CN113114126A - 一种眼图交叉点调节电路及其设计方法 - Google Patents

一种眼图交叉点调节电路及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种眼图交叉点调节电路及其设计方法，DCOC直流失调补偿环路连接在多级限幅放大器的首尾两端，用于将输出的偏差进行放大后反馈至多级限幅放大器的输入，通过多级限幅放大器LA1～LAn进行放大限幅，同时改变信号的占空比与DC点位置，多级限幅放大器之间嵌入设置有直流预失调单元，通过含直流预失调单元的LAn处进行DC补偿，实现眼图交叉点位置的改变。本发明结构独立于时钟单元，在驱动器级实现信号占空比改变，且能够做到对后级的失调提前进行补偿，极大提高了系统灵活性。

Description

一种眼图交叉点调节电路及其设计方法
技术领域
本发明属于光通信芯片设计技术领域，具体涉及一种眼图交叉点调节电路及其设计方法。
背景技术
随着数据传输速率的逐年提升，光载波凭借其巨大的容量，在通信领域中有举足轻重的地位。光通信系统中，激光驱动器用于将电压信号转化为电流信号，通过激光器发射出对应光功率信号，而占空比失真将严重影响输出信号的眼图质量，对于调节眼图交叉点的方法可大致分为计算占空比偏差后进行自动调整的数字实现方法以及对输入级共模点进行控制的模拟方法。考虑到数据传输中，驱动器自身以及通道损失对信号质量的影响，单凭时钟模块或时间数据恢复模块的占空比自动调节功能可能无法完全消除信号占空比的失调。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种眼图交叉点调节电路及其设计方法，能够在任何情况下针对信号占空比进行灵活的调整，且并不改变电路的正常工作状态。
本发明采用以下技术方案：
一种眼图交叉点调节电路，包括DCOC直流失调补偿环路，DCOC直流失调补偿环路连接在多级限幅放大器的首尾两端，用于将输出的偏差进行放大后反馈至多级限幅放大器的输入，通过多级限幅放大器LA1～LAn进行放大限幅，同时改变信号的占空比与DC点位置，多级限幅放大器之间嵌入设置有直流预失调单元，通过含直流预失调单元的LAn处进行DC补偿，实现眼图交叉点位置的改变。
具体的，多级限幅放大器采用CML结构，多级限幅放大器的输入和输出均为全差分信号。
具体的，直流预失调单元采用CML结构，从多级限幅放大器的中间级LAn引入，通过数字逻辑信号调整提供给中间级LAn负载的失调电流大小。
进一步的，直流预失调单元包括差分管Q1和差分管Q2，主通路多级限幅放大器尾电流源I1的一端接地，另一端分两路，分别连接差分管Q1和差分管Q2的发射集连接，差分管Q1的基极连接MIN，差分管Q2的基极连接PIN，差分管Q1的集电极分两路，一路分别与NOUT和差分管Q4的集电极连接，另一路经电阻R1后与电感L1的一端连接；差分管Q2的集电极分两路，一路分别与POUT和差分管Q3的集电极连接，另一路经电阻R2与电感L2的一端连接；差分管Q3的基极与电阻R3的一端连接，差分管Q3的发射集与开关管M1的漏极连接，开关管M1的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；差分管Q4的基极与电阻R4的一端连接，差分管Q4的发射集与开关管M2的漏极连接，开关管M2的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；开关管M1的栅极和开关管M2的栅极连接眼图交叉点上移或者下移的数字控制信号；电感L1的另一端分别与电感L2、电阻R3和电阻R4的另一端连接。
具体的，全差分的DCOC直流失调补偿环路对多级限幅放大器含有预失调差分的两条路径均进行补偿，差分路径上的直流失调量分别实现眼图交叉点的上移或下移。
进一步的，DCOC直流失调补偿环路上的放大器采用含有共模反馈结构的全差分放大器。
具体的，眼图交叉点调节电路独立于时钟单元。
本发明的另一技术方案是，一种眼图交叉点调节电路的设计方法，包括以下步骤：
S1、设计多级限幅放大器，预先调整多级限幅放大器各级增益以及限幅位置，保证在最大offset引入时，多级限幅放大器能够在输出实现满摆幅限幅；
S2、设计直流预失调单元，根据眼图交叉点调节比例的线性关系以及步骤S1多级限幅放大器尾电流值确定预失调电流大小与调节范围；
S3、根据步骤S2设计的直流预失调单元所提供最大offset以及多级限幅放大器自身失调确定DCOC直流失调补偿环路的最大输出电流，将步骤S3中设计的DCOC直流失调补偿环路跨接在步骤S1设计的多级限幅放大器的两端，并将步骤S2中的直流预失调单元嵌入多级限幅放大器级间，利用步骤S1设计的多级限幅放大器通过步骤S2设计的直流预失调单元提供的失调电压实现信号占空比的改变，利用DCOC直流失调补偿环路重新将直流预失调单元同时产生的失调DC进行补偿，最终输出只改变占空比的信号，在眼图上反应为眼图交叉点的调节。
