CN115913125A - 一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路。包括：第一高速反相放大单元和反馈电阻Rf，其用于将高速输入电流信号转换成高速电压信号；高速同相放大单元，其与第一高速反相放大单元的电压输出端连通并用于提供差分输出信号中的第一个输出电压信号；第二高速反相放大单元，其用于对第一高速反相放大单元的输出信号相位进行反相并提供所述差分输出信号中的第二个输出电压信号；差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)，其用于检测第一个输出电压信号与第二个输出电压信号的直流量和幅值差异并依此使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值均趋同。可不需OLT光模块提供配套的RESET信号实现快速突发响应。

Description

一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术和光通信技术领域，特别涉及一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路。

背景技术

目前，家庭宽带已从Kbps速率铜线时代完全进入到了百Mbps量级光纤时代。随着未来新兴宽带业务的兴起，国内光接入网(Optcial Access Network)将从当前的10G G/EPON步入到下一代50G PON，通信网络的演进升级也将光模块的单路速率从10G提升到了25G/50G速率级别。同时，光模块中使用的光接收、发送等光/电芯片也需进行速率更新换代。

在光接入网中，下行业务数据是以广播连续形式发送的；而上行业务数据则是以时分复用突发方式发送的。这对于OLT(optical l ine terminal，光线路终端)侧光信号接收用电芯片(如跨阻放大器TIA，Transimpedance Ampl ifier)而言，由于传输信号是上行突发信号(多个ONU以时分方式传输上行信号)，故要求跨阻放大器TIA能够对上行突发信号进行快速响应，也即突发型跨阻放大器(BM-TIA,Burst-Mode Transimpedance Amplifier)，其突发响应时间一般需小于1us，以避免不同ONU上行信号互相影响和出现数据传输故障。而目前的突发型跨阻放大器产品在无外部控制信号协调的作用下独立工作还无法满足突发响应时间要求。

相关技术中在每个突发信号数据包来临之前，由OLT光模块内部MCU提供一个RESET信号控制跨阻放大器快速完成复位操作，将突发型跨阻放大器的突发响应时间减小至满足要求。针对当前突发型跨阻放大器产品独立工作所存在的突发响应时间过大的情况，如何避免OLT光模块提供配套RESET信号的同时实现快速突发响应功能是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，已解决上述技术问题。

一方面，本发明实施例提供一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，其包括：

第一高速反相放大单元和反馈电阻Rf，其用于将高速输入电流信号转换成高速电压信号；

高速同相放大单元，其与所述第一高速反相放大单元的电压输出端连通并用于提供差分输出信号中的第一个输出电压信号；

第二高速反相放大单元，其用于对所述第一高速反相放大单元的输出信号相位进行反相并提供所述差分输出信号中的第二个输出电压信号；

差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)，其用于检测所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值差异并依此输出反馈信号；

所述反馈信号用于通过多个负反馈环路调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和电压幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和电压幅值均趋同。

一些实施例中，所述第一高速反相放大单元包括三极管Q(21)、三极管Q(22)、电阻R(21)、电阻R(22)、NMOS管MN(21)以及偏置电流源Ibias(21)；

所述三极管Q(21)的基极同时与输入端口IN以及NMOS管MN(22)的漏极连接，其发射极接地，其集电极连接所述电阻R(21)的第一端口和所述三极管Q(22)的基极；

所述三极管Q(22)的发射极与反馈电阻Rf的第二端口、所述偏置电流源Ibias(21)的电流源端口连接，其集电极连接电阻R(22)的第一端口连接；所述三极管Q(22)的发射极是第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R(21)的第二端口和所述电阻R(22)的第二端口均连接电压源VCC1，所述反馈电阻Rf的第一端口与输入端口IN连接，所述偏置电流源Ibias(21)的另一端口接地；

所述NMOS管MN(21)的源极接地。

一些实施例中，所述高速同相放大单元包括高速二极管SBD(21)和电阻R(23)；

所述高速二极管SBD(21)的阳极为所述差分输出电压端口中的第一个输出电压端口mTIAoutp，且连接所述电阻R(23)的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的反相输入端口inn；

所述高速二极管SBD(21)的阴极为所述高速同相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R(23)的第二端口连接NMOS管M(23)的源极。

