CN116886199A - 一种低功耗的搭配eml激光器的收发一体芯片 - Google Patents
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Abstract
一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，属于集成电路和光通信领域，本发明为解决现有搭配EML激光器的收发一体芯片本身功耗大的问题。本发明收发一体芯片包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital，连续模式发射机TX包括IBIAS偏置电路，所述IBIAS偏置电路用于给EML激光器提供偏置电流；所述IBIAS偏置电路包括电流镜结构和锁位运放，锁位运放用于将电流镜结构的两个晶体管的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，IBIAS偏置电路的电源电压为VCC＝VF+Vds，其中VF为正向电压，VF＝1.2V～1.5V。
Description
技术领域
本发明涉及一种能降低搭配EML激光器收发一体芯片功耗的技术，属于集成电路和光通信领域。
背景技术
在光纤通信集成电路的发射端，激光驱动器LDD(Laser Diode Driver)按照数据流的逻辑值开启或者关闭激光器，并使用光纤远距离传递光信号，接收端再通过跨阻放大器(TIA)将电流信号转换为电压信号。
常用的激光器类型有：VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)和EML(External Modulated Laser的缩写，外调激光器)。VCSEL激光器生产成本低，适合高速短距离传输。DFB激光器生产成本较高，能提供较高的功率，用于长途传输。EML激光器成本很高，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，最终导致脉宽展宽，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。
EML激光器在高速开关的情况下，需要大约1.2V-1.5V的正向电压VF(Forward-bias Voltage)，如图1所示的简化EML激光器等效电路所示，正向电压VF等于EML激光器的带隙电压VBG与激光器等效串联电阻RL上的压降和，公式为：
VF＝VBG+RL·I
常温下，EML激光器的带隙电压VBG大约等于0.7V，激光器等效串联电阻RL等于5Ω，电流I＝偏置电流IBIAS＝100mA以上，因此VF＝1.2V以上，最大1.5V。
图2是传统的搭配EML激光器的收发一体芯片，在发射端TX提供偏置电流的IBIAS偏置电路采用的是电流镜结构，电流镜提供100mA以上的偏置电流IBIAS给EML激光器，使其发出最大光强。
为EML激光器提供偏置电流的IBIAS偏置电路具有两种模式：sink模式(漏型)和source模式(源型)，参见图3所示，当开关S1、S4断开，开关S2、S3闭合，即电流镜采用sink模式连接EML激光器。参见图4所示，当开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开，即电流镜采用source模式连接EML激光器。EML两端的最大压降为1.5V，为保证两个镜像晶体管MN1、MN3(图3)或者MP1、MP2(图4)的镜像精度，必须满足镜像两管子的栅源电压Vgs、阈值电压Vth、漏源电压Vds一致且工作在饱和区。图3中，为了提高EML激光器的偏置电流至100mA，电流源IDC的电流相应增大，使得MN1的Vgs和Vds电压增大，EML激光器两端的压降1.5V，如果此时MN3要进入饱和区工作，则MN3的Vds大约为0.5V，因此该IBIAS偏置电路正常工作时的最低电源电压为2V，传统的芯片电源电压配置方案为3.3V，那么将有(3.3V-2V)*100mA＝130mW的功耗被浪费在IBIAS偏置电路上。
实际应用中，用于搭配EML激光器的收发一体芯片本身功耗巨大，各个芯片设计厂商都推出了降低EML收发一体芯片功耗的方案：有在芯片外部使用高效率的DCDC进行芯片供电，也有采用减小芯片整体工作电流的方案。然而以上两种降低功耗的方案会增加硬件成本，减小工作电流还会影响芯片的整体性能。因此在降低搭配EML激光器的收发一体芯片功耗的道路上还需要进一步的探索。
发明内容
针对现有搭配EML激光器的收发一体芯片本身功耗大的问题，本发明提供一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片。
本发明所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，收发一体芯片包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital，
连续模式发射机TX包括IBIAS偏置电路，所述IBIAS偏置电路用于给EML激光器提供偏置电流；
所述IBIAS偏置电路包括电流镜结构和锁位运放，锁位运放用于将电流镜结构的两个晶体管的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，IBIAS偏置电路的电源电压为VCC＝VF+Vds，其中VF为正向电压，VF＝1.2V～1.5V。
优选地，连续模式发射机TX的IBIAS偏置电路包括电流源IDC、NMOS晶体管MN1～MN3、开关S1～S5、PMOS晶体管MP1～MP2和锁位运放AMP1～AMP2；
电流源IDC的负端同时连接开关S1的一端、NMOS晶体管MN1的漏端和锁位运放AMP2的正相输入端；
