CN114640398A - 具有分布式调制电流设定点反馈的pam驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器。一种用于脉冲振幅调制发射器的驱动器电子电路包括多个发射通道。每个发射通道被配置为独立地生成对应于输入到每个发射通道中的数据的电流输出。该驱动器电子电路还包括求和节点，该求和节点被配置成用于对来自该多个发射通道的输出电流进行求和。该驱动器电子电路还包括一个反馈回路电路，该反馈回路电路耦接至被配置成用于控制每个所述电流输出的电流的所述多个发射通道。驱动器电子电路可经配置以驱动垂直腔面发射激光器以进行光学通信。

Description

具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器
技术领域
本发明的实施例涉及通信信号处理领域。更具体地，本发明的实施例涉及用于具有分布式调制电流设定点反馈的脉冲振幅调制驱动器的系统和方法。
背景技术
典型的通信链路可以包括与接收器相结合的脉冲振幅调制(PAM)发射器和接收器。“PAM-4”(将三个信号脉冲振幅调制成四个电平)是光通信的常见格式。在一个示例中，数据速率可以是53.125GBaud，其支持用于PAM-4调制的约100Gbps。基于光纤的光通信典型地利用垂直腔面发射激光器(已知或称为“VCSEL”，这是一种类型的激光二极管)作为发射器。
遗憾的是，垂直腔面发射激光器在其电光特性方面固有地是非线性的。当试图在脉冲振幅调制应用中生成具有期望的低传输色散和眼闭合四元(TDECQ)因子的光信号时，这导致问题。特别地，VCSEL在光学上升沿具有高转换速率，而在下降沿具有低转换速率。混合问题在于，转换速率在每个光功率水平处不同。在没有某种补偿的情况下，光信号在时间和振幅上会偏斜，使得接收侧上的光信号的恢复变得困难或不可能。
发明内容
因此，所需要的是用于具有分布式调制电流设定点反馈的脉冲振幅调制(PAM)驱动器的系统和方法。另外需要的是用于具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器的系统和方法，其中单个线性反馈控制电路控制多个发射通道的偏置和调制电流。进一步，存在对用于具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器的系统和方法的需要，这些系统和方法与现有的脉冲振幅调制系统和方法兼容和互补。
根据本发明的实施例，一种用于脉冲振幅调制发射器的驱动器电子电路包括多个发射通道。每个发射通道被配置为独立地生成对应于输入到每个发射通道中的数据的电流输出。该驱动器电子电路还包括求和节点，该求和节点被配置成用于对来自该多个发射通道的输出电流进行求和。该驱动器电子电路还包括一个反馈回路电路，该反馈回路电路耦接至该多个发射通道并且被配置成用于控制这些电流输出端中的每一个的电流。驱动器电子电路可经配置以驱动垂直腔面发射激光器以进行光学通信。
附图说明
合并且形成在本说明书中部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。除非另有说明，否则附图可能不是按比例绘制的。
图1示出了根据本发明的实施例的具有分布式调制电流设定点反馈的示例性PAM-4驱动器的框图。
图2示出了根据本发明的实施例的示例性电流反馈回路200的示意图。
图3示出了根据本发明的实施例的确定VCSEL的电阻并基于该电阻设置偏置和调制电流的示例性方法。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各个实施例，这些实施例的示例在附图中示出。尽管将结合这些实施例描述本发明，然而，应当理解的是，其并不旨在将本发明局限于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将认识到，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，未详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊本发明的各方面。
