前置放大电路1。差动输出型前置放大电路1将电流信号Iin变换为正相及其反相的电压信号并放大。

差动输出型前置放大电路1的输出端连接基本放大电路A1的输入端INe、INo，基本放大电路A1的输出端OUTe、OUTo连接比较器2的输入端。

比较器2对基本放大电路A1放大输出的直流电位相等且相互相位相反的电压信号的电压值进行比较，输出可逻辑识别的脉冲信号数据串。

图3A～图3D为图2光接收电路中基本放大电路A1各部分的信号波形图，图3E为表示比较器2输出信号波形i的波形图。图3A表示输入基本放大电路A1的输入信号波形a1、b1及其峰值Va1p、Vb1p。该峰值Va1p、Vb1p分别经图2各峰值检测/保持电路A111、A112检测、保持，分别输出给差动放大电路A113、A114。各峰值检测/保持电路A111、A112的输出信号波形为图3B所示的c1及d1。

各差动放大电路A113及A114的输出信号波形e1及f1，如图3C所示，与输入信号电平无关，构成直流电平相等且相互相位相反的信号波形。信号波形e1及f1经限幅放大电路A12放大，形成信号波形g1及h1(图3D)，进而由比较器2进行电压值比较，形成可逻辑识别的脉冲信号数据串波形i(图3E)，并加以输出。图3E所示信号波形i中，VH对应于逻辑“1”，VL对应于逻辑“0”。

在本发明第一实施形态的上述基本放大电路(放大电路单元)A1中，通过将所述峰值检测/保持电路A111及A112的充电时间常数设定得小，放电时间常数设定得大，就能同时获得数据输入起始时的高速响应性和同编码连接段持续性，从而能解决已有技术例中的折衷选择方案。

但是，在图2光接收电路的基本放大电路A1中，由于集成电路制造时产生的元件特性不一致或构成基本放大电路A1的各元件偏离理想工作状态，会使输出电压出现偏移。

图4A(a)及图4A(b)、图4B(a)及图4B(b)为上述情况举例的波形图，都表示输入信号电平小时基本放大电路A的输出信号波形g1及h1，以及这种情况下比较器2的输出信号波形i。

图4A(a)为g1的直流电位比h1直流电位低时各信号的波形，此时如图4A(b)所示，可见输出逻辑“0”时会因S/N差而产生噪声。

相反，图4B(a)为g1直流电位比h1直流电位高时各信号的波形，此时如图4B(b)所示，可见输出逻辑“1”时会因S/N差而产生噪声。

图5为用于解决上述产生输出电压偏移问题的本发明第二实施形态的放大电路的电路图。图5所示放大电路就是将与图1说明的第一实施形态基本放大电路A1结构相同的多个基本放大电路A1～An级联成n级的，具体而言，其用法如下。

图6为采用将图5所示第二实施形态多级级联放大电路取为2级的放大电路的光接收电路一结构例电路图，在图2说明的光接收电路中基本放大电路A1与比较器2之间，进一步接有第二基本放大电路A2。

图7A～图7D为图6所示光接收电路的第二基本放大电路A2中各部分信号波形的波形图，图7E为图6中比较器2的输出信号波形i的波形图。

图7A所示基本放大电路A2的各输入信号波形a2及b2为第一基本放大电路A1存在输出电压偏移时的输入波形。如图所示，a2的b2的直流电位不同。输入信号波形a2及b2的峰值Va2p及Vb2p分别由图6各峰值检测/保持电路A211、A212检测、保持，输出给各差动放大电路A213、A214。该峰值检测/保持电路A211、A212的输出信号波形构成图7B所示的c2及d2。

在图6中，上述输入波形a2及峰值检测/保持电路A211的输出信号波形c2加给差动放大器A213，得到差动输出信号e2。同样，输入波形b2及峰值检测/保持电路A212的输出信号波形d2加给差动放大器A214。得到差动输出信号f2。

