CN114337641A - 一种控制信号产生电路、自动增益控制环路以及tia - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种控制信号产生电路，自动增益控制环路以及跨阻放大器TIA，其中，所述控制信号产生电路包括：电压‑电流转换电路，电流比较电路以及电压生成电路；其中，所述电压‑电流转换电路，用于将输入的待控制电压信号转化为其对应的待控制电流信号，以及将输入的参考电压信号转化为其对应的参考电流信号；所述电流比较电路，用于将产生的所述待控制电流信号和所述参考电流信号进行比较，产生差值电流信号；所述电压生成电路，用于基于所述差值电流信号，生成电压控制信号。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路的控制领域，尤其涉及一种控制信号产生电路、应用于跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)的自动增益控制环路以及TIA。
背景技术
随着5G技术的发展，现代高速光通信系统对高速率TIA的需求越来越大。TIA芯片通常通过键合(wirebonding)的方式连接在片上光探测器(Photoconductive Detector，PD)之后，放大PD的输出交流电流，并抑制PD的输出直流电流。TIA作为光接收机的最前端，决定了整个接受系统的性能。
TIA第一级TIA核心放大级将输入电流信号转化成电压信号，在提供尽可能大的增益的同时需要抑制链路中的噪声。第二级是可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)，VGA在链路中不仅需要提供一定的增益，还需要针对不同的PD输出电流，即TIA输入电流，调整整体链路的增益，将输出摆幅控制在某个特定值附近。VGA控制方法有手动增益控制和自动增益控制两种，手动增益控制一般通过寄存器将控制信号给到VGA的控制信号，实现增益控制。现有的自动增益控制是检测TIA的输出信号摆幅，采用多级运算放大器完成对TIA的输出信号与参考信号的比较，产生控制信号作用于VGA，实现增益控制，这种控制信号产生模块不仅占用较多面积，同时由于多个放大器的级联，在控制环路中容易产生不稳定性。参考电压的产生方式有两种，有片外输入和片内产生两种，片外输入的参考电压需要芯片预留额外的PIN口，不仅会消耗额外的面积，还增加了设计的复杂度。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种控制信号产生电路、自动增益控制环路以及TIA。
本申请实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种控制信号产生电路，包括：电压-电流转换电路，电流比较电路以及电压生成电路；其中，
所述电压-电流转换电路，用于将输入的待控制电压信号转化为其对应的待控制电流信号，以及将输入的参考电压信号转化为其对应的参考电流信号；
所述电流比较电路，用于将产生的所述待控制电流信号和所述参考电流信号进行比较，产生差值电流信号；
所述电压生成电路，用于基于所述差值电流信号，生成电压控制信号。
第二方面，本申请实施例提供了一种控制信号产生器，包括本申请任一实施例所提供的控制信号产生电路。
第三方面，本申请实施例提供了一种应用于TIA的自动增益控制环路，包括本申请任一实施例所提供的控制信号产生器、包络检波器、第一运算放大器以及第二运算放大器；其中，
所述包络检波器，用于将所述TIA输出的差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出直流电压；以及，将所述TIA的理想输出差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出理想电压；
所述第一运算放大器，用于将所述理想电压和所述直流电压作为第一运算放大器的输入，对应输出待控制电压信号；
所述第二运算放大器，用于将两个所述理想电压作为所述第二运算放大器的输入，对应输出参考电压信号；
所述控制信号产生器，用于将所述待控制电压信号和所述参考电压信号作为所述控制信号产生器的输入，对应输出电压控制信号并将所述电压控制信号作用于所述TIA的VGA。
第四方面，本申请实施例提供了一种TIA，包括本申请任一实施例所提供的自动增益控制环路。
