CN117155297A - 一种应用于ftth光接收机的数控可变增益放大器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，该芯片包括跨阻放大器、数控衰减器、线性增益放大器以及驱动电路；所述跨阻放大器将输入的电流信号进行第一次放大并输出电压信号；所述数控衰减器根据所述TTL控制信号的不同提供不同的衰减量，该不同的衰减量对所述跨阻放大器输出的电压信号进行对应地衰减，所述线性增益放大器对经过所述数控衰减器衰减过后的信号进行第二次放大并输出功率信号；不同大小的电流信号从所述跨阻放大器输入后最终从所述线性增益放大器输出相同功率的功率信号。本发明使得不同大小的输入信号最终均输出一个稳定的功率信号，同时由于采用集成方案，无需级联，无需复杂的外部匹配电路。

Description

一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片。

背景技术

随着全球信息网络的高速发展，宽带网络已经成为信息社会重要的基础设施， 同时随着电信网、广播电视网以及互联网三网融合的进一步推进，各广电网络公司也在研究思考着提升带宽、网速加速的下一步发展方向。而新一代宽带接入技术FTTX（包括TFFH,FTTR等），具有高带宽 、不易受干扰、稳定性强等特点，是广电网络公司研究发展方向的最佳选择。基于FTTX技术的CATV双向网络，应能保留原有的广播电视资源和优势，PON结构也能与广电现有的缆资源很好的结合,能提供广播电视、宽带接入和视频点播等多种双向互动业务。用户端光接收机在接收信号时，由于受空间环境的变化等因素的影响，其输入端光信号幅度在极大范围内变化，变化范围从-18dBm到+2dBm，最强信号和最弱信号相差可高达20dBm。在此情况下，如果接收机采用恒定增益放大，接收机的输出功率随接收信号的强弱而变化，接收机的输出端会出现强弱非常悬殊的输出功率。这样导致接收机无法兼顾灵敏度和动态范围两者要求。如果要求灵敏度高，即希望增益大，但信号强时，后级放大器将过载，会产生非线性失真；反之，为保证信号强时，后级放大器在线性状态工作，则希望增益小，但此时灵敏度又必然降低。

故目前市面上的光接收机内部采用了可变增益放大器（或称为自动增益控制，AGC）。而现有的可变增益放大器分为两种：

一种是分立器件，分立器件一般分为多个放大及衰减芯片，每个芯片之间需要级联，这样导致外电路非常复杂，而且相互之间匹配难度高。

一种是集成方案，主要是压控可变增益放大器，中间集成了压控衰减器，但是压控方案由于晶体管夹断离散性，衰减精度离散较大，最终输出的信号不稳定。

因此，现有技术有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，旨在通过数字信号进行控制使得在输入信号电平变化范围较大的情况下，输出信号电平保持恒定或者仅在很小的范围内变化，同时采用集成方案，无需级联，无需复杂的外部匹配电路。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其中，该芯片包括跨阻放大器、数控衰减器、线性增益放大器以及驱动电路；

所述跨阻放大器的输入端用于接入电流信号，所述跨阻放大器的输出端连接所述数控衰减器的输入端，所述数控衰减器的输出端连接所述线性增益放大器的输入端，所述数控衰减器的控制端连接所述驱动电路，所述驱动电路用于接入控制衰减量的TTL控制信号；

所述跨阻放大器将输入的电流信号进行第一次放大并输出电压信号；

所述数控衰减器根据所述TTL控制信号的不同提供不同的衰减量，该不同的衰减量对所述跨阻放大器输出的电压信号进行对应地衰减，所述线性增益放大器对经过所述数控衰减器衰减过后的信号进行第二次放大并输出功率信号；

不同大小的电流信号从所述跨阻放大器输入后最终从所述线性增益放大器输出相同功率的功率信号。

其中，所述不同大小的电流信号由光电二级管将光信号转换成电流信号后输入所述跨阻放大器，转换之前的光信号的功率具有较大的变化范围，其变化范围为-15dBm～2dBm。

其中，从所述线性增益放大器输出的功率信号的电平均稳定在一个相同且很小的变化范围内，其变化范围为75dBuv～80dBuv。

其中，从所述线性增益放大器输出的功率信号的电平均保持为80dBuv。

其中，所述跨阻放大器包括第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器以及第一偏置电路，所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器对称连接在所述第一偏置电路的两侧组成推挽电路结构，所述第一偏置电路为所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器提供栅极电压，所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器采用砷化镓增强型(E-PHEMT)工艺。

其中，所述跨阻放大器包括场效应管M_T1、M_T2、M_T3、M_T4、M_T5，电阻器R_T1、R_T2、R_T3、R_T4、R_T5、R_T4、R_T5、R_T6、R_T7、R_T8、R_T9、R_T10、R_T11，电容器C_T1、C_T2、C_T3、C_T4、C_T5、C_T6；

其中，所述R_T6与R_T7串联，且所述R_T6与R_T7分别接入电源端Vbias1；

所述R_T5、R_T11、R_T8依次串联，所述R_T8远离所述R_T11的一端接入所述R_T6与R_T7的连接节点，所述R_T5远离所述R_T11的一端连接M_T5的栅极及漏极，所述M_T5的源极接地；

