CN115173946B - 基于xgpon搭配eml的10g速率olt端收发一体芯片 - Google Patents
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Abstract
基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，属于集成电路和光通信领域，本发明为解决现有基于GPON标准的OLT终端速率低的问题。本发明包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX、数字控制单元Digital和电源模块POWER；突发模式接收机RX对每个OUN客户端传来的光信号经过突发TIA放大成电信号，对电信号进行幅度和频率双检测，将幅度和波形脉宽符合阈值要求的信号输出给主机，并利用快速恢复模块控制满足XGPON协议的时序；连续模式发射机TX接收PCB板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路ByPass路径传输，或经过时钟数据恢复CDR路径提高信号质量后输出，用于驱动EML激光器；数字控制单元Digital用于给突发模式RX和连续模式发射机TX提供控制信号；电源模块POWER用于为芯片提供工作电源。
Description
技术领域
本发明属于集成电路和光通信领域。
背景技术
在光通信局端设备OLT(Optical Line Termination的缩写，光线路终端)中，突发限幅放大器LA完成对上一级突发跨阻放大器TIA传送来的不同幅度电信号进行限幅放大。LA中还包含LOS(Loss of Signal，信号丢失)模块，判断LA输入信号是噪声还是符合要求的电平信号并做出关断或者开启主通道的操作。连续激光驱动器LDD将电信号的数据流转化为调制电流驱动激光器发光传递光信号。LDD中包含阈值配置模块配合自动光功率控制APC和自动温度控制ATC模块完成对LDD的反馈控制。
常用的激光器类型有：VCSEL、DFB和EML。垂直腔面发射激光器VCSEL(VerticalCavity Surface Emitting Laser)生产成本低，适合高速短距离传输。DFB(Distribution-Feedback Laser)生产成本较高，能提供较高的功率，用于长途传输。EML(Electro-Absorption Modulation with Laser)成本很高，且需要提供较高的电压，但可以传输100km以上的距离。DFB激光器通过注入电流来控制输出光的强度，偏置电流BIAS把DFB激光器偏置在发光阈值点，再通过激光器驱动器输出调制电流MOD的大小，控制DFB激光器的发光和熄灭对应着数据流的1和0。但是注入电流的变化导致载流子浓度的变化，进而引起折射率和波长的变化。波长的改变引起啁啾效应，而光纤自身的色散，最终导致脉宽延展，信号失真。因此使用DFB激光器传输距离的上限为10km。传输速率也会因为调制电流的注入时间长短受到限制。
为了提升激光器的传输距离，可以采用EML激光器。EML激光器的注入电流(BIAS电流)不发生改变，可以输出连续光，光强通过外置的电吸收调制器利用电吸收效应来改变光强，达到调制信号的目的。电吸收调制器未施加外电场，入射光通过材料不被吸收，发光传递1信号，当施加外电场，入射光被材料吸收，熄灭传递0信号。因此激光器驱动器根据数据流改变输出电压幅值，便可以调制输出光场的强度。
EML激光器在啁啾效应、消光比、眼图质量、抖动、传输距离等性能都优于DFB激光器。DFB激光器的优势是体积小、采购价格低、功耗小。
为了保证EML激光器满足电信级信号传输严格的协议要求，需要控制EML激光器在特定的温度范围(55℃-65℃)下工作，与它同时集成的半导体制冷器TEC(Thermo ElectricCooler)来控制工作温度，该制冷器在保证激光器工作温度的同时也消耗了大部分功耗，因此在控制光模块整体功耗电流(＜550mA)的前提下，搭配EML激光器一起使用的收发一体芯片还需要进一步压缩功耗。
无源光网络的具体实现方式大致分为：基于ATM传输协议的APON，基于以太网的EPON，以及Gbit以上速率的GPON三种解决方案。在三种实现方式中GPON能够提供更高的速率、较高的接入性能和网络效率，较强的灵活性和可伸缩性。能够满足现有及未来可能出现的各种业务对带宽的需求。
因此，针对以上不足，需要对基于GPON标准的OLT终端的速率进行升级，使其能满足市场的需求，做到低成本、高速率。
发明内容
针对现有基于GPON标准的OLT终端速率低的问题，本发明提供一种基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片。
本发明所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX、数字控制单元Digital和电源模块POWER；
突发模式接收机RX对每个OUN客户端传来的光信号经过突发TIA放大成的电信号进行幅度和频率双检测，将幅度和波形脉宽符合阈值要求的信号输出给主机，并利用快速恢复模块控制满足XGPON协议的时序；
连续模式发射机TX接收PCB板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路ByPass路径传输，或经过时钟数据恢复CDR路径提高信号质量后输出，用于驱动EML激光器；
数字控制单元Digital用于给突发模式RX和连续模式发射机TX提供控制信号；
电源模块POWER用于为芯片提供工作电源。