NMOS晶体管MN1的源端接地；
NMOS晶体管MN1的栅端同时连接开关S1的另一端、开关S2的一端和开关S4的一端；
NMOS晶体管MN2的栅端同时连接开关S2的另一端和开关S3的一端；
开关S3的另一端接地；
NMOS晶体管MN2的源端接地；
NMOS晶体管MN2的漏端同时连接PMOS晶体管MP1的漏端和锁位运放AMP1的正相输入端；
NMOS晶体管MN3的栅端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端和锁位运放AMP2的输出端；
开关S5的另一端接地；
NMOS晶体管MN3的源端接地；
NMOS晶体管MN3的漏端同时连接锁位运放AMP2的反相输入端、锁位运放AMP1的反相输入端、PMOS晶体管MP2的漏端和EML激光器偏置电流引脚BIAS；
PMOS晶体管MP1的栅端同时连接PMOS晶体管MP2的栅端、锁位运放AMP1的输出端；
电流源IDC的正端、PMOS晶体管MP1的源端、PMOS晶体管MP2的源端同时连接电源VCC；
当开关S3、S4闭合，开关S1、S2、S5断开时，电流镜采用sink模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP2将电流镜的NMOS晶体管MN1和MN3的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，NMOS晶体管MN3输出偏置电流给EML激光器；
当开关S3、S4断开，开关S1、S2、S5闭合时，电流镜采用source模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP1将电流镜的PMOS晶体管MP1和MP2的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，PMOS晶体管MP2输出偏置电流给EML激光器。
优选地，锁位运放AMP1采用具有较高输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放；锁位运放AMP1的输入共模电压在1.5V。
优选地，锁位运放AMP2采用具有较低输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放，锁位运放AMP2的输入共模电压为0.1V。
优选地，所有晶体管均采用低压工艺1.8V的晶体管。
本发明的有益效果：
提出一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，对收发一体芯片内的IBIAS偏置电路进行特殊设计，改变了传统给EML激光器提供偏置电流的电流镜结构，采用低电源电压搭配低压工艺晶体管和拥有较高或者较低输入共模范围的锁位运放搭建成低功耗EML激光器偏置电流镜电路，该部分最大功耗为(1.5V+0.1V)*100mA＝160mW，相比于传统偏置电流镜方案的功耗3.3V*100mA＝330mW,功耗至少节约了170mW，本发明收发一体芯片的功耗是传统结构功耗的一半左右。
附图说明
图1是EML激光器模型；
图2是搭配传统的EML激光器IBIAS偏置电路收发一体芯片的结构示意图；
图3是传统的EML激光器IBIAS偏置电路sink等效图；
图4是传统的EML激光器IBIAS偏置电路source等效图；
图5是本发明低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片的结构示意图；
图6是本发明EML激光器IBIAS偏置电路sink等效图；
图7是本发明EML激光器IBIAS偏置电路source等效图；
图8是锁位运放AMP1内部结构图；
图9是锁位运放AMP2内部结构图。
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。
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。
本发明为EML激光器提供偏置电流的IBIAS偏置电路的工作电压可降到1.6V以下，和传统3.3V工作电源相比，本发明可节省一半左右的功耗。
参见图2所示传统IBIAS偏置电路方案，假如采用本发明思路，为了降低功耗，将IBIAS偏置电路的工作电源由原来的3.3V直接降压到1.6V，MN3的Vds只有1.6-(1.2～1.5)＝0.1～0.3V，这个数值小于管子饱和区所需最小电压0.5V，意味着MN3管子只能工作在线性区(非饱和区)，则无法准确镜像出100mA的EML激光器偏置电流。因此，传统的为EML激光器提供偏置电流的IBIAS偏置电路并不能实现低功耗的目的。
具体实施方式一：下面结合图5至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，收发一体芯片包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital，
连续模式发射机TX包括IBIAS偏置电路，所述IBIAS偏置电路用于给EML激光器提供偏置电流；
所述IBIAS偏置电路包括电流镜结构和锁位运放，锁位运放用于将电流镜结构的两个晶体管的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，IBIAS偏置电路的电源电压为VCC＝VF+Vds，其中VF为正向电压，VF＝1.2V～1.5V。
参见图5，收发一体芯片内部的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，图中收发一体芯片的外围电路包括电阻R1～R7、电容C1～C5、电感L1～L3及磁珠B1～B6，收发一体芯片的偏置电流通过BIAS引脚给EML激光器，EML激光器将监视电流引至芯片MPD引脚。