如上获得的差动放大电路A213、A214的输出信号波形e2、f2，如图7C所示与输入信号电平无关，构成直流电平相等且相位相互相反的信号波形。该信号波形e2及f2经限幅放大电路A22放大，形成7D所示的信号波形g2及h2。

最后，经比较器2对信号波形g2、h2进行比较，形成可逻辑识别的脉冲信号数据串波形i并加以输出。

根据以上说明可见，在图6光接收电路中可用后级的第二基本放大电路A2对基本放大电路A1的输出电压偏移进行补偿。因此，由于在接收到输入信号电平小的情况下能防止产生图4A(b)或图4B(b)所示的噪声，故能提高最小接收灵敏度，获得宽的输入动态范围。

根据上面描述可见，图5所示第二实施形态的多级级联的放大电路除了与第一实施形态的电路具有相同效果外，还有下面效果：各级基本放大电路集成电路制造时产生的元件特性不一致或构成基本放大电路的各元件偏离理想动作而产生的输出电压偏移，通过后级基本放大电路进行补偿，因而能提高最小接收灵敏度，获得宽的动态范围。通过级联连接，还可减小每一级要求的增益，进而大幅度缓解了对各级基本放大电路的精度要求。

下面，图8A～图8E所示图3A～图3E各部分信号波形附加图2光接收电路中无信号输入期间各部分信号波形后呈现的波形图。如图8C及图8D所示，在无信号输入期间，e1和f1电平相等，g1和h1电平也相等，如图8E所示在输出数据中产生误码。该无信号输入期间的误码，在从数据提取时钟频率频率成分情况下会构成干扰，故往往存在问题。

为解决上述问题的本发明第三实施例的基本放大电路，虽结构上与图1第一实施形态的电路基本相同，但使限幅放大电路A12具有固定的输出偏移电压。

图9A～图9D示出使用于图2光接收电路的限幅放大电路A12具有上述固定输出偏移电压时基本放大电路A1中各部分的信号波形，图9E示出比较器2的输出信号波形。如图9D所示，在无信号输入期间，限幅放大电路A12的输出信号波形g1、h1间存在固定的偏移，在比较器2的输出上不会产生图8E所示的误码，始终输出逻辑“0”。除此之外，不言而喻，具有与上述第一实施形态同样的效果。

本发明第四实施形态结构上与图5所示第二实施形态的电路相同，通过使末级基本放大电路An的限幅放大电路An2具有固定输出偏移电压，在无信号输入期间不会产生误码，始终为逻辑“0”，具有与第三实施形态电路的同样效果，同时具有与第二实施形态电路的同样效果。

图10A～图E为图2光接收电路中电平大的猝发脉冲信号后间隔很短即输入电平小的猝发脉冲信号时各部分信号波形的波形图。由于图2峰值检测/保持电路A112保持着大电平猝发脉冲信号的峰值(图10B)，故其后来的小电平猝发脉冲信号不会再现，如图10E所示会出现丢失数据的问题。

图11示出为解决上述问题的本发明第五实施形态中的基本放大电路B1的电路图。该基本放大电路B1备有：输入差动输入信号中一信号的输出端INe，输入另一信号的输入端INo，使输入所述一输入端INe的电压信号中数据输入期间的直流值与输入所述另一输入端INo的电压信号中数据输入期间的直流值输出相等的偏移补偿电路B11，取该偏移补偿电路B11的差动输出信号作为输入信号在线性区进行放大同时保持输出信号幅度不变的限幅放大器A12，输出差动输出信号中一信号的输出端OUTe，和输出另一信号的输出端OUTo。

偏移补偿电路B11的构成部分包括：检测/保持输入一输入端INe的电压信号峰值的第一峰值检测/保持电路B111，输出由该第一峰值检测/保持电路B111检测/保持的值与输入一输入端INe的电压信号的差的第一差动放大电路A113，及检测/保持输入另一输入端INo的电压信号峰值的第二峰值检测/保持电路B112，输出由该第二峰值检测/保持电路B112检测/保持的值与输入另一输入端INo的电压信号的差的第二差动放大电路A114。