优选地，突发模式接收机RX包括预放大器Pre_Amplifier、信号检测单元、突发2.5G限幅放大器BurstLA 2.5G、电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer、信号检测输出缓冲器Buffer和快速恢复模块，信号检测单元包括电平判决Level Detector和频率判决Frequency Detecor；
预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端用于接收突发跨阻放大器TIA传来的突发数据包；快速恢复模块用于快速恢复电路以保证时序，使前后两个突发数据包避免物理碰撞；
预放大器Pre_Amplifier的输出端同时连接2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输入端和信号检测单元的输入端；
2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输出端连接电流模式逻辑输出缓冲器CMLBuffer的输入端；
信号检测单元的输出端同时连接信号检测输出缓冲器Buffer的输入端和电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的开启关闭的控制端；
电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的两个输出端分别连接RX部分的输出引脚RX_OUTP、RX_OUTN；
信号检测输出缓冲器Buffer的输出端连接芯片引脚RX_SD，突发模式接收机RX通过芯片引脚RX_SD向主机发送检测结果；
当芯片引脚LA_RESET接收到主机发送的复位信号时，芯片通过引脚RX_SD向主机发送反馈信号。
优选地，快速恢复模块内置或外置于突发模式接收机RX，快速恢复模块包括电阻R7、R8、R9、R10；和开关S1、S2；
快速恢复模块外置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正相输出端通过交流耦合电容C9连接快速恢复模块的电阻R10的一端、电阻R8的一端和芯片正相输入引脚RX_INP；
突发跨阻放大器TIA的反相输出端通过交流耦合电容C8连接快速恢复模块的电阻R9的一端、电阻R7的一端和芯片反相输入引脚RX_INN；
芯片正相输入引脚RX_INP、芯片反相输入引脚RX_INN分别连接预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接复位信号线LA_RESET；
RX部分的基准电压引脚Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端；
快速恢复模块内置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正反相输出端通过交流耦合电容C9、C8连接芯片正相输入引脚RX_INP、反相输入引脚RX_INN；
在芯片内部，芯片正相输入引脚RX_INP连接电阻R10的一端、电阻R8的一端和预放大器Pre_Amplifier的正相输入端；
芯片反相输入引脚RX_INN连接电阻R9的一端、R7的一端和预放大器Pre_Amplifier的反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接芯片的复位引脚LA_RESET；
RX部分的基准电压Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端。
优选地，连续模式发射机TX包括输入端缓冲器Input Buffer、旁路ByPass、时钟数据恢复CDR、EML激光器驱动器和偏置电流控制单元，
择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径；
原始高速电信号经过PCB板上的金属走线后形成的衰减信号通过芯片引脚TX_INP和TX_INN接入输入端缓冲器Input Buffer，输入端缓冲器Input Buffer将该衰减信号沿开通路径传输至EML激光器驱动器的输入端；EML激光器驱动器的输出端通过芯片引脚TX_OUTP连接EML激光器的控制端；
偏置电流控制单元的偏置电流输出端连接芯片引脚BIAS，并为EML激光器提供偏置电流；
主机通过芯片引脚TXDIS向芯片发送关闭偏置电流指令来关闭连续模式发射机TX。
优选地，择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径由数字控制单元Digital根据外部指令进行控制。
优选地，择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径的方式为主机自行切换通道：速率8G以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路ByPass；当速率在8G-14G时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复CDR路径。
优选地，数字控制单元Digital包括寄存器数字核、模数转换器ADC、从I2C和温度传感器Temp Sensor；
温度传感器Temp Sensor的输出端通过模数转换器ADC连接寄存器数字核的温度信号输入端；
从I2C的输入端连接时钟芯片引脚SCL；从I2C的输入输出端口连接外部指令芯片引脚SDA；从I2C的输出端连接寄存器数字核的外部指令输入端，寄存器数字核控制连续模式发射机TX的路径选择；寄存器数字核还通过控制端口实现对突发模式接收机RX和连续模式发射机TX的配置。