所述R_T3、R_T4的一端分别连接场效应管M_T1、M_T3栅极，R_T3、R_T4的另外一端分别接入所述R_T11与R_T5的连接节点，R_T9、R_T10的一端分别连接场效应管M_T2、M_T4的栅极，R_T9、R_T10的另外一端分别接入所述R_T8与R_T11的连接节点；

所述M_T5和M_T1、M_T3组合成电流镜电路，所述场效应管M_T1、M_T3的栅极分别通过C_T1,C_T2各自接入一个信号输入端，M_T1、M_T3的漏极分别连接到场效应管M_T2、M_T4的源极，M_T1、M_T3的源极接地；

M_T2、M_T4的漏级分别通过C_T5,C_T6各自连接一个信号输出端，所述R_T6与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T2的漏级，所述R_T7与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T4的漏级，所述M_T2的漏级还通过串联的C_T3、R_T1连接到M_T1的栅极，所述M_T4的漏级还通过串联的C_T4、R_T2连接到M_T3的栅极。

其中，所述线性增益放大器包括第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器、第二偏置电路及第三偏置电路，所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器对称连接在所述第二偏置电路、第三偏置电路的两侧组成推挽电路结构，所述第二偏置电路、第三偏置电路共同为所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器提供栅极电压，所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器采用砷化镓耗尽型(D-PHEMT)工艺。

其中，所述线性增益放大器包括场效应管M_a1、M_a2、M_a3、M_a4，电阻器R_a1、R_a2、R_a3、R_a4、R_a5、R_a6、R_a7、R_a8、R_a9、R_a10、R_a11、R_a12、R_a13，电容器C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5、C_a6；

其中，所述R_a8与R_a9串联，且所述R_a8与R_a9分别接入+12V电源，所述R_a10的一端接入所述R_a8与R_a9的连接节点，R_a10的另一端接地；

所述R_a3、R_a4的一端串联，R_a3、R_a4的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的栅极，所述R_a5、R_a6的一端串联，R_a5、R_a6的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的源极，所述R_a7的两端分别接入R_a3与R_a4的连接节点及R_a5、R_a6的连接节点，所述R_a3与R_a4的连接节点还接入电源端Vbias1；

所述R_a12、R_a13的一端分别连接场效应管M_a2、M_a4的栅极，R_a12、R_a13的另外一端分别连接所述R_a11的一端，所述R_a11的一端连接所述R_a8与R_a9的连接节点；

所述场效应管M_a1、M_a3的栅极分别通过C_a1,C_a2各自接入一个信号输入端，M_a1、M_a3的漏极分别连接到场效应管M_a2、M_a4的源极；

M_a2、M_a4的漏级分别通过C_a5、C_a6各自连接一个信号输出端，所述R_a8与+12V电源端的连接节点还连接M_a2的漏级，所述R_a9与+12V电源端的连接节点还连接M_a4的漏级，所述M_a2的漏级还通过串联的C_a3、R_a1连接到M_a1的栅极，所述M_a4的漏级还通过串联的C_a4、R_a2连接到M_a3的栅极。

其中，所述数控衰减器包括五个级联在一起的定值衰减单元，五个所述定值衰减单元的衰减量分别为1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，五个所述定值衰减单元组合成步进为1dB，总衰减量为31dB的所述数控衰减器。

其中，每一所述定值衰减单元包括T型电阻网、第一开关管及第二开关管，所述第一开关管及第二开关管接入一对互补的控制信号，所述T型电阻网的三个端部分别设置有第一端、第二端及第三端，所述第一开关管并联在所述第一端、第二端之间，所述第二开关管连接在所述第三端上，所述跨阻放大器输出的电压信号从所述第一端输入，然后直接经过所述第一开关管未被衰减从第二端输出，或者经过所述T型电阻网内被衰减后从第二端输出。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案，限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的有益效果：本发明技术方案提出的数控可变增益放大器芯片，通过设置跨阻放大器，数控衰减器和线性增益放大器三个功能电路组合而成的多功能芯片来实现增益的数控可变，能够满足宽带，高增益，低噪声系数，高线性，输出匹配，并且无条件稳定的同时功耗小，解决了压控可变增益放大器输出电平波动大的问题，适用于光输入信号强度变化范围大的情况下，输出的电信号依然能保持恒定或者仅在很小的范围内变化的应用场景，能使得光接收机能兼顾灵敏度和动态范围。同时本发明的数控可变增益放大器芯片，由于是集成电路，大大简化了使用分立器件外电路的复杂性，外电路简单，控制精度高，一致性好，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片的原理框图。