本实施方式着重介绍收发一体芯片中的IBIAS偏置电路，具体为：
连续模式发射机TX的IBIAS偏置电路包括电流源IDC、NMOS晶体管MN1～MN3、开关S1～S5、PMOS晶体管MP1～MP2和锁位运放AMP1～AMP2；
电流源IDC的负端同时连接开关S1的一端、NMOS晶体管MN1的漏端和锁位运放AMP2的正相输入端；
NMOS晶体管MN1的源端接地；
NMOS晶体管MN1的栅端同时连接开关S1的另一端、开关S2的一端和开关S4的一端；
NMOS晶体管MN2的栅端同时连接开关S2的另一端和开关S3的一端；
开关S3的另一端接地；
NMOS晶体管MN2的源端接地；
NMOS晶体管MN2的漏端同时连接PMOS晶体管MP1的漏端和锁位运放AMP1的正相输入端；
NMOS晶体管MN3的栅端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端和锁位运放AMP2的输出端；
开关S5的另一端接地；
NMOS晶体管MN3的源端接地；
NMOS晶体管MN3的漏端同时连接锁位运放AMP2的反相输入端、锁位运放AMP1的反相输入端、PMOS晶体管MP2的漏端和EML激光器偏置电流引脚BIAS；
PMOS晶体管MP1的栅端同时连接PMOS晶体管MP2的栅端、锁位运放AMP1的输出端；
电流源IDC的正端、PMOS晶体管MP1的源端、PMOS晶体管MP2的源端同时连接电源VCC；
当开关S3、S4闭合，开关S1、S2、S5断开时，电流镜采用sink模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP2将电流镜的NMOS晶体管MN1和MN3的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，NMOS晶体管MN3输出偏置电流给EML激光器；
当开关S3、S4断开，开关S1、S2、S5闭合时，电流镜采用source模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP1将电流镜的PMOS晶体管MP1和MP2的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，PMOS晶体管MP2输出偏置电流给EML激光器。
工作原理：所有晶体管均采用低压工艺1.8V的晶体管。电流镜的电源电压为VCC＝VF+Vds。VF是EML激光器在高速开关的情况下需要的正向电压，VF＝1.2V-1.5V，Vds为电流镜结构的两个晶体管的漏源电压，本发明利用锁位运放将Vds锁定在0.1V以下，后面说明原理过程中，正向电压按最大值1.5V代入，Vds按0.1V代入，则本发明收发一体芯片IBIAS偏置电路的电流镜电压可降至1.6V以下，极大的降低了功耗。
结合图6～图8的实例进行说明，VCC设置为1.8V，比理论设计值1.6V稍高一点儿，可充分满足工作要求。
参见图6，当开关S3、S4闭合，开关S1、S2、S5断开，为sink模式(漏型)。电流源IDC给一束较小的电流，使得锁位运放AMP2的正相输入端电压保持在0.1V，运放AMP2的作用是将电流镜的两个管子——晶体管MN1和MN3的漏源电压Vds锁定为0.1V，因此MN1和MN3无论在饱和条件下都拥有了完全相同的的栅源电压Vgs、阈值电压Vth、漏源Vds，MN3将会按照比例严格放大电流源IDC的小电流，输出100mA的偏置电流给EML激光器，此时该电路的工作电压为VCC＝VF+0.1V，VF取值最大电压1.5V时，VCC＝1.6V，总功耗为1.6V×100mA＝160mW。为了进一步降低功耗还可以将0.1V的Vds进一步减小到几十mV。实现这个电路的另一个关键为AMP2需要采用如图9所示，具有较低输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放，这里所述的较低是相对于AMP2而言的，锁位运放AMP2的输入共模电压为0.1V，VIP2、VIN2为AMP2的正负输入端，输入共模电压，OUT2为AMP2的输出端，连接MN1、MN3的栅端，VB21～VB24为AMP2的偏置电压。
参见图7，当开关S3、S4断开，开关S1、S2、S5闭合，为source模式(源型)。电流源IDC给一束较小的电流，设计好MP1和MN2的管子尺寸，使得MN2输出较大阻抗，让MN1和MN2的Vds一样为1.5V。锁位运放AMP1的正相输入端电压保持在1.5V，运放AMP2的作用是将晶体管MP1和MP2的Vds锁定为0.1V，因此MP1和MP2在饱和条件下都拥有了完全相同的的Vgs、Vth、Vds，MP2将会按照比例严格放大电流源IDC的小电流，输出100mA的偏置电流给EML激光器，此时该电路的工作电压为VCC＝VF+0.1V，VF最大电压为1.5V，总功耗为160mW。为了进一步降低功耗还可以将0.1V的Vds进一步减小到几十mV。实现这个电路的另一个关键为AMP1需要采用如图8所示，具有较高输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放。
锁位运放AMP1采用具有较高输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放；锁位运放AMP1的输入共模电压在1.5V。这里所述的较高是相对于AMP2而言的，锁位运放AMP2的输入共模电压为1.5V，VIP1、VIN1为AMP1的正负输入端，输入共模电压，OUT1为AMP1的输出端，连接MP1、MP2的栅端，VB11～VB14为AMP1的偏置电压。