优选地，数字控制单元Digital中配置突发模式接收机RX的控制端口包括眼交叉点调整控制端口CPA、输出摆幅控制端口SW CTRL、输出极性反转控制端口POL CTRL和信号丢失控制端口LOS CTRL；
数字控制单元Digital中配置连续模式发射机TX的控制端口包括光功率控制端口APC、眼交叉点调整控制端口CPA、抖动优化控制端口EQ、眼图优化控制端口EO和输出极性反转控制端口POL CTRL；
光功率控制端口APC的输入端连接监视电流芯片引脚MPD。
优选地，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流斩波器DC/DC、电阻R1和R2；
直流电源VDC为EML驱动器提供工作电源，同时，直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地。
优选地，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流电源VCC、一号直流斩波器DC/DC、二号直流斩波器DC/DC、电阻R1～R4；
一号直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
一号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和一号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
一号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地；
二号直流斩波器DC/DC将直流电源VCC转换为直流电源VCC2并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC2为EML激光驱动器提供工作电源；
二号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R3的一端和芯片引脚CAP2；芯片引脚CAP2通过电容C4接地；
电阻R3的另一端同时连接电阻R4的一端和二号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R4的另一端连接地；
二号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW2；芯片引脚SW2通过电感L2连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VCC；芯片引脚VCC连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN2；芯片引脚EN2同时连接电容C3的一端和直流电源VCC的正极；电容C3的另一端接地，直流电源VCC的负极接地。
本发明的有益效果：本发明提出了一种基于XGPON搭配EML激光器的10G速率OLT收发一体芯片的电路结构，在基础的GPON协议架构上速率进一步提升，将下行连续数据速率由基础的2.5Gbps提升到10Gbps，上行突发数据速率依旧保持2.5Gbps，大大提高了向用户端ONU的下载速率。它能很好的控制芯片的整体功耗，满足日趋严格的通讯协议要求，为了超远距离传输光信号，使用EML激光器驱动器驱动EML激光器，合理的APC控制在性能的稳定性上形成竞争优势。
本发明提出基于XGPON搭配EML的10G OLT端收发一体芯片整体框架结构。2.5Gbps突发LA、带有可关闭或者可开启CDR的10Gbps连续LD，再配合数字模块优化眼图传输质量。内置快速回复电路，满足XGPON协议对硬件时序上的严格要求。内置的电源管理模块DCDC能够节约外围硬件成本和空间占用，也利于收发一体芯片的整体功耗控制。搭配高性能EML激光器，超远距离传输光信号。
附图说明
图1是本发明所述基于XGPON搭配EML激光器的原理图，快速恢复电路外置；
图2是图1中本发明所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片的结构示意图，电源模块POWER方案一；
图3是图1中本发明所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片的结构示意图，电源模块POWER方案二；
图4是本发明所述基于XGPON搭配EML激光器的原理图，快速恢复电路内置；
图5是图4中本发明所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片的结构示意图，电源模块POWER方案一；
图6是图4中本发明所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片的结构示意图，电源模块POWER方案二。
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中提出了基于XGPON搭配EML的10G速率OLT收发一体芯片，芯片框架内接收机(RX)中的快速恢复电路和对TIA传来的电信号进行幅度和频率双检测，发射机(TX)中的可切换启停的时钟数据恢复(CDR)模块和能够驱动EML激光器的激光器驱动器以及模块化可配置的数字部分(Digital)，以及内嵌的电源管理DCDC对整颗芯片功耗进行精准控制是该发明实现方式的关键。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至6说明本实施方式，本实施方式所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX、数字控制单元Digital和电源模块POWER；