图2为本发明跨阻放大器的原理示意图。

图3为本发明跨阻放大器一实施例的电路示意图。

图4为本发明线性增益放大器的原理示意图。

图5为本发明线性增益放大器一实施例的电路示意图。

图6为本发明数控衰减器一实施例的电路示意图。

图7为图6中1dB定值衰减单元的电路示意图。

图8为本发明应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片一实施例电路示意图。

图9为图8中数控衰减器的电路示意图。

附图标记说明：

100-芯片，10-跨阻放大器，11-第一共源共栅放大器，12-第二共源共栅放大器，13-第一偏置电路，20-数控衰减器，201-T型电阻网，202-第一开关管，203-第二开关管，204-第一端，205-第二端，206-第三端，21-第一定值衰减单元，22-第二定值衰减单元，23-第三定值衰减单元，24-第四定值衰减单元，25-第五定值衰减单元，30-线性增益放大器，31-第三共源共栅放大器，32-第四共源共栅放大器，33-第二偏置电路，34-第三偏置电路，40-驱动电路。

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作出创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参考图1，本发明提出一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片100，该芯片100包括跨阻放大器10、数控衰减器20、线性增益放大器30以及驱动电路40。

所述跨阻放大器10的输入端用于接入电流信号，所述跨阻放大器10的输出端连接所述数控衰减器20的输入端，所述数控衰减器20的输出端连接所述线性增益放大器30的输入端，所述数控衰减器20的控制端连接所述驱动电路40，所述驱动电路40用于接入控制衰减量的TTL控制信号。

所述跨阻放大器10将输入的电流信号进行第一次放大并输出电压信号。如图1中所示，跨阻放大器10的输入端连接光电二级管200，光电二级管200光信号转换成电流信号后输入至跨阻放大器10。光电二级管200将光信号转换成电流信号后，该电流信号非常微弱，需要放大成可用的电信号，跨阻放大器10则对该微弱的电流信号进行第一次放大，实现信号的增益，并转换成可用的电压信号输出。

所述数控衰减器20根据所述TTL控制信号的不同提供不同的衰减量，该不同的衰减量对所述跨阻放大器10输出的电压信号进行对应地衰减。

因为输入光接收机的光功率的不同，则其经过光电二级管200转换后的电流信号的大小也不同，不同大小的电流信号经过跨阻放大器10的第一次放大后其输出的电压信号的大小也不同，这样，该电压信号需要对应进行不同的衰减量的衰减处理，以使得其从数控衰减器20输出后的电压信号的电平保持恒定。

即从数控衰减器20输入的不同大小的电压信号（对应不同强度的光信号）经过数控衰减器20的衰减处理后输出的电压信号电平保持在同一个恒定值或者是保持在同一个恒定范围内，这样再经过线性增益放大器30的放大后其输出的功率信号也是一个相同的功率信号（恒定值或者一个恒定的范围内的值），以匹配后端的信号处理系统，如：匹配GPON系统中时钟和数据恢复(CDR)电路可靠运行所需要的恒定功率。

经过跨阻放大器10的第一次放大后其输出的电压所对应的光信号的强度越大，需要衰减的量也越大，而经过跨阻放大器10的第一次放大后其输出的电压信号所对应的光信号的强度越小，需要衰减的量也越小，当输入的光信号的强度低于一个阈值时，数控衰减器20对该电压信号不进行衰减，即衰减量为零。

数控衰减器20提供不同的衰减量由TTL控制信号的不同来进行控制，而TTL控制信号的来源是通过光接收机的MCU进行控制，光接收机具有光功率检测电路，光功率检测电路能检测出输入光的功率大小并输出对应的电压信号，该电压信号输入MCU后，通过MCU的计算处理得出对应的衰减量，该衰减量以TTL控制信号的方式发送至驱动电路40，TTL控制信号经过驱动电路40的放大后发送至数控衰减器20的控制端，数控衰减器20则根据该TTL控制信号为跨阻放大器10的第一次放大后输出的电压信号进行对应的衰减。

本发明芯片100的线性增益放大器30对经过所述数控衰减器20衰减过后的信号进行第二次放大并输出功率信号。

经过所述数控衰减器20衰减过后输出的电压信号是一个小信号，其功率大小还无法匹配其后端系统正常工作所需的大小，故线性增益放大器30对数控衰减器20衰减过后的信号进行第二次放大，放大到后端系统如GPON系统中时钟和数据恢复(CDR)电路可靠运行所需的功率大小。本发明实施例中，信号经过两次放大，一次是跨阻放大器10的第一次放大，二次是线性增益放大器30的第二次放大，因为将光信号转换后的微弱电流信号放大到后端系统所需的功率，其增益较大，达到35～40db, 这样大的增益单一级放大器无法实现，且容易失真，故本发明的芯片100采用了两级放大器。

本发明的数控可变增益放大器芯片100，不同大小的电流信号从所述跨阻放大器10输入后最终从所述线性增益放大器30输出相同功率的功率信号。本发明的输出相同功率的功率信号可以是一个恒定值或者是一个变化范围很小的范围值。

即不同强度光信号经过光电二级管200的转换后，经过本发明的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片100内的所述跨阻放大器10、数控衰减器20以及线性增益放大器30的相结合处理后，最终从所述线性增益放大器30输出一个固定值的功率信号，即不同强度的光信号经过本发明的芯片100处理后输出的功率信号是一个恒定值。