第一峰值检测/保持电路B111和第二峰值/保持电路B112外部具有共用的复原信号端Vreset，通过施加给该复原端Vreset的信号，使各峰值检测/保持电路B111、B112的输入信号和输出信号大致等电位。

图12为用图11所示第五实施形态中基本放大电路B1构成光接收电路一结构例的电路图。在图12中，光接收元件PD(光电二极管)将光信号hv变换为电流信号Iin，并将该电流信号Iin输出给差动输出型前置放大电路1。差动输出型前置放大电路1将电流信号Iin变换为正相及其反相的电压信号并放大。差动输出型前置放大电路1的输出端连接基本放大电路B1的输入端INe、INo，基本放大电路B1的输出端OUTe、OUTo连接比较器2的输入端。比较器2对基本放大电路B1放大输出的直流电位相等且相互相反的电压信号的电压值进行比较，输出可逻辑识别的脉冲信号数据串。

图13A～图13E示出在图12光接收电路中电平大的猝发脉冲信号后隔开短间隔输入小电平的猝发脉冲信号时基本放大电路B1中各部分的信号波形，图13F示出比较器2的输出波形i。

图13A所示输入信号波形j1及k1的峰值分别经图12中峰值检测/检测电路B111及B112检测、保持，再分别输出给差动放大电路A113、A114。该峰值检测/保持电路B111及B112的输出信号波形分别为图13C所示l1和m1。

就图13A所示大电平猝发脉冲信号后隔开无信号输入期间连接小电平猝发脉冲的情况进行说明。首先，图12中第二峰值检测/保持电路B112检测、保持信号波形K1中电平大的前猝发脉冲信号的峰值Vk1p1，但是在猝发脉冲信号间的无信号输入期间，由于将复原信号r1输入复原端Vreset使所述第二峰值检测/保持电路B112的输出信号电压和输出信号电压相等，故也能对电平小的后猝发脉冲信号的峰值Vk1p2进行正确的检测和保持。

图13A中，虽输入信号波形j1的峰值在前猝发脉冲和后猝发脉冲没有变化，但由于考虑到电源电压变动或光发送部中偏置光的变化，故第一峰值检测/保持电路B111与第二峰值检测/保持电路B112一样，有必要借助复原信号r1使输入信号电压与输出信号电压相等。

图12中，第一峰值检测/保持电路B111的输出信号11及输入信号j1加给差动放大电路A113，第二峰值检测/保持电路B112的输出信号m1及输入信号k1加给差动放大电路A114。各差动放大电路A113、A114的输出信号波形如图13D所示，分别为n1和o1。

信号波形n1及o1经限幅放大电路A12放大，变成图13E所示的信号波形p1及q1。再经比较器2进行电压值比较，变成可逻辑识别的脉冲信号数据串波形S(图13F)并加以输出。

由此，各猝发脉冲期间的n1和o1、p1和q1的直流电平分别相等，故大电平猝发脉冲信号后隔开短间隔输入的小电平猝发脉冲信号能够再现。使用该第五实施形态中基本放大电路B1构成的光接收电路，不言而喻，具有与第一实施形态电路的同样效果。

图14为本发明第六实施形态中放大电路的电路图。图14中的放大电路由与图11所示第五实施形态中基本放大电路B1相同结构的基本放大电路B1～Bn n级级联而成，各基本放大电路B1～Bn的复原信号端Vreset间加设延迟电路C1～Cn-1，取第一级基本放大电路B1的复原信号端作为总的复原信号端Vreset。

若使所有级联级同时复原，由于各级电路输出同时变化，第二级后的电路受前级输出响应特性的影响，不能进行正确的复原，所以要插入所述延迟电路C1～Cn-1，使得从第一级依序进行复原操作，从而能将各级复原到初始状态。