突发模式接收机RX对每个OUN客户端传来的光信号经过突发TIA放大成的电信号进行幅度和频率双检测，将幅度和波形脉宽符合阈值要求的信号输出给主机，并利用快速恢复模块控制满足XGPON协议的时序；
连续模式发射机TX接收PCB板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路ByPass路径传输，或经过时钟数据恢复CDR路径提高信号质量后输出，用于驱动EML激光器；
数字控制单元Digital用于给突发模式RX和连续模式发射机TX提供控制信号；
电源模块POWER用于为芯片提供工作电源。
突发模式接收机RX包括预放大器Pre_Amplifier、信号检测单元、突发2.5G限幅放大器BurstLA 2.5G、电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer、信号检测输出缓冲器Buffer和快速恢复模块，信号检测单元包括电平判决Level Detector和频率判决FrequencyDetecor；
预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端用于接收突发跨阻放大器TIA传来的突发数据包；快速恢复模块用于快速恢复电路以保证时序，使前后两个突发数据包避免物理碰撞；
预放大器Pre_Amplifier的输出端同时连接2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输入端和信号检测单元的输入端；
2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输出端连接电流模式逻辑输出缓冲器CMLBuffer的输入端；
信号检测单元的输出端同时连接信号检测输出缓冲器Buffer的输入端和电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的开启关闭的控制端；
电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的两个输出端分别连接RX部分的输出引脚RX_OUTP、RX_OUTN；
信号检测输出缓冲器Buffer的输出端连接芯片引脚RX_SD，突发模式接收机RX通过芯片引脚RX_SD向主机发送检测结果；
当芯片引脚LA_RESET接收到主机发送的复位信号时，芯片通过引脚RX_SD向主机发送反馈信号。
其中，快速恢复模块外置或内置于突发模式接收机RX。
参见图1至3，快速恢复模块内置或外置于突发模式接收机RX，快速恢复模块包括电阻R7、R8、R9、R10；和开关S1、S2；
快速恢复模块外置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正相输出端通过交流耦合电容C9连接快速恢复模块的电阻R10的一端、电阻R8的一端和芯片正相输入引脚RX_INP；
突发跨阻放大器TIA的反相输出端通过交流耦合电容C8连接快速恢复模块的电阻R9的一端、电阻R7的一端和芯片反相输入引脚RX_INN；
芯片正相输入引脚RX_INP、芯片反相输入引脚RX_INN分别连接预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接复位信号线LA_RESET；
RX部分的基准电压引脚Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端；
参见图4至6，快速恢复模块内置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正反相输出端通过交流耦合电容C9、C8连接芯片正相输入引脚RX_INP、反相输入引脚RX_INN；
在芯片内部，芯片正相输入引脚RX_INP连接电阻R10的一端、电阻R8的一端和预放大器Pre_Amplifier的正相输入端；
芯片反相输入引脚RX_INN连接电阻R9的一端、R7的一端和预放大器Pre_Amplifier的反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接芯片的复位引脚LA_RESET；
RX部分的基准电压Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端。
采用内置方式时，将快速恢复模块内置到收发一体芯片内部，其好处是减小外围电路的占地面积和节约成本。
突发模式接收机RX的工作原理：位于中心局的OLT收发一体芯片对应多个用户端的ONU，因此OLT收发一体芯片的接收端RX需要突发的接收来自OUN端不同幅值和频率的电信号(突发TIA已将不同幅值的光信号转换成电信号后给RX的限幅放大器LA)，预放大器Pre-Amplifier将上级TIA输出的有衰减的电信号进行增强(预加重)，再将电信号分成两路，一路传递给LA_2.5G限幅放大器把信号放大到限幅状态，另一路传递给信号检测模块，该模块同时对信号进行幅度和频率检测，只有当幅度和波形脉宽符合阈值要求，该模块输出指令开启输出驱动级CML Buffer，同时将判断结果传递给芯片外(通过RX_SD引脚)的主机。为了满足XGPON严格的协议时序要求，在RX部分必须增加快速恢复电路，以使得突发LA完成一个数据包的接收后，能够立刻恢复正常状态，进而快速的接收下一个突发数据包，避免了两个数据包的物理碰撞。芯片引脚Vref为LA的两输入端提供直流工作点，也对LA两输入端的所连接的电容C8、C9进行电荷泄放，当复位信号LA_RESET为0时，开关S1和开关S2关断，电容上的电荷通过电阻R7＝R8(大阻值)缓慢的泄放到地；当复位信号LA_RESET为1时，开关S1和开关S2开启，电容上的电荷通过电阻R9＝R10(小阻值)快速的泄放到地；达到快速重建直流工作点的目的。通过调整电阻R7,R8,R9,R10的阻值来满足RX的性能要求和时序要求。Vref的电压值可通过数字部分的两条通讯信号线，人为设定电压值大小。复位信号LA_RESET由主机给出。