或者，不同强度光信号经过光电二级管200的转换后，经过本发明的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片100内的所述跨阻放大器10、数控衰减器20以及线性增益放大器30的相结合处理后，最终从所述线性增益放大器30输出的功率信号均稳定在一个相同且很小的变化范围内，即不同强度的光信号经过本发明的芯片100处理后输出的功率信号是一个变化范围很小的恒定值。

这样，本发明的数控可变增益放大器芯片100可以克服现有的压控可变增益放大器输出电平波动大的问题，满足在光输入信号强度变化范围大的情况下，输出的电信号依然能保持恒定或者仅在很小的范围内变化的应用需求。同时由于本发明的数控可变增益放大器芯片100是集成电路，大大简化了使用分立器件外电路的复杂性，外电路简单，控制精度高，一致性好。

具体地，本发明实施例中，所述不同大小的电流信号由光电二级管200将光信号转换成电流信号后输入所述跨阻放大器10，转换之前的光信号的功率具有较大的变化范围，其变化范围为-15dBm～2dBm。即本发明的芯片100可对信号强度从-15dBm～2dBm范围内变化的光信号对应的电流信号进行处理，具有非常高的动态范围。

优选地，本发明芯片100的线性增益放大器30输出的功率信号的电平均稳定在一个相同且很小的变化范围内，其变化范围为75dBuv～80dBuv。

即本发明的芯片100对信号强度从-15dBm～2dBm这么大的范围内变化的光信号对应的电流信号进行处理后，从线性增益放大器30输出来的功率信号的电平均稳定在75dBuv～80dBuv内，这是一个很小的变化范围，基本接近于一个稳定的信号，能满足后端系统的需求。这样本发明的芯片100能满足光输入信号强度变化范围大的情况下，输出的电信号稳定仅在很小的范围内变化的应用需求，实现了兼顾灵敏度和动态范围。

进一步地，本发明芯片100的线性增益放大器30输出的功率信号的电平均保持为80dBuv。即本发明的芯片100对信号强度从-15dBm～2dBm这么大的范围内变化的光信号对应的电流信号进行处理后，从线性增益放大器30输出来的功率信号的电平均保证一个定值为80dBuv，这个定值能稳定可靠地匹配后端系统。

作为一实施例，如下表1所示：

表1

即从表1可知，当输入光接收机的光信号的强度变化范围从-10dBm～2dBm变化时，经过本发明芯片100内部的对应数控衰减和综合放大后，输出的功率信号的电平均为80dBuv。

如图2所示，作为一种实施方式，本发明的所述跨阻放大器10包括第一共源共栅放大器11、第二共源共栅放大器12以及第一偏置电路13，所述第一共源共栅放大器11、第二共源共栅放大器12对称连接在所述第一偏置电路13的两侧组成推挽电路结构，所述第一偏置电路13为所述第一共源共栅放大器11、第二共源共栅放大器12提供栅极电压，所述第一共源共栅放大器11、第二共源共栅放大器12采用砷化镓增强型(E-PHEMT)工艺。

推挽电路结构可以采用电流复用技术，这样可以有效地降低功耗，将工作电流降低了将近40％。同时，跨阻放大器10采用两个对称设置的共源共栅放大器电路结构，具有信号平衡的功能，并且采用砷化镓增强型(E-PHEMT)工艺，栅压VGS工作点是正电压，噪声系数低，噪声性能好，增益高，同时在45MHz～1200MHz带内增益平坦度为±1dB。

具体地，如图3所示，所述跨阻放大器10包括场效应管M_T1、M_T2、M_T3、M_T4、M_T5，电阻器R_T1、R_T2、R_T3、R_T4、R_T5、R_T4、R_T5、R_T6、R_T7、R_T8、R_T9、R_T10、R_T11，电容器C_T1、C_T2、C_T3、C_T4、C_T5、C_T6。所述M_T1、M_T2、M_T3、M_T4、M_T5采用砷化镓增强型(E-PHEMT)工艺制作。M_T1、M_T2组成第一共源共栅放大器11，M_T3、M_T4组成第二共源共栅放大器12。

其中，所述R_T6与R_T7串联，且所述R_T6与R_T7分别接入电源端Vbias1；电源端Vbias1提供偏置电压，本实施例中的Vbias1提供的偏置电压为6V左右。

所述R_T5、R_T11、R_T8依次串联，所述R_T8远离所述R_T11的一端接入所述R_T6与R_T7的连接节点，所述R_T5远离所述R_T11的一端连接M_T5的栅极及漏极，所述M_T5的源极接地。R_T6、R_T7、R_T8、R_T11、R_T5、M_T5组成有源的第一偏置电路13，为跨阻放大器提供稳定的VGS。R_T6、R_T7、R_T8、R_T11、R_T3、RT5为分压电阻。集成的第一偏置电路13不会影响共源共栅放大器的输入阻抗，消除输入匹配要求，使 LNA 的噪声系数降至最低。