具体的，步骤S1中，多级限幅放大器的前三级LA实现灵敏度信号的放大至满摆幅，多级限幅放大器的后两级提供增益用于补偿DC预失调信号。
具体的，步骤S2中，根据多级限幅放大器自身尾电流的多级限幅放大器的负载确定预失调电流的大小。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种眼图交叉点调节电路，多级的限幅放大器将信号进行放大限幅，预失调单元的引入位于中间级，因此并不影响输出的眼图质量；且改变眼图交叉点的方式为单信道中信号占空比改变，而非眼图上下边沿速率改变，保证了眼图质量的同时减小了工艺误差对于该功能实现的影响，由于整体环路包括DCOC模块，在眼图交叉点改变时不会出现DC偏差，因此能够对后续驱动电路所产生的失调进行补偿。且整体环路不需要时钟，结构较为简单，使用比较灵活。
进一步的，多级CML结构的全差分限幅放大器有良好的电源噪声抑制性能，通过离散化的峰值电感处理将多级限幅放大器LA的带宽提高，多级限幅放大器引入的同时会使各级所引入的offset逐级放大，并最终导致DC失调问题，由DCOC直流失调补偿环路进行消除，直流预失调单元用于引入DC电压，通过多级限幅放大器的特性改变信号占空比时实现对眼图交叉点位置的改变。
进一步的，预失调模块位于多级LA之间，并同样采用CML结构，与LA主通路共用同一负载，降低设计复杂度，数字可调节尾电流便于眼图交叉点进行定量的数字调节。
进一步的，眼图交叉点改变比例与预失调单元尾电流线性正相关，可利用数字逻辑控制信号实现数字调整，也可利用其线性关系进行更加灵活的操作控制。
进一步的，利用全差分的DCOC直流失调补偿环路，其工作点由共模反馈环路稳定在参考电压，确保了在改变眼图交叉点位置的同时并不影响电路前后级DC工作点。
进一步的，为减小输出DC失调，反馈路径上的放大器增益较高，因此带有高阻负载，而全差分放大器面对高阻负载需要加入共模反馈稳定放大器的输出DC点。全差分放大器能够实现对差分的两条支路分别提供DC补偿，从而分别实现眼图交叉点的上移以及下移。
进一步的，眼图交叉点调节电路独立于时钟单元，能够在光驱动器级完成对眼图交叉点的调整，大大提高了系统总体的灵活性。
一种眼图交叉点调节电路的设计方法，将预失调电压引入多级限幅放大器，通过DCOC完成对引起失调的DC补偿，最终输出仅改变眼图交叉点的信号。总体思路较为简单，便于在设计过程中不对其他模块构成影响。
进一步的，前三级限幅放大器完成对于原始信号的放大限幅，后续接入预失调模块，便于其有足够的灵敏度对眼图交叉点进行调节，后两级LA完成对处理后信号的眼图优化，使眼图保持限幅状态，且保证了稳定的输出负载特性。
进一步的，由于预失调模块与LA主通路共用同一负载，因此失调电流与眼图交叉点变化呈线性关系，预失调电流大小也由LA自身尾电流确定。
综上所述，本发明结构独立于时钟单元，在驱动器级实现信号占空比改变，且能够做到对后级的失调提前进行补偿，极大提高了系统灵活性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明眼图交叉点调节模块结构示意图；
图2为本发明直流预失调单元电路结构示意图；
图3为本发明改变信号占空比所引起眼图交叉点上移效果图；
图4为本发明改变信号占空比所引起眼图交叉点下移效果图；
图5为本发明眼图交叉点调整后效果图，其中，(a)为眼图交叉点下移至39％，(b)为眼图交叉点位于50％，(c)为眼图交叉点上移至61％。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种眼图交叉点调节电路及其设计方法，能够在光驱动器级完成对眼图交叉点的调整，大大提高了系统总体的灵活性。其中采用多级的限幅放大器将信号进行放大限幅，预失调单元的引入位于中间级，且与DCOC环路结合稳定输出DC点，并不影响输出的眼图质量。本发明所采用的改变眼图交叉点的方式为单通道中信号占空比改变，而非眼图上下边沿速率改变，从而在保证了眼图质量的同时减小了工艺误差对于该功能实现的影响，节省了设计成本。
请参阅图1，本发明一种眼图交叉点调节电路，包括多级限幅放大器，DCOC直流失调补偿环路和直流预失调单元；直流预失调单元嵌于多级限幅放大器之间，DCOC直流失调补偿环路连接在多级限幅放大器的首尾两端，DCOC直流失调补偿环路将输出的毫伏级电压(<5mV，输出摆幅500mV)偏差进行放大并反馈到多级限幅放大器的输入，由多级限幅放大器LA1～LAn进行放大限幅，同时改变信号的占空比与DC点位置，在经过含直流预失调单元的LAn处进行DC补偿，最终输出单端占空比改变的信号，在差分眼图上实现眼图交叉点位置的改变；相对于数字实现方法，不依赖时钟模块，能够独立完成对于眼图交叉点的调节，实现激光驱动器芯片对眼图交叉点的自主调节。