连续模式发射机TX包括输入端缓冲器Input Buffer、旁路ByPass、时钟数据恢复CDR、EML激光器驱动器和偏置电流控制单元，
择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径；
原始高速电信号经过PCB板上的金属走线后形成的衰减信号通过芯片引脚TX_INP和TX_INN接入输入端缓冲器Input Buffer，输入端缓冲器Input Buffer将该衰减信号沿开通路径传输至EML激光器驱动器的输入端；EML激光器驱动器的输出端通过芯片引脚TX_OUTP连接EML激光器的控制端；
偏置电流控制单元的偏置电流输出端连接芯片引脚BIAS，并为EML激光器提供偏置电流；
主机通过芯片引脚TXDIS向芯片发送关闭偏置电流指令来关闭连续模式发射机TX。
择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径由数字控制单元Digital根据外部指令进行控制。
择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径的方式为主机自行切换通道：速率8G以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路ByPass；当速率在8G-14G时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复CDR路径。
连续模式发射机TX工作原理：TX部分主通道能够接收和处理连续的电信号数据流，该数据流的速率为1-14Gbps。原始高速电信号经过PCB板上的金属走线后产生衰减，产生信号误码，为了解决高速信号衰减问题，在TX内部加入CDR(时钟数据恢复)以提高高速信号的质量，倘若高速信号衰减不严重也可以直接从ByPass路径传输。EML激光驱动器通过引脚TX_OUTP连接EML激光器及部分外围电路(电阻R1～R4、电感L1～L2、电容C6～C7、磁珠B3～B6)，通过引脚TX_OUTN连接部分外围电路(电阻R5～R6、电感L3、电容C5、磁珠B1～B2)，具体参见图1所示，EML激光器支持超远程(≥100km)的数据传输，TX内部提供输出调制电压可根据实际使用情况(光功率、消光比)调整；EML激光驱动器的偏置电流Bias，根据环境温度、激光器发光效率、激光器的老化情况实时的调整电流大小。因此偏置电流控制单元配合APC光功率控制模块，将监视光电二极管MPD采集的激光器平均光功率信息进行反馈，在通过数字部分的数据写入，配置合理的电流值大小。当主机读取到收发一体芯片关键参数指标超出合理范围后，可通过芯片引脚TXDIS关闭发射部分，避免损坏EML激光器。
EML激光器将电吸收调制器EA和半导体制冷器TEC，同时聚集在一起，TEC的Temp引脚将EML激光器的内部温度转化成的电压反馈给TEC控制芯片，TEC的控制芯片根据EML激光器的工作温度，通过引脚+TEC和-TEC流过电流大小，实时调整EML环境温度，使其工作在最佳状态，因此TEC散热所需要的电流就占据了光模块整体功耗的很大一部分，为了满足光模块的整体功耗要求需要进一步降低收发一体芯片的功耗。
择一启动旁路BYPass或时钟数据恢复CDR路径包括两种方式：
第一种、预先判断，再根据判断结果通过SAD引脚将外部指令写入数字控制单元Digital，数字控制单元Digital将该选择指令送给TX。预先判断指选择旁路ByPass路径还是时钟数据恢复CDR路径是根据芯片所测信号的衰减成都判断，在使用芯片之前先对经过PCB板上的金属走线后产生的衰减信号进行检测，查看TX输出眼图的质量是否满足协议标准，若符合标准就从旁路ByPass传输，不符合标准则开启CDR，优化信号质量。
第二种、也可以让主机自行切换通道，速率8G以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路ByPass；当速率在8G-14G时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复CDR路径优化信号质量。
数字控制单元Digital包括寄存器数字核、模数转换器ADC、从I2C和温度传感器Temp Sensor；
温度传感器Temp Sensor的输出端通过模数转换器ADC连接寄存器数字核的温度信号输入端；
从I2C的输入端连接时钟芯片引脚SCL；从I2C的输入输出端口连接外部指令芯片引脚SDA；从I2C的输出端连接寄存器数字核的外部指令输入端，寄存器数字核控制连续模式发射机TX的路径选择；寄存器数字核还通过控制端口实现对突发模式接收机RX和连续模式发射机TX的配置。
数字控制单元Digital中配置突发模式接收机RX的控制端口包括眼交叉点调整控制端口CPA、输出摆幅控制端口SW CTRL、输出极性反转控制端口POL CTRL和信号丢失控制端口LOS CTRL；
数字控制单元Digital中配置连续模式发射机TX的控制端口包括光功率控制端口APC、眼交叉点调整控制端口CPA、抖动优化控制端口EQ、眼图优化控制端口EO和输出极性反转控制端口POL CTRL；
光功率控制端口APC的输入端连接监视电流芯片引脚MPD。
数字控制单元Digital工作原理：数字部分Digital能够对RX和TX内部完成配置。
RX内可配置的功能有：
眼图交叉点调整CPA、输出摆幅控制SW_CTRL、输出极性反转POL_CTRL、信号丢失阈值设置及模式选择LOS_CTRL等；