所述R_T3、R_T4的一端分别连接场效应管M_T1、M_T3栅极，R_T3、R_T4的另外一端分别接入所述R_T11与R_T5的连接节点，R_T9、R_T10的一端分别连接场效应管M_T2、M_T4的栅极，R_T9、R_T10的另外一端分别接入所述R_T8与R_T11的连接节点。

所述M_T5和M_T1、M_T3组合成电流镜电路，所述场效应管M_T1、M_T3的栅极分别通过C_T1,C_T2各自接入一个信号输入端In_A1、In_B1，M_T1、M_T3的漏极分别连接到场效应管M_T2、M_T4的源极，M_T1、M_T3的源极接地。

M_T5和M_T1、M_T3组合成标准的电流镜电路，由于第一偏置电路的场效应管M_T5和共源共栅放大器的场效应管M_T1、M_T3、M_T2、M_T4有相同的加工工艺与过程，这就使得电流镜电路的Vbias和VGS能够互相制约。

M_T2、M_T4的漏级分别通过C_T5,C_T6各自连接一个信号输出端Out_A1、Out_B1，所述R_T6与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T2的漏级，所述R_T7与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T4的漏级，所述M_T2的漏级还通过串联的C_T3、R_T1连接到M_T1的栅极，所述M_T4的漏级还通过串联的C_T4、R_T2连接到M_T3的栅极。C_T3、R_T1，C_T4、R_T2为负反馈电路。C_T1、C_T2、C_T5、C_T6均具有隔直流的作用。

优选地，如图3中所示，还包括电容器C_T9，C_T9的一端连接到分压电阻R_T8、R_T11，另一端接地。C_T9可以提高高频增益，还可以提高放大器的稳定性。

如图4所示，作为一种实施方式，本发明的所述线性增益放大器30包括第三共源共栅放大器31、第四共源共栅放大器32、第二偏置电路33及第三偏置电路34，所述第三共源共栅放大器31、第四共源共栅放大器32对称连接在所述第二偏置电路33、第三偏置电路34的两侧组成推挽电路结构，所述第二偏置电路33、第三偏置电路34共同为所述第三共源共栅放大器31、第四共源共栅放大器32提供栅极电压，所述第三共源共栅放大器31、第四共源共栅放大器32采用砷化镓耗尽型(D-PHEMT)工艺。

本发明的线性增益放大器30也采用推挽电路结构，这样可以采用电流复用技术，这样可以有效地降低功耗。同时，线性增益放大器30也采用两个对称设置的共源共栅放大器电路结构，具有信号平衡的特点，并且采用砷化镓耗尽型(D-PHEMT)工艺，线性度更好，输出功率更大，栅压VGS工作点是负电压，采用源极电阻负反馈，自偏得到负压，同时源级负反馈提供了更好的线性，电流密度更小，更容易匹配。

具体地，如图5所示，所述线性增益放大器30包括场效应管M_a1、M_a2、M_a3、M_a4，电阻器R_a1、R_a2、R_a3、R_a4、R_a5、R_a6、R_a7、R_a8、R_a9、R_a10、R_a11、R_a12、R_a13，电容器C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5、C_a6。

场效应管M_a1、M_a2、M_a3、M_a4采用砷化镓耗尽型(D-PHEMT)工艺制作。其中：M_a1、M_a2组成第三共源共栅放大器31，M_a3、M_a4组成第四共源共栅放大器32，R_a3、R_a4、R_a5、 R_a6、R_a7、组成第二偏置电路33，R_a8、R_a9、R_a10、R_a11组成第三偏置电路34。

其中，所述R_a8与R_a9串联，且所述R_a8与R_a9分别接入+12V电源，所述R_a10的一端接入所述R_a8与R_a9的连接节点，R_a10的另一端接地。

所述电阻器R_a8、R_a9、R_a10、R_a11组成分压电路，为M_a2、M_a4提供稳定的栅压。

所述R_a3、R_a4的一端串联，R_a3、R_a4的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的栅极，所述R_a5、R_a6的一端串联，R_a5、R_a6的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的源极，所述R_a7的两端分别接入R_a3与R_a4的连接节点及R_a5、R_a6的连接节点，所述R_a3与R_a4的连接节点还接入电源端Vbias1。R_a3、R_a4、R_a5、 R_a6、R_a7组成分压电路为M_a1、M_a3提供稳定的栅压。

所述R_a12、R_a13的一端分别连接场效应管M_a2、M_a4的栅极，R_a12、R_a13的另外一端分别连接所述R_a11的一端，所述R_a11的一端连接所述R_a8与R_a9的连接节点。R_a5、R_a6、R_a12、R_a13均为分压电阻。

所述场效应管M_a1、M_a3的栅极分别通过C_a1,C_a2各自接入一个信号输入端In_A2、In_B2，M_a1、M_a3的漏极分别连接到场效应管M_a2、M_a4的源极。