作为上述结构的本发明第六实施形态的图14多级级联放大电路，与图5第二实施形态电路有同样的效果，同时与图11第五实施形态电路有同样的效果。

本发明第七实施形态的基本放大电路其基本结构与图11所示第五实施形态的结构相同，但其限幅放大电路A12具有固定的输出偏移电压。

图15A～图15F示出将该第七实施形态基本放大电路作为图12所示基本放大电路B1构成的光接收电路中各部分的信号波形。从图15F所示输出数据波形可见，在无信号输入期间不产生误码，输出始终用逻辑“0”，具有与第三实施形态电路相同的效果，并且能再现大电平猝发脉冲信号后隔开短间隔输入的小电平猝发脉冲信号，具有与第五实施形态电路相同的效果。

本发明第八实施形态的基本结构与图14所示第六实施形态的结构相同，但是，n级级联的基本放大电中B1～Bn中的末级基本放大电路Bn的限幅放大电路An2具有固定的输出偏移电压，所以无信号输入期间，不产生误码，输出总是逻辑“0”，具有与第三、第五实施形态电路的相同效果。

以上，就本发明示出了几个较佳实施形态，并详细说明了其运作和功能。按照本发明的放大电路单元及放大电路，在偏移补偿电路之后设有限幅放大电路，该偏移补偿电路检测、保持差动输入信号波形中各正、反相的峰值，并输出正相输入信号与其峰值的差和反相输入信号与其峰值的差，所述限幅放大电路将上述偏移补偿电路的差动输出信号作为输入信号加以放大，并保持输出信号幅度不变，所以能提供一种同时具有数据输入起始时高速响应性和同编码连续段持续性，且对瞬时变化的信号电平能高速跟踪的光接收电路用放大电路。

不言而喻，在下面记载的权利要求书范围内可对上述具体实施例作种种变化。

Claims (8)

1.一种放大电路单元，其特征在于，备有偏移补偿电路和限幅放大电路，

所述偏移补偿电路结构上包含将差动输入信号的正相输入信号作为输入的第一峰值检测/保持电路、将所述差动输入信号的反相输入信号作为输入的第二峰值检测/保持电路、将所述正相输入信号和所述第一峰值检测/保持电路的输出信号作为输入，并输出其差的第一差动放大电路，以及将所述反相输入信号和所述第二峰值检测/保持电路的输出信号作为输入，并输出其差的第二差动放大电路，

所述限幅放大电路将所述第一和第二差动放大电路的输出信号作为输入，并输出幅度固定的信号。

2.如权利要求1所述的放大电路单元，其特征在于，所述限幅放大电路具有固定的输出偏移电压。

3.如权利要求1所述的放大电路单元，其特征在于，构成所述偏移补偿电路的所述第一峰值检测电路和第二峰值检测/保持电路具有复原信号端，通过将信号施加给该复原信号端使得所述第一峰值检测/保持电路的输入信号与输出信号、及所述第二峰值检测/保持电路的输入信号与输出信号基本上等电位。

4.如权利要求3所述的放大电路单元，其特征在于，所述限幅放大电路具有固定的输出偏移电压。

5.一种放大电路，其特征在于，它由权利要求1所述的放大电路单元多级级联而成。

6.如权利要求5所述的放大电路，其特征在于，所述多级级联的放大电路单元的末级采用权利要求2所述的放大电路单元。

7.一种放大电路，其特征在于，结构上将权利要求3所述的放大电路单元多级级联，级联后的各放大电路单元的所述复原信号端间分别设有延迟电路，使得施加给第一级放大电路单元的复原端的信号经各延迟电路供给第二级及其以后的放大电路单元。

8.如权利要求7所述的放大电路，其特征在于，所述多级级联的放大电路单元的末级采用权利要求4所述的放大电路单元。

Images