一些实施例中，所述第二高速反相放大单元包括：

三极管Q(23)、电阻R(24)、电阻R(25)、NMOS管MN(22)、高速二极管SBD(22)和高速二极管SBD(23)；

所述三极管Q(23)的基极为所述第二高速反相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述三极管Q(23)的集电极为差分输出电压端口中的第二个输出电压端口mTIAoutn，并连接所述电阻R(24)的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的同相输入端口inp，且所述三极管Q(23)的发射极连接所述电阻R(25)的第一端口和所述NMOS管MN(22)的漏极；

所述电阻R(24)的第二端口连接所述高速二极管SBD(22)的阴极；

所述高速二极管SBD(22)的阳极连接所述高速二极管SBD(23)的阴极；

所述高速二极管SBD(23)的阳极连接NMOS管M(23)的源极；

所述电阻R(25)的第二端口接地；

所述NMOS管MN(22)的源极接地。

一些实施例中，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)与低通滤波器、NMOS管MN(21)、第一高速反相放大单元、所述反馈电阻Rf、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第一负反馈环路；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)与低通滤波器、NMOS管MN(22)、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第二负反馈环路；

所述第一负反馈环路和第二负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同。

一些实施例中，还包括低通滤波器(21)、NMOS管MN(21)、NMOS管MN(22)；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第一个输出端口连接低通滤波器(21)的输入端；

所述低通滤波器(21)的输出端为反馈控制电压VFB1，其同时连接NMOS管MN(21)的栅极和NMOS管MN(22)的栅极。

一些实施例中，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)、超低带宽低通滤波器(22)、监控和数字反馈控制与锁定单元(21)、数字可调稳压器(21)形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第三负反馈环路，所述第三负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同；

所述超低带宽低通滤波器(22)的3dB带宽低于10kHz；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)用于监测模拟输入电压信号，并根据检测结果将模拟输入电压信号转换成多比特位数字输出电压信号；

所述数字可调稳压器(21)由多比特位数字控制电压信号精细调整其稳定的输出直流电压值。

一些实施例中，还包括超低带宽低通滤波器(22)、监控和数字反馈控制与锁定单元(21)以及数字可调稳压器(21)；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第二个输出端口连接超低带宽低通滤波器(22)的输入端；

所述超低带宽低通滤波器(22)的输出端模拟电压信号VFB2连接所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)的输入端；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)的输出端为四个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，且所述四个数字控制电压信号分别对应连接数字可调稳压器(21)内部的四个MOS开关MN(211)、MN(212)、MN(213)和MN(214)的栅极。

一些实施例中，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)通过低通滤波器、电阻和NMOS管在所述第二高速反相放大单元中形成第四负反馈环路，且所述第四负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第二个输出电压信号的电压幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

一些实施例中，还包括电阻R(31)、NMOS管MN(31)以及低通滤波器M(23)；

所述电阻R(31)的第一端口连接三极管Q(21)的基极以及所述NMOS管MN(31)的源极或漏极，其第二端口连接三极管Q(21)的集电极以及所述NMOS管MN(31)的漏极或源极；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第三个输出端口经过所述低通滤波器M(23)输出反馈控制电压VFB3，所述反馈控制电压VFB3用于调整NMOS管MN(31)的阻值以及所述电阻R(31)和所述NMOS管MN(31)组成的并联单元的阻值，以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

本发明实施例提供了一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路。将输入电流信号转换成一对差分输出电压信号，将当前的单端输入单端输出跨阻放大器前端电路结构变换成单端输入、差分输出跨阻放大器前端电路结构。相比当前的跨阻放大器结构，采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的电路结构不仅在自身结构上实现了快速突发响应能力，其差分输出电压能实时快速跟随输入电流变化，不再需要OLT光模块提供配套的RESET信号，而且还省去了低通滤波器电路和单端转差分电路，简化了跨阻放大器电路结构，降低了跨阻放大器的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中跨阻放大器电路结构示意图；

图2为图1所示跨阻放大器电路的仿真结果示意图；

图3是本发明提出的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的结构示意图；

图4是本发明提出的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的结构示意图；

图5是一种采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的跨阻放大器电路结构示意图；

图6是图5所示跨阻放大器采用图2所示单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的仿真结果示意图；

图7是图5所示跨阻放大器采用图3所示单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的仿真结果示意图。

具体实施方式

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的一部分实施例，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的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。