M_a2、M_a4的漏级分别通过C_a5、C_a6各自连接一个信号输出端Out_A2、Out_B2，所述R_a8与+12V电源端的连接节点还连接M_a2的漏级，所述R_a9与+12V电源端的连接节点还连接M_a4的漏级，所述M_a2的漏级还通过串联的C_a3、R_a1连接到M_a1的栅极，所述M_a4的漏级还通过串联的C_a4、R_a2连接到M_a3的栅极。C_a4、R_a2，C_a3、R_a1为负反馈电路。

作为一种实施方式，如图6所示，本发明的所述数控衰减器20包括五个级联在一起的定值衰减单元，五个所述定值衰减单元的衰减量分别为1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，五个所述定值衰减单元组合成步进为1dB，总衰减量为31dB的所述数控衰减器。

即本发明的数控衰减器20为五位数控衰减器，对应的TTL控制信号是五位控制信号，TTL五位控制信号Vc1、Vc2、Vc3、Vc4、Vc5从“00000”到“11111”变化时，1dB、2dB、4dB、8dB、16dB五个定值衰减单元会进行不同组合的开和关，而得到步进为1dB，总衰减量为31dB的衰减量的变化，以为跨阻放大器10输出的电压信号进行对应的衰减。利用数字信号处理精度高的特点，数控衰减器20可以精确地实现数字衰减控制，使系统具有快速收敛和精确地稳态响应等优点。如图6中所示，五个定值衰减单元分别为第一定值衰减单元21，对应衰减量为1dB；第二定值衰减单元22，对应衰减量为2dB；第三定值衰减单元23，对应衰减量为4dB；第四定值衰减单元24，对应衰减量为8dB；第五定值衰减单元25，对应衰减量为16dB。

可以理解，在其他实施例中，数控衰减器20还可以根据需要设置成对应的位数，如4位数控衰减器，6位数控衰减器等。

具体的，如图7所示，本实施例的每一所述定值衰减单元包括T型电阻网201、第一开关管202及第二开关管203，所述第一开关管202及第二开关管203接入一对互补的控制信号，所述T型电阻网201的三个端部分别设置有第一端204、第二端205及第三端206，所述第一开关管202并联在所述第一端204、第二端205之间，所述第二开关管203连接在所述第三端206上，所述跨阻放大器输出的电压信号从所述第一端204输入，然后直接经过所述第一开关管202未被衰减从第二端205输出，或者经过所述T型电阻网201内被衰减后从第二端205输出。

本实施例中，T型电阻网201包括呈T型连接的三个电阻RA、RB、R1，RA与RB串联，R1连接到RA与RB连接的节点上，三个电阻值的大小决定该定值衰减单衰减量的大小。本实施例中，第一开关管202为场效应管MA，第二开关管203为场效应管MB，其中电阻器RK的一端连接到场效应管MA的栅极，RK的另一端连接到TTL控制信号Vc1,电阻器RL的一端连接到场效应管MB的栅极，RL的另一端连接到TTL控制信号Vc1。RK、RL为偏置电阻。Vc1、Vc1为互补信号，Vc1为0，则Vc1 为1，反之Vc1为1，则Vc1为0。

场效应管MA的源极和漏极分别接到电阻器RA，RB的一端，即MA并联在T型电阻网201的第一端204、第二端205之间。场效应管MB的漏极连接到电阻器R1，并且源极接地，即MB连接在在T型电阻网201的第三端206上。以此为一个定值衰减单元，其他四个定值衰减单元同理，在此不多赘述，五个类似的拓扑级联就是组成整个数控衰减器20。

TTL控制信号为0V和+5V，经驱动电路40将该TTL控制信号中的每一位信号都转换成一对互补的信号，如转换为一对电平值为-5V和0V的反向控制电平后，以此控制每个定值衰减单元内场效应管的导通和截止，从而实现整个数控衰减器20衰减量的改变。将TTL控制信号输入低电平视为“0”，输入高电平视为“1”。

如图7中所示，当MA导通，MB截止时，从In端输入的信号直接从MA流过，不经过T型电阻网的衰减，而当MA截止，MB导通时，输入的信号进入T型电阻网并经过T型电阻网的衰减后从Out端流出。

下面以图6中的数控衰减器20为例，当需要衰减1dB时，五位TTL控制信号中，VC1、VC2、VC3、VC4、VC5为 “01111”，对应地，其互补信号Vc1、Vc2、Vc3、Vc4、Vc5为“10000”，五位TTL控制信号经过驱动电路40输入数控衰减器20后：

第一定值衰减单元21的MA截止 MB导通，第一定值衰减单元21的1dB T型电阻网工作；第二定值衰减单元22的MC 导通MD截止,信号直接通过 MC，第二定值衰减单元22的2dBT型电阻网不工作；第三定值衰减单元23的ME导通MF截止, 信号直接通过 ME，第三定值衰减单元23的4dB T型电阻网不工作；第四定值衰减单元24的MG导通MH截止,信号直接通过MG，第四定值衰减单元24的8dB T型电阻网不工作；第五定值衰减单元25的MI 导通MJ截止,信号直接通过 MI，第五定值衰减单元25的16dB T型电阻网不工作；此时数控衰减器的总衰减量为1dB。