TX内可配置的功能有：
激光器光功率控制APC、眼图交叉点优化CPA、抖动优化EQ、眼图优化EO、输出极性反转POL_CTRL、调制电压峰峰值控制PEAK_CTRL等；内置的高精度多位ADC将温度传感器Temp Sensor采集的环境温度转化成数字量再通过从I2C的数据信号线SDA读取到外部。ADC也可以将其他可量化的数据通过从I2C读取到外部，例如监视电流值、偏置电流值等；用户也可以通过芯片外部主I2C向芯片内部的寄存器数字核写入数字量，以优化收发一体芯片的各项传输性能。
数字部分还加入数字诊断监视digital diagnostics monitoring(DDM)功能，实时监测光等级、芯片内温度、电源电压等数据。
电源模块POWER设计有两个方案：
方案一、参见图2和图4，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流斩波器DC/DC、电阻R1和R2；
直流电源VDC为EML驱动器提供工作电源，同时，直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地。
方案二、参见图4和图6，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流电源VCC、一号直流斩波器DC/DC、二号直流斩波器DC/DC、电阻R1～R4；
一号直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
一号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和一号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
一号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地；
二号直流斩波器DC/DC将直流电源VCC转换为直流电源VCC2并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC2为EML激光驱动器提供工作电源；
二号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R3的一端和芯片引脚CAP2；芯片引脚CAP2通过电容C4接地；
电阻R3的另一端同时连接电阻R4的一端和二号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R4的另一端连接地；
二号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW2；芯片引脚SW2通过电感L2连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VCC；芯片引脚VCC连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN2；芯片引脚EN2同时连接电容C3的一端和直流电源VCC的正极；电容C3的另一端接地，直流电源VCC的负极接地。
本专利电源管理部分的关键点在于内置了DC/DC模块。
传统的搭配EML激光器的收发一体芯片电源方案一是给收发一体芯片提供电源电压VDC，然后经过芯片内部的LDO将VDC降低至VCC1使用，比如，芯片内部将3.3V降为1.8V使用，LDO作为电源的效率通常较低，这种方案芯片的整体功耗为870mW。
下面结合两个具体实施例分析本发明电源部分的优势。
实施例1、参见图2，VCC＝3.3V，VCC1＝1.8V，本发明使用电源效率更高的DC/DC替换电源效率低的LDO，DC/DC产生的电源电压1.8V供给RX部分、TX部分、数字部分，TX部分的EML激光器驱动器依旧采用3.3V电源电压，该方案的整体功耗为710mW，节约了160mW功耗。
相比于传统的搭配EML激光器的收发一体芯片外部搭配一颗DC/DC芯片的电源方案，将电源电压初始的3.3V降压到1.8V后供给收发一体芯片。传统方案DC/DC芯片需单独采购价格高且占用PCB板面积，不利于光模块降低成本和小型化；并且通用化的DC/DC无法满足收发一体芯片日趋数字化的设计需求。本实施方式根据收发一体芯片的功耗需求量身设计一款DC/DC内置在收发一体芯片里，该款定制的DC/DC具有面积小，性能强的特点。使得整个模块的成本功耗下降。
该DC/DC在面积上进一步优化，例如基准电压的产生可以由芯片内的带隙基准电压模块统一提供，而占据芯片版图面积最大的开关管SW，可以根据芯片的整体需求功耗合理设计它的尺寸，经过各方面的面积优化使得DC/DC模块的面积仅为0.7mm2，而单颗DC/DC的占地面积为4mm2。调整电阻R1和R2的阻值，可以改变输出电压的大小(只要收发一体芯片能够在低压情况下依旧保证性能，也可以将1.8V的电源电压下调，进一步降低整体功耗)。
实施例2、参见图3，设计两个DC/DC模块，DC/DC模块设计成多个电压输出模式，满足片内不同电源域的需求，比如设计3.6V和1.8V两个电压输出端口，VCC＝3.3V升压输出VCC2＝3.6V给EML驱动器使用，将VDC＝3.3V降压输出VCC1＝1.8V给RX部分、TX部分、数字部分。DCDC可升压或者降压，根据性能需求而定。调整输出电压的方式有激光修调和熔丝修调，一次性可编程和寄存器编程等。