如图1所示，目前常见的跨阻放大器电路包括跨阻放大器前端电路、由R11和C11组成的低通滤波器、单端转差分放大器、差分放大器、输出缓冲级和DC offset校正电路。其中，跨阻放大器前端电路为单端输入、单端输出结构，将输入光生电流信号IN转换成输出电压信号OUTfront；由R11和C11组成的低通滤波器的作用是对OUTfront信号进行低通滤波并输出均值信号OUTfrontavg；单端转差分放大器的作用是将一对输入信号OUTfront和OUTfrontavg转换成一对差分输出电压信号；差分放大器的作用是对单端转差分放大器输出的差分电压信号进行放大处理；输出缓冲级的作用是与外部进行阻抗匹配，并对外输出一对差分电压信号OUTP和OUTN。

如图2所示，为图1所示常见跨阻放大器电路的仿真结果示意图，其中，/R1/PLUS为跨阻放大器的输入电流信号，其为突发信号，在一段起始时间内无信号，然后为一段较长时间的随机数据信号；/OUTfront(实线信号)为跨阻放大器前端电路的输出端口信号；/OUTfrontavg(虚线信号)为对跨阻放大器前端电路输出端口信号进行低通滤波处理后的均值信号；/OUTP虚线信号和/OUTN实线信号为跨阻放大器的一对差分输出信号。由图2可知：在随机数据信号来临后，/OUTfrontavg比较缓慢地向/OUTfront的均值方向变化,经过约500ns才近似达到/OUTfront的均值状态，该缓慢过程导致跨阻放大器的一对差分输出信号/OUTP和/OUTN也需经过约500ns才达到稳定状态。这也是造成当前的突发型跨阻放大器自身的突发响应时间较长的原因。

如图3所示，本发明实施例提供一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其包括：

第一高速反相放大单元和反馈电阻Rf，其用于将高速输入电流信号转换成高速电压信号；

高速同相放大单元，其与所述第一高速反相放大单元的电压输出端连通并用于提供差分输出信号中的第一个输出电压信号；

第二高速反相放大单元，其用于对所述第一高速反相放大单元的输出信号相位进行反相并提供所述差分输出信号中的第二个输出电压信号；

差分输出直流电压监测与反馈控制单元21，其用于检测所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值差异并依此输出反馈信号；

所述反馈信号用于通过多个负反馈环路调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值均趋同。

通过本实施例，将输入电流信号转换成一对差分输出电压信号，将当前的单端输入单端输出跨阻放大器前端电路结构变换成单端输入、差分输出跨阻放大器前端电路结构。相比当前的跨阻放大器结构，采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的电路结构不仅在自身结构上实现了快速突发响应能力，其差分输出电压能实时快速跟随输入电流变化，不再需要OLT光模块提供配套的RESET信号来完成快速突发响应，而且还省去了低通滤波器电路和单端转差分电路，简化了跨阻放大器电路结构，降低了跨阻放大器的功耗。

一些实施例中，第一高速反相放大单元包括三极管Q21、三极管Q22、电阻R21、电阻R22、NMOS管MN21以及偏置电流源Ibias21；

所述三极管Q21的基极同时与输入端口IN以及NMOS管MN22的漏极连接，其发射极接地，其集电极连接所述电阻R21的第一端口和所述三极管Q22的基极；

所述三极管Q22的发射极与反馈电阻Rf的第二端口、所述偏置电流源Ibias21的电流源端口连接，其集电极连接电阻R22的第一端口连接；所述三极管Q22的发射极是第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R21的第二端口和所述电阻R22的第二端口均连接电压源VCC1，所述反馈电阻Rf的第一端口与输入端口IN连接，所述偏置电流源Ibias21的另一端口接地；

所述NMOS管MN21的源极接地。

可以理解的是，三极管Q22的发射极是第一高速反相放大单元的电压输出端；高速二极管SBD21的阴极为所述高速同相放大单元的电压输入端，其连接第一高速为反相放大单元的电压输出端(三极管Q22的发射极)。

一些实施例中，高速同相放大单元包括高速二极管SBD21和电阻R23；

所述高速二极管SBD21的阳极为所述差分输出电压端口中的第一个输出电压端口mTIAoutp，且连接所述电阻R23的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的反相输入端口inn；

所述高速二极管SBD21的阴极为所述高速同相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R23的第二端口连接NMOS管M23的源极。