本发明提出的一种能降低搭配EML激光器收发一体芯片功耗的方法，通过加入特别设计和选型的锁位运放，可以将镜像管的Vds锁定在0.1V以下，加上EML的1.5V的正向电压VF，让该部分的工作电压下降到了1.6V，比传统结构的3.3V工作电压，功耗降低了170mW，使得该款收发一体芯片更具市场竞争优势。
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 (5)
1.一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，其特征在于，收发一体芯片包括突发模式接收机RX、连续模式发射机TX和数字控制单元Digital，
连续模式发射机TX包括IBIAS偏置电路，所述IBIAS偏置电路用于给EML激光器提供偏置电流；
所述IBIAS偏置电路包括电流镜结构和锁位运放，锁位运放用于将电流镜结构的两个晶体管的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，IBIAS偏置电路的电源电压为VCC＝VF+Vds，其中VF为正向电压，VF＝1.2V～1.5V。
2.根据权利要求1所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，其特征在于，连续模式发射机TX的IBIAS偏置电路包括电流源IDC、NMOS晶体管MN1～MN3、开关S1～S5、PMOS晶体管MP1～MP2和锁位运放AMP1～AMP2；
电流源IDC的负端同时连接开关S1的一端、NMOS晶体管MN1的漏端和锁位运放AMP2的正相输入端；
NMOS晶体管MN1的源端接地；
NMOS晶体管MN1的栅端同时连接开关S1的另一端、开关S2的一端和开关S4的一端；
NMOS晶体管MN2的栅端同时连接开关S2的另一端和开关S3的一端；
开关S3的另一端接地；
NMOS晶体管MN2的源端接地；
NMOS晶体管MN2的漏端同时连接PMOS晶体管MP1的漏端和锁位运放AMP1的正相输入端；
NMOS晶体管MN3的栅端同时连接开关S4的另一端、开关S5的一端和锁位运放AMP2的输出端；
开关S5的另一端接地；
NMOS晶体管MN3的源端接地；
NMOS晶体管MN3的漏端同时连接锁位运放AMP2的反相输入端、锁位运放AMP1的反相输入端、PMOS晶体管MP2的漏端和EML激光器偏置电流引脚BIAS；
PMOS晶体管MP1的栅端同时连接PMOS晶体管MP2的栅端、锁位运放AMP1的输出端；
电流源IDC的正端、PMOS晶体管MP1的源端、PMOS晶体管MP2的源端同时连接电源VCC；
当开关S3、S4闭合，开关S1、S2、S5断开时，电流镜采用sink模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP2将电流镜的NMOS晶体管MN1和MN3的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，NMOS晶体管MN3输出偏置电流给EML激光器；
当开关S3、S4断开，开关S1、S2、S5闭合时，电流镜采用source模式为EML激光器提供偏置电流，锁位运放AMP1将电流镜的PMOS晶体管MP1和MP2的漏源电压Vds同步锁定为0.1V以下，PMOS晶体管MP2输出偏置电流给EML激光器。
3.根据权利要求1或2所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，其特征在于，锁位运放AMP1采用具有较高输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放；锁位运放AMP1的输入共模电压在1.5V。
4.根据权利要求1或2所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，其特征在于，锁位运放AMP2采用具有较低输入共模电压的锁位运放，或者采用轨到轨锁位运放，锁位运放AMP2的输入共模电压为0.1V。
5.根据权利要求1所述一种低功耗的搭配EML激光器的收发一体芯片，其特征在于，所有晶体管均采用低压工艺1.8V的晶体管。
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| CN202310958876.6A CN116886199A (zh) | 2023-08-01 | 2023-08-01 | 一种低功耗的搭配eml激光器的收发一体芯片 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117459149A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-26 | 成都明夷电子科技有限公司 | 一种探测转换电路及高速光通信芯片用激光器的控制系统 |
-
2023
- 2023-08-01 CN CN202310958876.6A patent/CN116886199A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117459149A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-26 | 成都明夷电子科技有限公司 | 一种探测转换电路及高速光通信芯片用激光器的控制系统 |
| CN117459149B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-03-12 | 成都明夷电子科技有限公司 | 一种探测转换电路及高速光通信芯片用激光器的控制系统 |
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