本发明提出的基于XGPON搭配的10G速率OLT收发一体芯片，在2.5G突发接收端RX使用幅度检测和频率检测同时对输入信号进行判断是否符合传输协议要求，可内置或外置的快速恢复电路能够让交流耦合电容快速泄放电荷，为下一次接收数据包建立稳定的工作点。在10G连续发射端TX内置了一个高速率的时钟数据恢复单元CDR，保证了将要发射的电信号的完整性，有利于激光器发射出高质量光。为了驱动超长距EML，内置的EML激光驱动器配合APC模块快速的自适应调整偏置电流使激光器获得性能最佳的发光状态；在数字部分内置了多位寄存器和高精度ADC和从I2C，将各类关键数据通过SDA信号线传递给外部，也能通过该线写入优化性能的相关模块数字量，保证收发一体芯片的接收信号和发送信号的高质量。DDM模块实时读取芯片内关键工作信息，超过阈值即可关闭收发一体芯片，避免芯片和激光器受到损伤。
最关键的是为了确保应用于XGPON搭配EML激光器的10G速率OLT端收发一体芯片能满足行业内功耗要求，量身设计一颗多元化可配置的DCDC内嵌在芯片里，在性能和面积上取得优势，降低了外围电路的设计成本和占地面积。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (8)
1.基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX、数字控制单元Digital和电源模块POWER；
突发模式接收机RX对每个OUN客户端传来的光信号经过突发TIA放大成的电信号进行幅度和频率双检测，将幅度和波形脉宽符合阈值要求的信号输出给主机，并利用快速恢复模块控制满足XGPON协议的时序；
连续模式发射机TX接收PCB板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路ByPass路径传输，或经过时钟数据恢复CDR路径提高信号质量后输出，用于驱动EML激光器；
数字控制单元Digital用于给突发模式RX和连续模式发射机TX提供控制信号；
电源模块POWER用于为芯片提供工作电源；
突发模式接收机RX包括预放大器Pre_Amplifier、信号检测单元、突发2.5G限幅放大器BurstLA 2.5G、电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer、信号检测输出缓冲器Buffer和快速恢复模块，信号检测单元包括电平判决Level Detector和频率判决Frequency Detecor；
预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端用于接收突发跨阻放大器TIA传来的突发数据包；快速恢复模块用于快速恢复电路以保证时序，使前后两个突发数据包避免物理碰撞；
预放大器Pre_Amplifier的输出端同时连接2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输入端和信号检测单元的输入端；
2.5G突发限幅放大器BurstLA 2.5G的输出端连接电流模式逻辑输出缓冲器CMLBuffer的输入端；
信号检测单元的输出端同时连接信号检测输出缓冲器Buffer的输入端和电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的开启关闭的控制端；
电流模式逻辑输出缓冲器CML Buffer的两个输出端分别连接RX部分的输出引脚RX_OUTP、RX_OUTN；
信号检测输出缓冲器Buffer的输出端连接芯片引脚RX_SD，突发模式接收机RX通过芯片引脚RX_SD向主机发送检测结果；
当芯片引脚LA_RESET接收到主机发送的复位信号时，芯片通过引脚RX_SD向主机发送反馈信号；
快速恢复模块内置或外置于突发模式接收机RX，快速恢复模块包括电阻R7、R8、R9、R10；和开关S1、S2；
快速恢复模块外置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正相输出端通过交流耦合电容C9连接快速恢复模块的电阻R10的一端、电阻R8的一端和芯片正相输入引脚RX_INP；
突发跨阻放大器TIA的反相输出端通过交流耦合电容C8连接快速恢复模块的电阻R9的一端、电阻R7的一端和芯片反相输入引脚RX_INN；
芯片正相输入引脚RX_INP、芯片反相输入引脚RX_INN分别连接预放大器Pre_Amplifier的正相输入端、反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接复位信号线LA_RESET；
RX部分的基准电压引脚Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端；
快速恢复模块内置于突发模式接收机RX时，突发跨阻放大器TIA的正反相输出端通过交流耦合电容C9、C8连接芯片正相输入引脚RX_INP、反相输入引脚RX_INN；
在芯片内部，芯片正相输入引脚RX_INP连接电阻R10的一端、电阻R8的一端和预放大器Pre_Amplifier的正相输入端；
芯片反相输入引脚RX_INN连接电阻R9的一端、R7的一端和预放大器Pre_Amplifier的反相输入端；
电阻R10的另一端连接开关S1的一端；
电阻R9的另一端连接开关S2的一端；
开关S1和S2的控制端同时连接芯片的复位引脚LA_RESET；
RX部分的基准电压Vref同时连接电阻R7的另一端、R8的另一端、开关S1的另一端和开关S2的另一端。
2.根据权利要求1所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，连续模式发射机TX包括输入端缓冲器Input Buffer、旁路ByPass、时钟数据恢复CDR、EML激光器驱动器和偏置电流控制单元，
择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径；