一些实施例中，第二高速反相放大单元包括：

三极管Q23、电阻R24、电阻R25、NMOS管MN22、高速二极管SBD22和高速二极管SBD23；

所述三极管Q23的基极为所述第二高速反相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述三极管Q23的集电极为差分输出电压端口中的第二个输出电压端口mTIAoutn，并连接所述电阻R24的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的同相输入端口inp，且所述三极管Q23的发射极连接所述电阻R25的第一端口和所述NMOS管MN22的漏极；

所述电阻R24的第二端口连接所述高速二极管SBD22的阴极；

所述高速二极管SBD22的阳极连接所述高速二极管SBD23的阴极；

所述高速二极管SBD23的阳极连接NMOS管M23的源极；

所述电阻R25的第二端口接地；

所述NMOS管MN22的源极接地；

一些实施例中，差分输出直流电压监测与反馈控制单元21与低通滤波器、NMOS管MN21、第一高速反相放大单元、所述反馈电阻Rf、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第一负反馈环路；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21与低通滤波器、NMOS管MN22、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第二负反馈环路；

所述第一负反馈环路和第二负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同。

一些实施例中，一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路还包括低通滤波器21、NMOS管MN21、NMOS管MN22；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第一个输出端口连接低通滤波器21的输入端；

所述低通滤波器21的输出端为反馈控制电压VFB1，其同时连接NMOS管MN21的栅极和NMOS管MN22的栅极。

一些实施例中，差分输出直流电压监测与反馈控制单元21、超低带宽低通滤波器22、监控和数字反馈控制与锁定单元21、数字可调稳压器21形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第三负反馈环路，所述第三负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同；

所述超低带宽低通滤波器22的3dB带宽低于10kHz；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元21用于监测模拟输入电压信号，并根据检测结果将模拟输入电压信号转换成多比特位数字输出电压信号；

所述数字可调稳压器21由多比特位数字控制电压信号精细调整其稳定的输出直流电压值。

一些实施例中，一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路还包括超低带宽低通滤波器22、监控和数字反馈控制与锁定单元21以及数字可调稳压器21；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第二个输出端口连接超低带宽低通滤波器22的输入端；

所述超低带宽低通滤波器22的输出端模拟电压信号VFB2连接所述监控和数字反馈控制与锁定单元21的输入端；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元21的输出端为四个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，且所述四个数字控制电压信号分别对应连接数字可调稳压器21内部的四个MOS开关MN211、MN212、MN213和MN214的栅极。

可以理解的是，监控和数字反馈控制与锁定单元21的作用是监测模拟电压信号VFB2，并将对VFB2的检测结果转换成四个数字信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，再将这四个数字信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4输出给数字可调稳压器21，数字可调稳压器21根据输入的四个数字信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4调整输出电压(输出端连接NMOS管MN23的栅极)。

一些实施例中，差分输出直流电压监测与反馈控制单元21通过低通滤波器、电阻和NMOS管在所述第二高速反相放大单元中形成第四负反馈环路，且所述第四负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第二个输出电压信号的电压幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

一些实施例中，一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，还包括电阻R31、NMOS管MN31以及低通滤波器M23；

所述电阻R31的第一端口连接三极管Q21的基极以及所述NMOS管MN31的源极或漏极，其第二端口连接三极管Q21的集电极以及所述NMOS管MN31的漏极或源极；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第三个输出端口经过所述低通滤波器M23输出反馈控制电压VFB3，所述反馈控制电压VFB3用于调整NMOS管MN31的阻值以及所述电阻R31和所述NMOS管MN31组成的并联单元的阻值，以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

如图3所示，在一个具体的实施例中，本发明提出的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，包括：三极管Q21、Q22和Q23，电阻R21、R22、R23、R24和R25，高速二极管SBD21、SBD22和SBD23，NMOS管MN21、MN22和MN23，偏置电流源Ibias21，差分输出直流电压监测与反馈控制单元21，低通滤波器21，超低带宽低通滤波器22，监控和数字反馈控制与锁定单元21，带隙基准21，以及数字可调稳压器21(内含电阻R210、R211、R212、R213和R214，NMOS管MN211、MN212、MN213和MN214)。