以下详细描述的一些部分(例如，方法300)是按照过程、步骤、逻辑框、处理以及可以在计算机存储器上执行的对数据位的操作的其他符号表示来呈现的。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们的工作的实质最有效地传达给本领域的其他技术人员的手段。过程、计算机执行步骤、逻辑框、过程等在此并且一般被设想为导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。这些步骤是需要物理量的物理操纵的步骤。通常，尽管不是必需的，但这些量采取能够在计算机系统中存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于共同使用的原因，已经证明有时将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字、数据等是方便的。
然而，应记住，所有这些和类似术语将与适当的物理量相关联并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非另有具体说明，否则如从以下讨论中显而易见的，应当认识到贯穿本发明，利用术语如“确定”或“测量”或“驱动”或“设置”或“访问”或“捕获”或“存储”或“读取”或“分析”或“生成”或“解析”或“接受”或“选择”或“显示”或“呈现”或“计算”或“发送”或“接收”或“减少”或“检测”或“设置”或“访问”或“放置”或“测试”或“处理”或“执行”或“计算”或“测量”或“收集”或“运行”等的讨论，涉及计算机系统或类似电子计算设备的控制下的动作和过程，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储装置、发射或显示设备内的物理量的其他数据。
以下公开的示例性实施例是根据PAM-4调制器呈现的，该调制器可以耦合至垂直腔面发射激光器(已知或称为VCSEL)，该垂直腔面发射激光器被配置成用于耦合至光通信介质(例如，光纤)。然而，应当认识到，根据本发明的实施例非常适合于其他水平的脉冲振幅调制(例如，PAM-8)以及其他类型的物理介质，例如，自由空间中的光、无线电通信(包括微波)、声音(例如，水下通信)、电信号(例如，电线上的电信号)等。
具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器
图1示出了根据本发明的实施例的具有分布式调制电流设定点反馈100的示例性PAM-4驱动器的框图。在一些实施例中，驱动器100和示例性电流反馈回路200(在下文参见图2进一步描述)可以在单个集成电路器件上实现。VCSEL175通常在这种集成电路器件的外部，尽管这不是必需的。驱动器100包括调制器的三个“通道”、“顶部通道”调制器110、“中间通道”调制器110”以及“底部通道”调制器110”。每个发射通道的电路基本相同。应当认识到，某些可设定的参数(例如，延迟、驱动强度、和/或数据输入)可随发射通道的不同而改变。在电阻器170中组合或求和来自所有三个发射通道的对应于输入数据的电流，以驱动VCSEL175，VCSEL175生成振幅通常对应于电流的光信号。
驱动器100将三个数据流(例如，非归零(NRZ)数据)组合成一个线性PAM-4流，并且这样做提供了控制和编程偏置电流、调制电流的能力，并且提供了容纳VCSEL特性所必需的控制以便提供干净的光眼。
可通过用于前加重和后去加重的每通道可编程控制来促进眼成形。后去加重包括允许欠均衡和过均衡的极性开关。当驱动VCSEL时，过均衡能力有时是必要的，因为VCSEL的特性使得在上升数据边缘上存在极度峰值。根据本发明的实施例，为了进一步帮助后去加重，在上升沿和下降沿两者上，电容器(未示出)可以被放置在每个数据流的最终输出级的差分对的发射极上，尽管这不是必需的。这有助于减慢进入VCSEL的电流的上升沿，同时有助于加速下降沿，由此抵消在电到光转换中VCSEL的一些趋势。附加控制允许独立地编程三个数据流之间的偏斜，从而允许光输出的进一步关键的眼成形。
低压差(LDO)调节器165被设置成提供通过电阻器170到VCSEL175的平均偏置电流。此外，LDO 165支持生成通过VCSEL 175的调制电流所需要的瞬态电流。在一些实施例中，调节器165可以包括多个寄存器以帮助设置偏置电流和/或调制电流。