本申请实施例具有以下有益效果：本申请提供的一种控制信号产生电路，包括：电压-电流转换电路，电流比较电路以及电压生成电路；其中，所述电压-电流转换电路，用于将输入的待控制电压信号转化为其对应的待控制电流信号，以及将输入的参考电压信号转化为其对应的参考电流信号；所述电流比较电路，用于将产生的所述待控制电流信号和所述参考电流信号进行比较，产生差值电流信号；所述电压生成电路，用于基于所述差值电流信号，生成电压控制信号。通过晶体管自身的电压-电流转换能力以及电流在支路中的减法效应，直接实现了待控制信号与参考信号之间比较功能，避免了多级放大器带来的不稳定性和设计困难，并节省了多级放大器占用的额外面积。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种控制信号产生电路示意图；
图2是本申请另一实施例提供的一种控制信号产生电路示意图；
图3是本申请实施例提供的一种应用于TIA的自动增益控制环路示意图；
图4是本申请实施例提供的一种TIA。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请实施例中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
为了能够更加详尽地了解本申请的特点与技术内容，下面结合附图对本申请的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请。
图1为本申请实施例提供的一种控制信号产生电路的示意图，如图1所示，所述控制信号产生电路包括电压-电流转换电路10，电流比较电路11以及电压生成电路12；其中，
所述电压-电流转换电路10，用于将输入的待控制电压信号转化为其对应的待控制电流信号，以及将输入的参考电压信号转化为其对应的参考电流信号；
所述电流比较电路11，用于将产生的所述待控制电流信号和所述参考电流信号进行比较，产生差值电流信号；
所述电压生成电路12，用于基于所述差值电流信号，生成电压控制信号。
这里，通过将待控制电压信号与参考电压信号分别转换为其对应的待控制电流信号和参考电流信号，将待控制电流信号和参考电流信号进行比较，得到差值电流信号，基于差值电流信号生成电压控制信号。电流之间的比较相比于传统的运用多级放大器进行电压之间的比较，实现起来简单、稳定，避免了多级放大器带来的不稳定性和设计困难，并节省了多级放大器占用的额外面积。
本申请另一实施例中，所述电压-电流转换电路包括第一P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管；其中，
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的栅极连接所述待控制电压信号，所述第一PMOS管的漏极输出第一待控制电流信号，所述第二PMOS管的漏极输出第二待控制电流信号，所述第一待控制电流信号和所述第二待控制电流信号相同；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极连接所述参考电压，所述第三PMOS管的漏极输出第一参考电流信号，所述第四PMOS管的漏极输出第二参考电流信号，所述第一参考电流信号和所述第二参考电流信号相同。
这里，利用PMOS管自身的电压-电流转换能力，十分方便地实现了将电压信号转化为其对应的电流信号。
本申请另一实施例中，所述电流比较电路，用于：
将所述第一待控制电流信号和所述第一参考电流信号进行比较，得到第一差值电流信号；以及，
将所述第二待控制电流信号和所述第二参考电流信号进行比较，得到第二差值电流信号。
具体地，将所述第一待控制电流信号减去所述第一参考电流信号，得到第一差值电流信号；以及，
将所述第二参考电流信号减去所述第二待控制电流信号，得到第二差值电流信号。
本申请又一实施例中，所述电流比较电路包括第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，所述第二电路包括第四电流镜、第五电流镜以及第六电流镜；其中，
在所述第一电路中，所述第一待控制电流信号经过所述第一电流镜和所述第二电流镜，所述第一参考电流信号经过所述第三电流镜，从而所述第一待控制电流信号和所述第一参考电流信号转化到同一个支路中进行减法操作，产生第一差值电流信号；
在所述第二电路中，所述第二参考电流信号经过所述第四电流镜和所述第五电流镜，所述第一待控制电流信号经过所述第六电流镜，从而所述第二待控制电流信号和所述第二参考电流信号转化到同一个支路中进行减法操作，产生第二差值电流信号。