其中，各器件的连接方式包括：输入端口IN连接三极管Q21的基极、反馈电阻Rf的第一端口和NMOS管MN21的漏极；三极管Q21的发射极接地；三极管Q21的集电极连接电阻R21的第一端口和三极管Q22的基极；电阻R21的第二端口连接电压源VCC1；三极管Q22的发射极连接反馈电阻Rf的第二端口、偏置电流源Ibias21的电流源端口、三极管Q23的基极和高速二极管SBD21的阴极；三极管Q22的集电极连接电阻R22的第一端口；电阻R22的第二端口连接电压源VCC1；偏置电流源Ibias21的另一端口接地；NMOS管MN21的源极接地；高速二极管SBD21的阳极为一对差分输出电压端口中的第一个输出电压端口mTIAoutp，其连接电阻R23的第一端口差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的反相输入端口inn；高速二极管SBD21的阴极连接三极管Q22的发射极；电阻R23的第二端口连接NMOS管M23的源极；三极管Q23的集电极为一对差分输出电压端口中的第二个输出电压端口mTIAoutn，其连接电阻R24的第一端口和差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的同相输入端口inp；三极管Q23的基极连接三极管Q22的发射极；电阻R24的第二端口连接高速二极管SBD22的阴极；高速二极管SBD22的阳极连接高速二极管SBD23的阴极；高速二极管SBD23的阳极连接NMOS管M23的源极；三极管Q23的发射极连接电阻R25的第一端口和NMOS管MN22的漏极；电阻R25的第二端口接地；NMOS管MN21的源极接地；NMOS管MN22的源极接地；差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第一个输出端口连接低通滤波器21的输入端，低通滤波器21的输出端为反馈控制电压VFB1，其同时连接NMOS管MN21的栅极和NMOS管MN22的栅极。差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第二个输出端口连接超低带宽低通滤波器22的输入端，超低带宽低通滤波器22的输出端VFB2连接监控和数字反馈控制与锁定单元21的输入端，监控和数字反馈控制与锁定单元21的输出端是4个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，即4bit数字输出电压信号，这4个数字控制电压信号分别连接数字可调稳压器21内部的4个MOS开关MN211、MN212、MN213和MN214的栅极。在数字可调稳压器21内部，电阻R211的两端分别连接MOS开关MN211的源极和漏极，电阻R212的两端分别连接MOS开关MN212的源极和漏极，电阻R213的两端分别连接MOS开关MN213的源极和漏极，电阻R214的两端分别连接MOS开关MN214的源极和漏极，且MN211的漏极连接MN212的源极，MN212的漏极连接MN213的源极，MN213的漏极连接MN212的源极，电阻R211的第一端口同时连接MN211的源极、电阻R210的第一个端口、NMOS管MN23的源极；电阻R210的第二个端口接地；电阻R214的第二端口同时连接MOS开关MN214的漏极以及NMOS管MN23的栅极；带隙基准21的输出端VBG连接数字可调稳压器21的输入参考电压端口。

可优选地，如图3所示的高速二极管SBD21、SBD22和SBD23也可以采用肖特基二极管，还可以采用“将NPN三极管基极和集电极短接后形成的二极管”或“将NMOS管的栅极和漏极短接后形成的二级管”或其它类似结构形成的高速二极管。

本实施例中，三极管Q21和Q22、电阻R21和R22、NMOS管MN21以及偏置电流源Ibias21组成了第一个高速反相放大单元；三极管Q23、电阻R24和R25、NMOS管MN22、高速二极管SBD22和SBD23组成了第二个高速反相放大单元；第一个高速反相放大单元和反馈电阻Rf的共同作用是将高速输入电流信号转换成高速电压信号；高速二极管SBD21和电阻R23的作用是实现一个高速同相放大单元，并提供一对差分输出信号中的第一个输出电压信号mTIAoutp；第二个高速反相放大单元的作用是对第一个高速反相放大单元的输出信号相位进行反相，并提供一对差分输出信号中的第二个输出电压信号mTIAoutn。