顶部通道110访问数据流输入115。数据流输入115包括二进制的高/低数据。在一些实施例中，数据流输入115可以表征为伪随机比特流(PRBS)。在一些实施例中，可在测试模式中使用环回输入120来经由数据校验器145使已知数据运行通过顶部通道110以测试数据完整性。在工作的、非测试的环境中，数据流输入115通过多路复用器125流到极性反相器130。如果需要，极性反相器130使得数据流输入115能够选择性地反相。延迟块135使得数据流能够延迟例如零至大约0.25UI。在一些实施例中，延迟可大于0.25UI。在实施例中，这种延迟可以用于解释调制器(例如，VCSEL)中根据电流幅值的不同上升和下降时间。例如，与底部通道中的“1”位相比，VCSEL在顶部通道中可以具有不同的“1”位的上升时间。
延迟135的输出被发送至“前”电流源150。前电流源150提供对应于数据流输入115的早期电流。延迟135的输出也被发送到占空比失真校正块140。占空比失真校正块140用于选择性地校正例如由于工艺变化而引起的数据流中的位形状的偏移或失真。在一些实施例中，到前电流源150的输入可耦合到占空比失真校正块140的输出，而不是延迟块135的输出，例如，绕过如虚线141所指示的占空比失真校正块140。这种修改通常也适用于通道110’和110”。占空比失真校正块140的输出通过延迟级移动到主电流源155。主电流源155提供对应于数据流输入115的接通时间电流。占空比失真校正块140的输出移动通过多个延迟级至后电流源160。后电流源160提供对应于数据流输入115的后电流。前电流源150、主电流源155和后电流源160的组合或总和被组合以在VCSEL 175的输出端处形成用于顶部通道(或顶部“眼”)的期望光波形状。类似地，“中间通道”调制器110’可以形成中间眼光学图案，“底部通道”调制器110”可以形成底部眼光学图案。在一些实施例中，所有此类电流源可以是可编程的。
图2示出了根据本发明的实施例的示例性电流反馈回路200的示意图。虚线边界内的电路说明用于一个发射通道的一个输出驱动器的输出驱动器电路，例如，关于图1所描述的主电流源155。虚线边界之外的电路表示单个电流反馈回路。在与图1的驱动器100一致的实施例中，将存在总共九个输出驱动器，例如，针对顶部通道110的“前”电流源150、主电流源155和后电流源160、针对中间通道110’的“前”电流源150’、主电流源155’和后电流源160’、以及针对顶部通道110”的“前”电流源150”、主电流源155”和后电流源160”。所有九个驱动器以针对示例性主电流源155所示出的方式耦合至单个电流反馈回路。
偏置和调制电流电平由包括低压差(LDO)调节器215和运算放大器210的反馈回路200控制。每个输出级(例如，总共九个，包括前去加重输出级和后去加重输出级)贡献与总的期望调制电流成比例的电流，以便定义用于控制LDO215的运算放大器210的设定点。例如，电流是该特定级的尾电流的1/32。因此，调制电流设定点由分布式架构定义。偏置的额外电流也被求和以便适当地驱动LDO215输出电压，使得在VCSEL175中实现期望的功率电平。由于输出主路径、前去加重路径和后去加重路径的求和的线性性质，电流被求和成终端负载，例如40欧姆。该端接负载的电阻值应被选择为允许低压差调节器(例如，LDO215)的足够余量，并且可以根据本发明的实施例而变化。以这种方式，可以实现输出光信号中的调制电流设置的范围和期望的高消光比(ER)，例如，＞6dB。
在图2中，Ibias是VCSEL175中的平均偏置电流，例如约6mA。VCSEL175中的示例性零电平(例如表示00二进制的数据)是2mA。VCSEL175中的示例性高级别(例如，表示11二进制的数据)是10mA。因此，四个电流电平对应于两个位的四个组合。例如，2mA对应于VCSEL在工作中的最小输出功率，例如，00二进制的数据值。
Im是通过差动驱动器对250和260，由电流源230和240生成的“尾电流”。电流源240生成总Im的百分比“x”，电流源230生成总Im的剩余部分。基于VCSEL175的电阻(称为“Rvcsel”)，通过以下关系式1将LDO165输出上的不希望的电压纹波最小化。
x＝Rvcsel/(Rvcsel+40) (关系式1)
根据以下关系式2，尾电流Im(组合的所有示例性九级的总电流)基于VCSEL的电阻(称为“Rvcsel”)以及等于8mA(高电平电流减去低电平电流)的调制电流Imod：
Im＝Imod*(Rvcsel+40)/40 (关系式2)
注意，总Im将包括来自多达示例性九级的贡献，并且将不必在多个级之间均等地分布。例如，针对任何给定级的当前贡献可以根据数据和眼睛整形要求而变化。图2的实施例被示出为具有差分数据驱动器。“DinP”代表数据In阳性，而“DinN”代表数据In阴性。