这里，利用电流镜，将待控制电流信号与参考信号转化到同一个电流支路中，根据基尔霍夫定律，串联的电流信号会自动进行减法操作，得到第一差值电流信号和第二差值电流信号。通过电流在支路中的减法效应，直接实现了“比较”功能，避免了采用多级放大器直接进行电压比较带来的不稳定性和设计困难，并节省了多级放大器占用的额外面积。
本申请另一实施例中，所述电压生成电路，用于，
基于所述第一差值电流信号和所述第二差值电流信号，生成第一差值电压信号和第二差值电压信号；
其中，所述第一差值电压信号和所述第二差值电压信号组成差分控制信号。
具体地，所述电压生成电路包括第一异质结双极晶体管(HeterojunctionBipolar Transistor，HBT)、第二HBT管、第三HBT管、第四HBT管、第一电阻、和第二电阻，其中，
所述第一HBT管、第二HBT管、第一电阻串联连接，所述第三HBT管、第四HBT管、第二电阻串联连接，第一电阻一端接电源，另一端与第一HBT管的集电极连接，第一HBT管的发射极与第二HBT管的集电极连接，第二HBT管的发射极接地，第二电阻一端接与所述第一电阻连接的同一电源，另一端与第三HBT管的集电极连接，第三HBT管的发射极与第四HBT管的集电极连接，第四HBT管的发射极接与所述第二HBT管的发射极连接的同一地，所述第一差值电流与所述第一HBT管的发射极连接，所述第二差值电流与所述第三HBT管的发射极连接，所述第一HBT管、第二HBT管、第三HBT管、第四HBT管的基极都有偏置电压，它们等同于固定电流源，这样，第一差值电流便决定了由第一HBT管、第二HBT管和第一电阻组成的支路的电流大小，从而决定第一电阻的压降和第一HBT管与第一电阻之间连接处的电压，第一HBT管与第一电阻之间连接处的电压即为所述第一差值电压信号，同理，第二差值电流决定了第二电阻的压降和第三HBT管与第二电阻之间连接处的压降，第三HBT管与第二电阻之间连接处的电压即为所述第二差值电压信号，所述第一差值电压信号和所述第二差值电压信号组成差分控制信号。
基于此，本申请另一实施例中，所述电压生成电路包括HBT管和电阻。
本申请另一实施例提供一种控制信号产生器，其中，所述控制信号产生器包括任一项前述实施例所提供的控制信号产生电路。
本申请又一实施例提供一种应用于TIA的自动增益控制环路(Automatic GainControl loop，AGC loop)，该自动增益控制环路包括本申请上一实施例所提供的控制信号产生器，包络检波器(Peak Detector，PKD)、第一运算放大器(Opamp)以及第二运算放大器；其中，
所述包络检波器，用于将所述TIA输出的差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出直流电压；以及，将所述TIA的理想输出差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出理想电压；
所述第一运算放大器，用于将所述理想电压和所述直流电压作为第一运算放大器的输入，对应输出待控制电压信号；
所述第二运算放大器，用于将两个所述理想电压作为所述第二运算放大器的输入，对应输出参考电压信号；
所述控制信号产生器，用于将所述待控制电压信号和所述参考电压信号作为所述控制信号产生器的输入，对应输出电压控制信号并将所述电压控制信号作用于所述TIA的VGA。
这里，将TIA理想输出差分电压输入包络检波器得到理想电压，再经过所述第一运算放大器得到参考电压信号，相比于从TIA上直接产生参考电压信号，实现难度更小，通过采用本申请实施例提供的自动增益控制环路，利用晶体管自身的电压-电流转换能力以及电流在支路中的减法效应，直接实现了待控制信号与参考信号之间比较功能，避免了多级放大器带来的不稳定性和设计困难，并节省了多级放大器占用的额外片上面积。
整个AGC loop都呈现出低通的频率响应特征，这使得高频信号不会经过AGC_loop反馈回VGA电路，造成不必要的串扰。
本申请另一实施例提供一种TIA，所述TIA中包括前述实施例中所提供的任一项自动增益控制环路。
为了方便理解，下面结合具体实施例对本申请所提供的控制信号产生电路、自动增益控制环路和跨阻放大器做出更详细的解释。需要说明的是，本申请具体实施例的控制信号产生电路、自动增益控制环路和跨阻放大器的电路组成并不仅限于本申请实施例中的具体电路。