又如：当需要衰减17dB时，五位TTL控制信号中，VC1、VC2、VC3、VC4、VC5为“01110”，对应地，其互补信号Vc1、Vc2、Vc3、Vc4、Vc5为“10001”，五位TTL控制信号经过驱动电路40输入数控衰减器20后：

第一定值衰减单元21的MA截止 MB导通，第一定值衰减单元21的1dB T型电阻网工作；第二定值衰减单元22的MC 导通MD截止,信号直接通过 MC，第二定值衰减单元22的2dBT型电阻网不工作；第三定值衰减单元23的ME导通MF截止, 信号直接通过 ME，第三定值衰减单元23的4dB T型电阻网不工作；第四定值衰减单元24的MG导通MH截止,信号直接通过MG，第四定值衰减单元24的8dB T型电阻网不工作；第五定值衰减单元25的MI 截止MJ导通,第五定值衰减单元25的16dB T型电阻网工作；此时数控衰减器的总衰减量为17dB。

图8为本发明应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片100的电路图，光信号转换成电流信号后从In_A1、In_B1输入，然后依次经过跨阻放大器10、数控衰减器20、线性增益放大器30处理后从Out_A2、Out_B2输出一个稳定的功率信号，该稳定的功率信号的一个恒定值或者是一个变化范围很小的恒定范围值。

图9为图8中的数控衰减器20的具体电路图，图9与图6的区别在于，图9的数控衰减器20的每一个定值衰减单元是一个对称结构，即由两个对称的图6在的电路结构组成，这样图9中数控衰减器20能输入输出两路信号，以匹配跨阻放大器10的两个输出端和线性增益放大器30的两个输入端，图9中每一个对称结构的定值衰减单元与图6中对应的定值衰减单元的衰减量是相同的。

本发明的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片100，能满足CATV网络、FTTX、GPON ONU 应用光接收机高动态范围的需求，与分立器件相比，集成度高，外电路简单，性能一致性好；与压控AGC相比，本发明的AGC控制可以更加容易地通过数控方式实现。本发明实现增益的数控可变，能够满足宽带，高增益，低噪声系数，高线性，输出匹配，并且无条件稳定的同时功耗小，解决了压控可变增益放大器输出电平波动大的问题，适用于光输入信号强度变化范围大的情况下，输出的电信号依然能保持恒定或者仅在很小的范围内变化的应用场景，能使得光接收机能兼顾灵敏度和动态范围。

本发明对不同大小的输入光信号通过数控可变增益放大器芯片100的调节最终输出稳定的功率信号。本发明的芯片100内的放大器采用砷化镓E-PHEMT和D-PHEMT工艺技术，并采用推挽结构，单电源12V供电，并采用电流复用技术，降低功耗；数控衰减器采用5V供电，用TTL控制信号。本发明芯片100宽带，低功耗，能够满足高增益，低的噪声系数，高线性，输出匹配，并且无条件稳定，具有好的输出反射特性和增益平坦特性，频率范围为45MHz～1.2GHz。

本发明的芯片100在保证产品性能和可靠性的前提下，优化了芯片内的电路设计，降低了芯片面积，使本发明的芯片具备尽可能高的性价比，增益可达到34～40dB，衰减范围为31dB，光功率输入范围为-15～2dBm，噪声系数仅1.0dB，可广泛应用于光纤到户FTTH、光网络单元 （ONU）等应用场合。

以上所述仅为清楚地说明本发明所作的举例，并非因此限制本发明的专利范围，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是在本发明的构思下，利用本发明技术方案中的内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，该芯片包括跨阻放大器、数控衰减器、线性增益放大器以及驱动电路；

所述跨阻放大器的输入端用于接入电流信号，所述跨阻放大器的输出端连接所述数控衰减器的输入端，所述数控衰减器的输出端连接所述线性增益放大器的输入端，所述数控衰减器的控制端连接所述驱动电路，所述驱动电路用于接入控制衰减量的TTL控制信号；

所述跨阻放大器将输入的电流信号进行第一次放大并输出电压信号；

所述数控衰减器根据所述TTL控制信号的不同提供不同的衰减量，该不同的衰减量对所述跨阻放大器输出的电压信号进行对应地衰减，所述线性增益放大器对经过所述数控衰减器衰减过后的信号进行第二次放大并输出功率信号；

不同大小的电流信号从所述跨阻放大器输入后最终从所述线性增益放大器输出相同功率的功率信号。

2.根据权利要求1所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述不同大小的电流信号由光电二级管将光信号转换成电流信号后输入所述跨阻放大器，转换之前的光信号的功率具有较大的变化范围，其变化范围为-15dBm～2dBm。

3.根据权利要求2所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，从所述线性增益放大器输出的功率信号的电平均稳定在一个相同且很小的变化范围内，其变化范围为75dBuv～80dBuv。

4.根据权利要求2所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，从所述线性增益放大器输出的功率信号的电平均保持为80dBuv。

5.根据权利要求1所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述跨阻放大器包括第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器以及第一偏置电路，所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器对称连接在所述第一偏置电路的两侧组成推挽电路结构，所述第一偏置电路为所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器提供栅极电压，所述第一共源共栅放大器、第二共源共栅放大器采用砷化镓增强型(E-PHEMT)工艺。