其中，限幅放大器采用CML结构，输入输出均为全差分信号。
直流预失调单元通过限幅放大器的中间级LAn引入，同样采用CML结构，通过数字逻辑信号调整提供给LAn负载的失调电流大小；DCOC直流失调补偿环路要求对差分的两条含有直流预失调单元的路径均进行补偿，DCOC直流失调补偿环路上的放大器采用含有共模反馈结构的全差分放大器。
请参阅图2，直流预失调单元包括数字挡位的尾电流调节模块，实现了多级限幅放大器LA中间级DC offset电压的引入，并由全差分DCOC直流失调补偿环路进行DC点的补偿，确保全差分主通路的DC点的一致性，实现了眼图交叉点的数字化调节。
主通路多级限幅放大器LA尾电流源I1的一端接地，另一端分两路，分别连接差分管Q1和差分管Q2的发射集连接，差分管Q1的基极连接MIN，差分管Q2的基极连接PIN，差分管Q1的集电极分两路，一路分别与NOUT和差分管Q4的集电极连接，另一路经电阻R1后与电感L1的一端连接；
差分管Q2的集电极分两路，一路分别与POUT和差分管Q3的集电极连接，另一路经电阻R2与电感L2的一端连接；
差分管Q3的基极与电阻R3的一端连接，差分管Q3的发射集与开关管M1的漏极连接，开关管M1的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；差分管Q4的基极与电阻R4的一端连接，差分管Q4的发射集与开关管M2的漏极连接，开关管M2的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；开关管M1的栅极和开关管M2的栅极连接眼图交叉点上移或者下移的数字控制信号；电感L1的另一端分别与电感L2、电阻R3和电阻R4的另一端连接。本发明提供的眼图交叉点调节电路能够应用于激光驱动器前限幅放大器。
本发明一种眼图交叉点调节电路的设计方法，包括以下步骤：
S1、多级限幅放大器LA以及电感峰化配合的带宽优化设计方案，预先调整限幅放大器LA各级增益以及限幅位置，保证在最大offset引入时，限幅放大器LA依旧能够在输出实现满摆幅限幅；
每级限幅放大器LA以较低的增益换取相对较大的带宽，并通过连续的电感峰化技术减小放大器级联所引起的带宽下降，其中前三级限幅放大器LA实现灵敏度信号的放大至满摆幅，后两级提供增益用于补偿DC预失调信号。
S2、设计直流预失调单元，根据眼图交叉点调节比例的线性关系以及步骤S1多级限幅放大器尾电流值确定预失调电流大小与调节范围，直流预失调单元的尾电流与眼图交叉点移动的百分比呈线性关系，根据主通路尾电流大小按照眼图交叉点改变的比例算出预失调电流的大小；
为减少电源对于主通路大信号变化的干扰，多级限幅放大器，DCOC直流失调补偿环路和直流预失调单元均采用全差分结构。为保证DCOC直流失调补偿环路的精度，实现高增益环路，放大器有千欧级别的输出阻抗；同时，高阻负载所引入的DC不稳问题通过DCOC直流失调补偿环路进行钳制。
最终通过驱动与多级限幅放大器LA所匹配的差分模块，完成差分输出的DCOFFSET消除。
S3、根据步骤S2设计的直流预失调单元所提供最大offset以及多级限幅放大器LA自身失调确定DCOC直流失调补偿环路的最大输出电流，即将限幅放大器进行蒙特卡洛仿真得到的3δ内的offset电压值最大值进行输入等效(乘增益)再除以负载电阻再加上预失调模块所能提供最大的尾电流。
将步骤S3中设计的DCOC直流失调补偿环路跨接在步骤S1设计的多级限幅放大器的两端，并将步骤S2中的直流预失调单元嵌入限幅放大器级间。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本电路应用于28Gbps NRZ VCSEL激光发射器驱动器芯片中，实现了36％～61％的输出眼图交叉点变化范围的调节，如图5所示。本电路基于限幅放大器实现了眼图交叉点的调节，且DC点稳定，没有出现DC失调现象。
请参阅图3，为本发明提出的改变信号占空比所引起眼图交叉点改变效果原理图，由LA3引入直流偏差导致输出DC偏移，后续经过限幅放大器进行放大限幅，完成信号占空比改变，从而实现眼图交叉点调节。
请参阅图4，可见全差分结构的差分两端信号分别对与N支路与P支路提供预失调电流能够实现眼图交叉点的上移以及下移，能够针对实际输出情况进行灵活调节。
请参阅图5，本发明电路基于限幅放大器实现了眼图交叉点的调节，分别实现了交叉点下移至39％及上移至61％，并从结果看输出未产生DC失调，输出信号稳定，从而独立完成了对于眼图交叉点的调节，眼图质量也在交叉点调节时未发生明显变化，保持了整体性能的稳定。