图2为本申请实施例提供的一种控制信号产生电路的电路图，图2中，待控制电压信号V_in作为PMOS管Q1的栅极输入，PMOS管Q1的漏极输出待控制电流信号I_in1，参考电压信号V_ref作为PMOS管Q2的栅极输入，PMOS管Q2的漏极输出待控制电流信号I_ref1，所述I_in1经过电流镜C1和电流镜C2，所述I_ref1经过电流镜C3后，所述I_in1和I_ref1便转化到同一支路中，根据基尔霍夫定律，I_in1和I_ref1自动进行减法效应，得到第一差值电流I_p，参考电压信号V_ref作为PMOS管Q3的栅极输入，PMOS管Q3的漏极输出待控制电流信号I_ref2，待控制电压信号V_in作为PMOS管Q4的栅极输入，PMOS管Q1的漏极输出待控制电流信号I_in2，所述I_ref2经过电流镜C4和电流镜C5，所述I_in2经过电流镜C6后，所述I_in2和I_ref2便转化到同一支路，根据基尔霍夫定律，I_in2和I_ref2自动进行减法效应，得到第二差值电流I_n。
I_p与HBT管H1的发射极连接，I_n与HBT管H3的发射极连接，HBT管H1与HBT管H3的基极有相同的偏置电压Vb1，HBT管H2与H4有相同的偏置电压Vb2，它们等同于固定电流源，这样，HBT管H1、HBT管H2和电阻R1组成的支路中的电流由I_p决定，从而电阻R1的压降I_p决定，I_p决定了第一电压控制信号Vctrl_p，同理，I_n决定了第二控制电压信号Vctrl_n，所述Vctrl_p、Vctrl_n组成差分控制信号。
图3为本申请实施例提供的一种应用于TIA的自动增益控制环路，如图3所示，图中Vctrl Generaton是本申请实施例提供的控制信号产生器，所述控制信号产生器中包括本申请实施例中任一项所提供的控制信号产生电路。
图3中TIA的输出差分电压AGC_in_p、AGC_in_n作为包络检波器PKD的输入，包络检波器PKD输出与输入信号幅度大小对应的直流电压Vpkd，Vpkd随着输入信号的幅度增大而单调增大。将TIA的理想输出差分电压作为包络检波器PKD的输入，在本申请优选实施例中，TIA的理想输出差分电压信号摆幅为400mv，包络检波器PKD输出其对应电压V1，所述Vpkd、V1作为第一运算放大器Opamp1的输入，Opamp1输出待控制电压信号V_in，两个所述V1第二运算放大器Opamp2的输入，Opamp2输出参考电压信号V_ref，所述V_in、V_ref作为控制信号产生器Vctrl Generaton的输入，控制信号产生器输出控制信号Vctrl_p、Vctrl_n作用于所述TIA的VGA，实现自动增益控制。
整个AGC_loop都呈现出低通的频率响应特征，这使得高频信号不会经过AGC_loop反馈回VGA电路，造成不必要的串扰。
图4为本申请实施例提供的一种TIA，如图4所示，图4中的自动增益控制环路包括本申请实施例所提供的任一项自动增益控制环路。
图中PD的输出信号RFIN_X作为第一级TIA核心放大级组的输入，第一级TIA核心放大级组将输入的电流信号转化成电压信号TIA_OUT_N、TIA_OUT_P，所述TIA_OUT_N、TIA_OUT_P作为VGA的输入，经过VGA增益放大后，输出驱动输出增益放大后的信号，自动增益控制环路采集输出驱动输出的信号，基于输出驱动的输出信号，自动增益控制环路产生控制信号作用于VGA，完成自动增益控制。
图中DCOC模块采样增益放大模块输出差分信号的DC电平，采用负反馈技术抵消由差分放大中的失配引起的DC电平差值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种控制信号产生电路，其特征在于，该控制信号产生电路包括：电压-电流转换电路，电流比较电路以及电压生成电路；其中，
所述电压-电流转换电路，用于将输入的待控制电压信号转化为其对应的待控制电流信号，以及将输入的参考电压信号转化为其对应的参考电流信号；
所述电流比较电路，用于将产生的所述待控制电流信号和所述参考电流信号进行比较，产生差值电流信号；
所述电压生成电路，用于基于所述差值电流信号，生成电压控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电压生成电路包括异质结双极晶体管HBT管和电阻。
3.根据权利要求1所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电压-电流转换电路包括第一P沟道金属氧化物半导体PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管；其中，