6.根据权利要求5所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述跨阻放大器包括场效应管M_T1、M_T2、M_T3、M_T4、M_T5，电阻器R_T1、R_T2、R_T3、R_T4、R_T5、R_T4、R_T5、R_T6、R_T7、R_T8、R_T9、R_T10、R_T11，电容器C_T1、C_T2、C_T3、C_T4、C_T5、C_T6；

其中，所述R_T6与R_T7串联，且所述R_T6与R_T7分别接入电源端Vbias1；

所述R_T5、R_T11、R_T8依次串联，所述R_T8远离所述R_T11的一端接入所述R_T6与R_T7的连接节点，所述R_T5远离所述R_T11的一端连接M_T5的栅极及漏极，所述M_T5的源极接地；

所述R_T3、R_T4的一端分别连接场效应管M_T1、M_T3栅极，R_T3、R_T4的另外一端分别接入所述R_T11与R_T5的连接节点，R_T9、R_T10的一端分别连接场效应管M_T2、M_T4的栅极，R_T9、R_T10的另外一端分别接入所述R_T8与R_T11的连接节点；

所述M_T5和M_T1、M_T3组合成电流镜电路，所述场效应管M_T1、M_T3的栅极分别通过C_T1,C_T2各自接入一个信号输入端，M_T1、M_T3的漏极分别连接到场效应管M_T2、M_T4的源极，M_T1、M_T3的源极接地；

M_T2、M_T4的漏级分别通过C_T5,C_T6各自连接一个信号输出端，所述R_T6与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T2的漏级，所述R_T7与电源端Vbias1的连接节点还连接M_T4的漏级，所述M_T2的漏级还通过串联的C_T3、R_T1连接到M_T1的栅极，所述M_T4的漏级还通过串联的C_T4、R_T2连接到M_T3的栅极。

7.根据权利要求1所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述线性增益放大器包括第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器、第二偏置电路及第三偏置电路，所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器对称连接在所述第二偏置电路、第三偏置电路的两侧组成推挽电路结构，所述第二偏置电路、第三偏置电路共同为所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器提供栅极电压，所述第三共源共栅放大器、第四共源共栅放大器采用砷化镓耗尽型(D-PHEMT)工艺。

8.根据权利要求7所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述线性增益放大器包括场效应管M_a1、M_a2、M_a3、M_a4，电阻器R_a1、R_a2、R_a3、R_a4、R_a5、R_a6、R_a7、R_a8、R_a9、R_a10、R_a11、R_a12、R_a13，电容器C_a1、C_a2、C_a3、C_a4、C_a5、C_a6；

其中，所述R_a8与R_a9串联，且所述R_a8与R_a9分别接入+12V电源，所述R_a10的一端接入所述R_a8与R_a9的连接节点，R_a10的另一端接地；

所述R_a3、R_a4的一端串联，R_a3、R_a4的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的栅极，所述R_a5、R_a6的一端串联，R_a5、R_a6的另一端分别连接场效应管M_a1、M_a3的源极，所述R_a7的两端分别接入R_a3与R_a4的连接节点及R_a5、R_a6的连接节点，所述R_a3与R_a4的连接节点还接入电源端Vbias1；

所述R_a12、R_a13的一端分别连接场效应管M_a2、M_a4的栅极，R_a12、R_a13的另外一端分别连接所述R_a11的一端，所述R_a11的一端连接所述R_a8与R_a9的连接节点；

所述场效应管M_a1、M_a3的栅极分别通过C_a1,C_a2各自接入一个信号输入端，M_a1、M_a3的漏极分别连接到场效应管M_a2、M_a4的源极；

M_a2、M_a4的漏级分别通过C_a5、C_a6各自连接一个信号输出端，所述R_a8与+12V电源端的连接节点还连接M_a2的漏级，所述R_a9与+12V电源端的连接节点还连接M_a4的漏级，所述M_a2的漏级还通过串联的C_a3、R_a1连接到M_a1的栅极，所述M_a4的漏级还通过串联的C_a4、R_a2连接到M_a3的栅极。

9.根据权利要求1所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，所述数控衰减器包括五个级联在一起的定值衰减单元，五个所述定值衰减单元的衰减量分别为1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，五个所述定值衰减单元组合成步进为1dB，总衰减量为31dB的所述数控衰减器。

10.根据权利要求9所述的应用于FTTH光接收机的数控可变增益放大器芯片，其特征在于，每一所述定值衰减单元包括T型电阻网、第一开关管及第二开关管，所述第一开关管及第二开关管接入一对互补的控制信号，所述T型电阻网的三个端部分别设置有第一端、第二端及第三端，所述第一开关管并联在所述第一端、第二端之间，所述第二开关管连接在所述第三端上，所述跨阻放大器输出的电压信号从所述第一端输入，然后直接经过所述第一开关管未被衰减从第二端输出，或者经过所述T型电阻网内被衰减后从第二端输出。