可以理解的，本实施例中差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的作用包括两大方面：第一方面，比较差分输出信号mTIAoutp的直流量和mTIAoutn的直流量之间的差异，并根据检测到差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的直流量差异大小输出第一个反馈信号，并经低通滤波器21的到第一个反馈控制电压信号VFB1，调整NMOS管MN21的栅极电压和NMOS管MN22的栅极电压，进而调整NMOS管MN21和NMOS管MN22的电流及其漏极电压，进而通过第一个高速反相放大单元、高速同相放大单元和第二个高速反相放大单元形成针对差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的两个负反馈环路(第一负反馈环路由差分输出直流电压监测与反馈控制单元21、低通滤波器21、NMOS管MN21、第一高速反相放大单元和反馈电阻Rf、高速同相放大单元和第二高速反相放大单元组成，第二负反馈环路由差分输出直流电压监测与反馈控制单元21、低通滤波器21、NMOS管MN22、高速同相放大单元和第二高速反相放大单元组成)，达到调整mTIAoutp的直流量和mTIAoutn的直流量的目的，并最终维持mTIAoutp的直流量和mTIAoutn的直流量处于近似相等的状态。第二方面，根据检测比较差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的直流量差异的结果输出第二个反馈信号，并经过超低带宽低通滤波器22输出反馈控制电压信号VFB2，再通过监控和数字反馈控制与锁定单元21转化成4个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，即4bit数字控制电压信号，同时，监控和数字反馈控制与锁定单元21经过一段时间的比对后将4个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4锁定在一种固定的状态；监控和数字反馈控制与锁定单元21输出的4个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4分别控制数字可调稳压器21内部的4个MOS开关MN211、MN212、MN213和MN214的开/关状态，进而调整控制数字可调稳压器21内部的4个电阻R211、R212、R213和R214串联后的总阻值，进而调整NMOS管M23的源极电压，再进而调整差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的直流量，最终也达到维持差分信号mTIAoutp的直流量和mTIAoutn的直流量近似相等的目的。

所述超低带宽低通滤波器22的3dB带宽低于10kHz。

所述数字可调稳压器21可以输出多个稳定的直流电压，可输出的稳定直流电压的数量由其内部设计的数字控制电压信号数量决定，例如，4个(4bi t)数字控制电压信号对应的数量是2*2*2*2-1＝15，可达到精细调整其稳定的输出直流电压值的目的。

在一个具体的实施例中，考虑到图3中单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路可以很好地将输入电流信号IN转换成一对差分输出电压信号mTIAoutp和mTIAoutn，但同时也可能会存在一个现象：mTIAoutp和mTIAoutn的电压信号幅度大小可能会存在较大差距。为此提出了如图4所示的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路。其与图3所示单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路结构的区别之处在于：增加了电阻R31、NMOS管MN31、低通滤波器M23以及差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第三个输出端口；电阻R31的第一端口连接三极管Q21的基极以及NMOS管MN31的源极(或漏极)，电阻R31的第二端口连接三极管Q21的集电极以及NMOS管MN31的漏极(或源极)；电阻R31和NMOS管MN31的作用是在由三极管Q23、电阻R24和R25、高速二极管SBD22和SBD23、NMOS管MN22组成的第二个高速反相放大单元中形成一个负反馈环路。差分输出直流电压监测与反馈控制单元21的第三个输出端口经过低通滤波器M23输出反馈控制电压VFB3，调整NMOS管MN31的阻值以及电阻R31和NMOS管MN31组成的并联单元的阻值，进而调整第二个高速反相放大单元的电压增益，再进而调整输出端mTIAoutn的电压信号幅度，最终达到维持差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的电压信号幅度近似相等的目的。也即，图4所示的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路结构可以同时实现维持差分信号mTIAoutp的直流量和mTIAoutn的直流量近似相等以及维持差分信号mTIAoutp和mTIAoutn的电压信号幅度近似相等的功能，从而达到输出全差分信号的目的。

如图5所示，本发明实施例还提供一种采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的跨阻放大器电路结构，其包括单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路、差分放大器、输出缓冲级和DC offset校正电路。与图1所示常见跨阻放大器电路结构的显著区别之处在于：采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的跨阻放大器不仅不再需要低通滤波器和单端转差分放大器，而且可以实现对突发信号的快速响应。

如图6(a)所示，是图4所示跨阻放大器采用图2所示单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的仿真结果示意图，时长为1.1us，其中，/R1/PLUS为跨阻放大器的输入电流信号，其为突发信号，在一段起始时间内无信号，然后为一段较长时间的随机数据信号；/I0/I0/mTIAoutp(虚线信号)和/I0/I0/mTIAoutn(实线信号)为单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路输出的一对差分输出电压信号；/OUTP(虚线信号)和/OUTN(实线信号)为跨阻放大器的一对差分输出电压信号。由图6(a)可知：/R1/PLUS在起始时间内无信号，之后便是伪随机数据信号,在伪随机数据信号结束后又是无信号；当/R1/PLUS为无信号状态时，/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN也都是无信号状态；当/R1/PLUS转变为伪随机数据信号状态时，/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN也随之迅速转变为伪随机数据信号状态。