在每个开关周期中的一些电流绕过LDO 215。如果总电流通过LDO215，则这种总电流将产生不期望的纹波。运算放大器210控制LDO215的栅极以产生正确的偏置电流和调制电流。到VCSEL175的输出电流通过RC低通滤波器220作为到运算放大器210的一个输入。运算放大器210的另一输入是作为尾电流的比率的电流，其是VCSEL加上尾调制所期望的偏置电流的函数。在一些实施例中，一些或所有此类电流源可以是可编程的。
如先前所呈现的，有必要知道VCSEL175的电阻以便设置偏置和调制电流以便使纹波最小化。例如，参见以上关系式1。遗憾的是，不同VCSEL的电阻变化，并且经常未被VCSEL制造商很好地记录。此外，VCSEL通常由除了包括电路100(图1)和/或电路200(图2)的集成电路设备的制造商之外的一方选择和/或提供，并且通常在制造这样的集成电路之后被选择。
根据本发明的实施例，可以原位确定VCSEL(例如，VCSEL175(图2))的电阻，用于设定差分驱动器对250、260的尾电流。
根据本发明的实施例，VCSEL175的阳极耦合到模数转换器299(未示出)。两个不同的电流通过VCSEL175耦合。例如，通过VCSEL175耦合例如4mA的第一校准电流，并且通过模数转换器299进行VCSEL175两端的第一电压测量。例如，6mA的第二校准电流通过VCSEL175耦合，并且跨VCSEL175的第二电压测量经由模数转换器299进行。从具有已知电流的两个电压测量，可以确定VCSEL175的电阻。在这种新颖的方式中，选择和/或操作VCSEL以用于发射器系统中的一方不需要知道VCSEL的电阻。
图3示出了根据本发明的实施例确定VCSEL的电阻并基于该电阻设置偏置和调制电流的示例性方法300。在一些实施例中，方法300可以由存储的程序计算机实现。在一些实施例中，方法300可以由有限状态机来实现。在一些实施例中，这种存储的程序计算机和/或这种有限状态机可以包括在包括电路100和/或200的集成电路设备上。在一些实施例中，所存储的程序计算机和/或有限状态机可以在这种集成电路设备的外部。
在310中，例如通过模数转换器299基于通过VCSEL耦合的第一校准电流来测量跨VCSEL(例如，图2的VCSEL175)的第一电压。在示例性实施例中，第一校准电流为约4mA。在320中，例如通过模数转换器299基于通过VCSEL耦合的第二校准电流来测量跨VCSEL(例如，图2的VCSEL175)的第二电压。在示例性实施例中，第二校准电流为约6mA。在630中，基于电压测量和已知的电流确定VCSEL的电阻值。
在340中，基于关系式1和2设置PAM驱动器(例如，PAM驱动器100(图1))的偏置电流(例如，Ibias(图2))和调制电流(例如，Imod(图2))。在可选350中，PAM驱动器(例如，PAM驱动器100(图1))使用如所建立的偏置电流和调制电流来将通信数据驱动到VCSEL中，并利用反馈电路(例如，反馈电路200(图2))以维持这种电流。
根据本发明的实施例提供了用于具有分布式调制电流设定点反馈的脉冲振幅调制(PAM)驱动器的系统和方法。此外，根据本发明的实施例提供了用于具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器的系统和方法，其中，单个线性反馈控制电路控制多个发射通道的偏置和调制电流。进一步，根据本发明的实施例提供了用于具有分布式调制电流设定点反馈的PAM驱动器的系统和方法，其与脉冲振幅调制的现有系统和方法兼容和互补。
虽然已经关于特定示例性实施例或多个实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等效改变和修改。具体地，关于由上述部件(组件、设备等)执行的不同功能，除非另外指明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能(例如，功能上等效)的任何部件，即使结构上不等效于执行本发明的在此所示出的示例性实施例中的功能的所公开的结构。此外，虽然本发明的特定特征可能仅相对于几个实施例中的一个被公开，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或更多个特征组合，如对于任何给定的或特定的应用可能是期望的和有利的。