综上所述，本发明一种眼图交叉点调节电路及其设计方法，通过调节信号占空比实现眼图交叉点调节，独立于收发系统的时钟电路模块，简化了设计复杂度，降低设计成本；基于限幅放大器模块，且可进行多挡位灵活调节，设计自由度大；配合了DCOC直流失调消除模块，在眼图交叉点调节时保持输出DC点恒定，拥有稳定的输出特性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种眼图交叉点调节电路，其特征在于，包括DCOC直流失调补偿环路，DCOC直流失调补偿环路连接在多级限幅放大器的首尾两端，用于将输出的偏差进行放大后反馈至多级限幅放大器的输入，通过多级限幅放大器LA1～LAn进行放大限幅，同时改变信号的占空比与DC点位置，多级限幅放大器之间嵌入设置有直流预失调单元，通过含直流预失调单元的LAn处进行DC补偿，实现眼图交叉点位置的改变。
2.根据权利要求1所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，多级限幅放大器采用CML结构，多级限幅放大器的输入和输出均为全差分信号。
3.根据权利要求1所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，直流预失调单元采用CML结构，从多级限幅放大器的中间级LAn引入，通过数字逻辑信号调整提供给中间级LAn负载的失调电流大小。
4.根据权利要求3所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，直流预失调单元包括差分管Q1和差分管Q2，主通路多级限幅放大器尾电流源I1的一端接地，另一端分两路，分别连接差分管Q1和差分管Q2的发射集连接，差分管Q1的基极连接MIN，差分管Q2的基极连接PIN，差分管Q1的集电极分两路，一路分别与NOUT和差分管Q4的集电极连接，另一路经电阻R1后与电感L1的一端连接；差分管Q2的集电极分两路，一路分别与POUT和差分管Q3的集电极连接，另一路经电阻R2与电感L2的一端连接；差分管Q3的基极与电阻R3的一端连接，差分管Q3的发射集与开关管M1的漏极连接，开关管M1的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；差分管Q4的基极与电阻R4的一端连接，差分管Q4的发射集与开关管M2的漏极连接，开关管M2的源级经数字可调的预失调电流源I2后接地；开关管M1的栅极和开关管M2的栅极连接眼图交叉点上移或者下移的数字控制信号；电感L1的另一端分别与电感L2、电阻R3和电阻R4的另一端连接。
5.根据权利要求1所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，全差分的DCOC直流失调补偿环路对多级限幅放大器含有预失调差分的两条路径均进行补偿，差分路径上的直流失调量分别实现眼图交叉点的上移或下移。
6.根据权利要求5所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，DCOC直流失调补偿环路上的放大器采用含有共模反馈结构的全差分放大器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的眼图交叉点调节电路，其特征在于，眼图交叉点调节电路独立于时钟单元。
8.根据权利要求1所述眼图交叉点调节电路的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计多级限幅放大器，预先调整多级限幅放大器各级增益以及限幅位置，保证在最大offset引入时，多级限幅放大器能够在输出实现满摆幅限幅；
S2、设计直流预失调单元，根据眼图交叉点调节比例的线性关系以及步骤S1多级限幅放大器尾电流值确定预失调电流大小与调节范围；
S3、根据步骤S2设计的直流预失调单元所提供最大offset以及多级限幅放大器自身失调确定DCOC直流失调补偿环路的最大输出电流，将步骤S3中设计的DCOC直流失调补偿环路跨接在步骤S1设计的多级限幅放大器的两端，并将步骤S2中的直流预失调单元嵌入多级限幅放大器级间，利用步骤S1设计的多级限幅放大器通过步骤S2设计的直流预失调单元提供的失调电压实现信号占空比的改变，利用DCOC直流失调补偿环路重新将直流预失调单元同时产生的失调DC进行补偿，最终输出只改变占空比的信号，在眼图上反应为眼图交叉点的调节。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S1中，多级限幅放大器的前三级LA实现灵敏度信号的放大至满摆幅，多级限幅放大器的后两级提供增益用于补偿DC预失调信号。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2中，根据多级限幅放大器自身尾电流的多级限幅放大器的负载确定预失调电流的大小。
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