图6(b)是将图6(a)所示仿真结果只显示0至150ns时段的结果图，由6(b)可知：/R1/PLUS的起始无信号时长约为50ns；/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN的突发响应速度非常快(响应时间小于ns量级)，实时跟随/R1/PLUS信号状态进行变化；/I0/I0/mTIAoutn随/R1/PLUS同相变化，/I0/I0/mTIAoutp随/R1/PLUS反相变化。

图6(c)是将图6(a)所示仿真结果只显示950ns至1.1us时段的结果图，由6(c)可知：/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN信号在950ns至1.05us时段内的稳定状态与50n至150ns时段的稳定状态是基本相同的；在伪随机数据信号结束后/R1/PLUS进入无信号状态后，/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN信号都迅速跟随/R1/PLUS进入无信号状态(响应时间小于ns量级)；确认了/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn以及/OUTP和/OUTN随/R1/PLUS状态快速变化的过程是稳定的。

图6所示仿真结果也反映了一个现象：/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn的信号幅度有较大差距，/I0/I0/mTIAoutp的信号幅度大小约为40mV，/I0/I0/mTIAoutn的信号幅度大小约为200mV。

如图7(a)所示，是图5所示跨阻放大器采用图4所示单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的仿真结果示意图，时长为1.1us；图7(b)是将图6(a)所示仿真结果只显示0至150ns时段的结果图。由图7(a)和7(b)可知：图4所示结构明显降低了/I0/I0/mTIAoutn(实线信号)的信号幅度，将/I0/I0/mTIAoutn的信号幅度从图6中约200mV降低为约60mV，达到了与/I0/I0/mTIAoutp(虚线信号)的信号幅度大小基本相当的程度。也即，图4中添加的负反馈结构可以实现维持差分输出信号/I0/I0/mTIAoutp和/I0/I0/mTIAoutn的电压幅度近似相等，达到了全差分输出的目的。

综上所述，本发明提出的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，不仅创新地将当前的单端输入单端输出跨阻放大器前端电路结构变换成单端输入、差分输出跨阻放大器前端电路结构，而且其还具有快速突发响应能力。此外，相比当前的跨阻放大器结构，采用本发明所提出的单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路的电路结构不仅在自身结构上实现了快速突发响应能力，其差分输出电压OUTP和OUTN能实时快速跟随输入电流/R1/PLUS变化，不再需要OLT光模块提供配套的RESET信号，而且还省去了低通滤波器电路和单端转差分电路，简化了跨阻放大器电路结构，降低了跨阻放大器的功耗。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读存储介质上，计算机可读存储介质可以包括计算机可读存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，其包括：

第一高速反相放大单元和反馈电阻Rf，其用于将高速输入电流信号转换成高速电压信号；

高速同相放大单元，其与所述第一高速反相放大单元的电压输出端连通并用于提供差分输出信号中的第一个输出电压信号；

第二高速反相放大单元，其用于对所述第一高速反相放大单元的输出信号相位进行反相并提供所述差分输出信号中的第二个输出电压信号；

差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)，其用于检测所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和幅值差异并依此输出反馈信号；

所述反馈信号用于通过多个负反馈环路调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和电压幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量和电压幅值均趋同。

2.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述第一高速反相放大单元包括三极管Q(21)、三极管Q(22)、电阻R(21)、电阻R(22)、NMOS管MN(21)以及偏置电流源Ibias(21)；

所述三极管Q(21)的基极同时与输入端口IN以及NMOS管MN(22)的漏极连接，其发射极接地，其集电极连接所述电阻R(21)的第一端口和所述三极管Q(22)的基极；

所述三极管Q(22)的发射极与反馈电阻Rf的第二端口、所述偏置电流源Ibias(21)的电流源端口连接，其集电极连接电阻R(22)的第一端口连接；所述三极管Q(22)的发射极是第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R(21)的第二端口和所述电阻R(22)的第二端口均连接电压源VCC1，所述反馈电阻Rf的第一端口与输入端口IN连接，所述偏置电流源Ibias(21)的另一端口接地；