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的栅极连接所述待控制电压信号，所述第一PMOS管的漏极输出第一待控制电流信号，所述第二PMOS管的漏极输出第二待控制电流信号，所述第一待控制电流信号和所述第二待控制电流信号相同；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极连接所述参考电压，所述第三PMOS管的漏极输出第一参考电流信号，所述第四PMOS管的漏极输出第二参考电流信号，所述第一参考电流信号和所述第二参考电流信号相同。
4.根据权利要求3所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电流比较电路，具体用于：
将所述第一待控制电流信号和所述第一参考电流信号进行比较，得到第一差值电流信号；以及，
将所述第二待控制电流信号和所述第二参考电流信号进行比较，得到第二差值电流信号。
5.根据权利要求4所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电流比较电路，具体用于：
将所述第一待控制电流信号减去所述第一参考电流信号，得到第一差值电流信号；以及，
将所述第二参考电流信号减去所述第二待控制电流信号，得到第二差值电流信号。
6.根据权利要求5所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电流比较电路包括第一电路和第二电路，所述第一电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，所述第二电路包括第四电流镜、第五电流镜以及第六电流镜；其中，
在所述第一电路中，所述第一待控制电流信号经过所述第一电流镜和所述第二电流镜，所述第一参考电流信号经过所述第三电流镜，从而所述第一待控制电流信号和所述第一参考电流信号转化到同一个支路中进行减法操作，产生第一差值电流信号；
在所述第二电路中，所述第二参考电流信号经过所述第四电流镜和所述第五电流镜，所述第一待控制电流信号经过所述第六电流镜，从而所述第二待控制电流信号和所述第二参考电流信号转化到同一个支路中进行减法操作，产生第二差值电流信号。
7.根据权利要求6所述的控制信号产生电路，其特征在于，所述电压生成电路，具体用于，
基于所述第一差值电流信号和所述第二差值电流信号，生成第一差值电压信号和第二差值电压信号；
其中，所述第一差值电压信号和所述第二差值电压信号组成差分控制信号。
8.一种控制信号产生器，其特征在于，所述控制信号产生器包括权利要求1至7中任一项所述的控制信号产生电路。
9.一种应用于跨阻放大器TIA的自动增益控制环路，其特征在于，该自动增益控制环路包括权利要求8所述的控制信号产生器、包络检波器、第一运算放大器以及第二运算放大器；其中，
所述包络检波器，用于将所述TIA输出的差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出直流电压；以及，将所述TIA的理想输出差分电压作为所述包络检波器的输入，对应输出理想电压；
所述第一运算放大器，用于将所述理想电压和所述直流电压作为第一运算放大器的输入，对应输出待控制电压信号；
所述第二运算放大器，用于将两个所述理想电压作为所述第二运算放大器的输入，对应输出参考电压信号；
所述控制信号产生器，用于将所述待控制电压信号和所述参考电压信号作为所述控制信号产生器的输入，对应输出电压控制信号并将所述电压控制信号作用于所述TIA的可变增益放大器VGA。
10.一种跨阻放大器TIA，其特征在于，所述TIA中包括权利要求权利要求9中的自动增益控制环路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111625250.0A CN114337641A (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种控制信号产生电路、自动增益控制环路以及tia |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=81014731
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| CN202111625250.0A Pending CN114337641A (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种控制信号产生电路、自动增益控制环路以及tia |
Country Status (1)
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