原始高速电信号经过PCB板上的金属走线后形成的衰减信号通过芯片引脚TX_INP和TX_INN接入输入端缓冲器Input Buffer，输入端缓冲器Input Buffer将该衰减信号沿开通路径传输至EML激光器驱动器的输入端；EML激光器驱动器的输出端通过芯片引脚TX_OUTP连接EML激光器的控制端；
偏置电流控制单元的偏置电流输出端连接芯片引脚BIAS，并为EML激光器提供偏置电流；
主机通过芯片引脚TXDIS向芯片发送关闭偏置电流指令来关闭连续模式发射机TX。
3.根据权利要求2所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径由数字控制单元Digital根据外部指令进行控制。
4.根据权利要求2所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，择一启动旁路ByPass或时钟数据恢复CDR路径的方式为主机自行切换通道：速率8G以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路ByPass；当速率在8G-14G时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复CDR路径。
5.根据权利要求1所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，数字控制单元Digital包括寄存器数字核、模数转换器ADC、从I2C和温度传感器TempSensor；
温度传感器Temp Sensor的输出端通过模数转换器ADC连接寄存器数字核的温度信号输入端；
从I2C的输入端连接时钟芯片引脚SCL；从I2C的输入输出端口连接外部指令芯片引脚SDA；从I2C的输出端连接寄存器数字核的外部指令输入端，寄存器数字核控制连续模式发射机TX的路径选择；寄存器数字核还通过控制端口实现对突发模式接收机RX和连续模式发射机TX的配置。
6.根据权利要求5所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，数字控制单元Digital中配置突发模式接收机RX的控制端口包括眼交叉点调整控制端口CPA、输出摆幅控制端口SW CTRL、输出极性反转控制端口POL CTRL和信号丢失控制端口LOSCTRL；
数字控制单元Digital中配置连续模式发射机TX的控制端口包括光功率控制端口APC、眼交叉点调整控制端口CPA、抖动优化控制端口EQ、眼图优化控制端口EO和输出极性反转控制端口POL CTRL；
光功率控制端口APC的输入端连接监视电流芯片引脚MPD。
7.根据权利要求1所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流斩波器DC/DC、电阻R1和R2；
直流电源VDC为EML驱动器提供工作电源，同时，直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地。
8.根据权利要求1所述基于XGPON搭配EML的10G速率OLT端收发一体芯片，其特征在于，电源模块POWER包括直流电源VDC、直流电源VCC、一号直流斩波器DC/DC、二号直流斩波器DC/DC、电阻R1～R4；
一号直流斩波器DC/DC将直流电源VDC转换为直流电源VCC1并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC1分别给突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital提供工作电源；
一号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R1的一端和芯片引脚CAP1；芯片引脚CAP1通过电容C2接地；
电阻R1的另一端同时连接电阻R2的一端和一号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R2的另一端连接地；
一号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW1；芯片引脚SW1通过电感L1连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VDC；芯片引脚VDC连接直流电源VDC的正极；
一号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN1；芯片引脚EN1同时连接电容C1的一端和直流电源VDC的正极；电容C1的另一端接地，直流电源VDC的负极接地；
二号直流斩波器DC/DC将直流电源VCC转换为直流电源VCC2并通过引脚VOUT输出，所述直流电源VCC2为EML激光驱动器提供工作电源；
二号直流斩波器DC/DC的输出端VOUT同时连接电阻R3的一端和芯片引脚CAP2；芯片引脚CAP2通过电容C4接地；
电阻R3的另一端同时连接电阻R4的一端和二号直流斩波器DC/DC的反馈信号端FB；
电阻R4的另一端连接地；
二号直流斩波器DC/DC的开关输入端口SW连接芯片引脚SW2；芯片引脚SW2通过电感L2连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的电源电压端口VCC连接芯片引脚VCC；芯片引脚VCC连接直流电源VCC的正极；
二号直流斩波器DC/DC的使能端口EN连接芯片引脚EN2；芯片引脚EN2同时连接电容C3的一端和直流电源VCC的正极；电容C3的另一端接地，直流电源VCC的负极接地。
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