所述NMOS管MN(21)的源极接地。

3.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述高速同相放大单元包括高速二极管SBD(21)和电阻R(23)；

所述高速二极管SBD(21)的阳极为所述差分输出电压端口中的第一个输出电压端口mTIAoutp，且连接所述电阻R(23)的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的反相输入端口inn；

所述高速二极管SBD(21)的阴极为所述高速同相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述电阻R(23)的第二端口连接NMOS管M(23)的源极。

4.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述第二高速反相放大单元包括：

三极管Q(23)、电阻R(24)、电阻R(25)、NMOS管MN(22)、高速二极管SBD(22)和高速二极管SBD(23)；

所述三极管Q(23)的基极为所述第二高速反相放大单元的电压输入端，其连接所述第一高速反相放大单元的电压输出端；

所述三极管Q(23)的集电极为差分输出电压端口中的第二个输出电压端口mTIAoutn，并连接所述电阻R(24)的第一端口和所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的同相输入端口inp，且所述三极管Q(23)的发射极连接所述电阻R(25)的第一端口和所述NMOS管MN(22)的漏极；

所述电阻R(24)的第二端口连接所述高速二极管SBD(22)的阴极；

所述高速二极管SBD(22)的阳极连接所述高速二极管SBD(23)的阴极；

所述高速二极管SBD(23)的阳极连接NMOS管M(23)的源极；

所述电阻R(25)的第二端口接地；

所述NMOS管MN(22)的源极接地。

5.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)与低通滤波器、NMOS管MN(21)、第一高速反相放大单元、所述反馈电阻Rf、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第一负反馈环路；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)与低通滤波器、NMOS管MN(22)、所述高速同相放大单元和所述第二高速反相放大单元形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第二负反馈环路；

所述第一负反馈环路和第二负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同。

6.如权利要求5所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，还包括低通滤波器(21)、NMOS管MN(21)、NMOS管MN(22)；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第一个输出端口连接低通滤波器(21)的输入端；

所述低通滤波器(21)的输出端为反馈控制电压VFB1，其同时连接NMOS管MN(21)的栅极和NMOS管MN(22)的栅极。

7.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)、超低带宽低通滤波器(22)、监控和数字反馈控制与锁定单元(21)、数字可调稳压器(21)形成针对所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的第三负反馈环路，所述第三负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的直流量趋同；

所述超低带宽低通滤波器(22)的3dB带宽低于10kHz；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)用于监测模拟输入电压信号，并根据检测结果将模拟输入电压信号转换成多比特位数字输出电压信号；

所述数字可调稳压器(21)由多比特位数字控制电压信号精细调整其稳定的输出直流电压值。

8.如权利要求7所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，还包括超低带宽低通滤波器(22)、监控和数字反馈控制与锁定单元(21)以及数字可调稳压器(21)；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第二个输出端口连接超低带宽低通滤波器(22)的输入端；

所述超低带宽低通滤波器(22)的输出端模拟电压信号VFB2连接所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)的输入端；

所述监控和数字反馈控制与锁定单元(21)的输出端为四个数字控制电压信号VFBreg1、VFBreg2、VFBreg3和VFBreg4，且所述四个数字控制电压信号分别对应连接数字可调稳压器(21)内部的四个MOS开关MN(211)、MN(212)、MN(213)和MN(214)的栅极。

9.如权利要求1所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)通过低通滤波器、电阻和NMOS管在所述第二高速反相放大单元中形成第四负反馈环路，且所述第四负反馈环路用于根据所述反馈信号调整所述第二个输出电压信号的电压幅值以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

10.如权利要求9所述的一种单端输入差分输出突发模式跨阻放大器前端电路，其特征在于，还包括电阻R(31)、NMOS管MN(31)以及低通滤波器M(23)；

所述电阻R(31)的第一端口连接三极管Q(21)的基极以及所述NMOS管MN(31)的源极或漏极，其第二端口连接三极管Q(21)的集电极以及所述NMOS管MN(31)的漏极或源极；

所述差分输出直流电压监测与反馈控制单元(21)的第三个输出端口经过所述低通滤波器M(23)输出反馈控制电压VFB3，所述反馈控制电压VFB3用于调整NMOS管MN(31)的阻值以及所述电阻R(31)和所述NMOS管MN(31)组成的并联单元的阻值，以使所述第一个输出电压信号与所述第二个输出电压信号的电压幅值趋同。

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