因此描述本发明的各个实施例。虽然已经在具体实施例中描述了本发明，但是应当理解，本发明不应被解释为受这些实施例的限制，而是根据以下权利要求来解释。

Claims (20)

1.一种用于脉冲振幅调制发射器的驱动器电子电路，所述驱动器电子电路包括：
多个发射通道，其中，每个发射通道被配置为独立地生成对应于输入到每个发射通道中的数据的电流输出；
求和节点，其经配置以对来自所述多个发射通道的所述输出电流求和；以及
一个反馈回路电路，其耦合至所述多个发射通道，并被配置成控制每个所述电流输出的电流。
2.根据权利要求1所述的驱动器电子电路，其中，所述多个发射通道中的每个发射通道包括对应于早期数据、准时数据和晚期数据的三个电流源。
3.根据权利要求2所述的驱动器电子电路，其中，所述一个反馈回路被耦合至所述多个发射通道中的每个发射通道的三个电流源。
4.根据权利要求1所述的驱动器电子电路，其被配置为驱动垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
5.根据权利要求4所述的驱动器电子电路，其中，所述一个反馈回路电路包括被配置为控制低压差调节器的运算放大器，所述运算放大器包括被配置为感测至所述VCSEL的电流的低通滤波版本的输入端。
6.根据权利要求5所述的驱动器电子电路，其中，所述一个反馈回路电路被配置为使得电流的一部分在每个开关周期中绕过所述低压差调节器。
7.根据权利要求4所述的驱动器电子电路，其进一步被配置为测量所述VCSEL的电阻，并且利用所述一个反馈回路电路中的电阻来控制每个所述电流输出的偏置电流和调制电流。
8.一种反馈回路电路，其被配置为控制脉冲振幅调制驱动器的一个以上的发射通道的偏置电流和调制电流。
9.根据权利要求8所述的反馈回路电路，其中，所述调制电流被设置为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的电阻的函数。
10.根据权利要求9所述的反馈回路电路，其进一步被配置为测量所述VCSEL的所述电阻。
11.根据权利要求9所述的反馈回路电路，其还包括被配置为控制低压差调节器的运算放大器，所述运算放大器包括被配置为感测至所述VCSEL的电流的低通滤波版本的输入端。
12.根据权利要求8所述的反馈回路电路，其被配置为控制用于脉冲振幅调制驱动器的至少三个发射通道的所述偏置电流和所述调制电流。
13.根据权利要求12所述的反馈回路电路，其中，所述至少三个发射通道中的每个发射通道包括对应于早期数据、准时数据和晚期数据的三个电流源。
14.根据权利要求12所述的反馈回路电路，其中，所述至少三个发射通道中的每个发射通道包括占空比失真校正电路，所述占空比失真校正电路被配置为选择性地校正对应发射通道内的数据流的位形状的失真。
15.一种向多个脉冲振幅调制发射通道提供反馈控制的方法，其中，所述多个发射通道被配置为驱动共同的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，所述方法包括：
访问所述VCSEL的电阻的测量值；
基于所述电阻，设置所述多个发射通道的电流驱动器的偏置电流和调制电流；以及
经由耦合到所述多个发射通道的一个反馈控制电路来控制所述多个发射通道的所述偏置电流和所述调制电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述一个反馈控制电路包括被配置为控制低压差调节器的运算放大器，所述运算放大器包括被配置为感测至所述VCSEL的电流的低通滤波版本的输入端。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括在每个开关周期中使电流部分绕过低压差调节器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个发射通道中的每个发射通道包括对应于早期数据、准时数据和晚期数据的三个电流源。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述一个反馈控制电路被耦接至并控制三个发射通道的每个发射通道的所述三个电流源。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括测量所述VCSEL的所述电阻。
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