CN117917867A - 一种rssi电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及光通信领域，提出了一种RSSI电路，包括：第一控制环路，包括第一运算放大器，第一输入端配置为接收第一参考信号，第二输入端耦合到外部光敏元件的第一极，在第一工作模式下，第一运算放大器以负反馈方式连接，配置为将外部光敏元件的第一极钳位在第一参考信号水平，在第二工作模式下，第一运算放大器与第一控制环路的其他部分断开；第二控制环路，耦合到第一控制环路，配置为复制外部光敏元件中流过的电流得到第一电流；控制信号产生电路，耦合到第一控制环路和第二控制环路，配置为复制外部光敏元件中流过的电流，得到第二电流，与第二参考信号进行比较，基于比较结果控制所述第一控制环路的工作模式。本申请还涉及一种电子设备。
Description
技术领域
本申请涉及光通信领域，特别地涉及一种用于光模块的信号强度指示(RSSI)电路。
背景技术
光模块是指将激光器、探测器、调制器等元件封装在一起形成的集成组件，可以实现光信号的发送和接收，是光通信系统的重要组成部分。
在光通信系统中，为了保证光信号收发的可靠性，需要对光模块的接收光功率、发送光功率和偏置电流等模拟量进行监测。通过监测光模块接收光信号的强度，可以有效避免光功率过大或过小所造成的光通信过程中的误码以及光功率过大导致的光模块器件损毁。
上述监测功能通常由接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndication，RSSI)电路实现。
图1所示是常见光模块的结构示意图。图中的光电二极管是常见的探测器，是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。在实际应用中，通常是通过监测光电二极管的电流来实现对光模块接收光功率的监测。
跨阻放大器芯片是光通信领域中光接收前端的主要芯片，它的作用是将光电二极管转换出的微弱电流信号(交流信号)放大到合适的电压范围。在实际应用中，光模块厂家通常会要求将RSSI电路集成在跨阻放大器芯片中。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种RSSI电路，包括：第一控制环路，其包括第一运算放大器，其第一输入端配置为接收第一参考信号，其第二输入端耦合到外部光敏元件的第一极，在第一工作模式下，第一运算放大器以负反馈方式连接，配置为将外部光敏元件的第一极钳位在第一参考信号水平，在第二工作模式下，第一运算放大器与第一控制环路的其他部分断开；第二控制环路，耦合到第一控制环路，配置为复制外部光敏元件中流过的电流得到第一电流；控制信号产生电路，耦合到第一控制环路和第二控制环路，配置为复制外部光敏元件中流过的电流，得到第二电流，并将其与第二参考信号进行比较，并基于比较的结果控制第一控制环路的工作模式；以及第一电阻，耦合在第二控制电路和地之间。
特别的，第一控制环路还包括：第一晶体管，其源极接电源，其漏极耦合到外部光敏元件的第一极；第一开关，耦合在第一晶体管的栅极和漏极之间；以及第二开关，耦合在第一运算放大器的输出端与第一晶体管的栅极之间。
特别的，第二控制电路包括：第二运算放大器，其正输入端耦合到外部光敏元件的第一极；第二晶体管，其栅极耦合到第一晶体管的栅极，其源极接电源，其漏极耦合到第二运算放大器的负输入端；以及第三晶体管，其栅极耦合到第二运算放大器的输出端，其源极耦合到第二晶体管的漏极，其漏极耦合到第一电阻不接地的一端。
特别的，控制信号产生模块包括：第四晶体管，其栅极耦合到第二晶体管的栅极，其源极接电源；第五晶体管，其栅极耦合到第三晶体管的栅极，其源极耦合到第四晶体管的漏极；比较器，其正输入端配置为接收第二参考信号，其负输入端耦合到第五晶体管的漏极，其输出端配置为根据比较的结果输出控制信号；以及第二电阻，耦合在第五晶体管的漏极和地之间；其中控制信号控制第一开关的断开/闭合，控制信号的取反控制第二开关的断开/闭合。
特别的，其中第二参考信号对应外部光敏元件的暗电流上限。
特别的，还包括基准电压单元，配置为向第一控制环路提供第一参考信号；基准电压单元包括：电流源，其一端接地；第三电阻，耦合在电源和电流源不接地的一端之间；其中，第一运算放大器的负输入端与电流源和第三电阻之间的节点耦合。
特别的，其中当第二电流流过第二电阻产生的电压大于等于第二参考信号时，比较器输出的控制信号的取反有效，第一开关断开，第二开关闭合，RSSI电路工作在第一工作模式；其中当第二电流流过第二电阻产生的电压小于第二参考信号时，比较器输出的制信号有效，第一开关闭合，第二开关断开，RSSI电路工作在第二工作模式。
本申请还提出了一种电子设备，包括：上述任一的RSSI电路；光敏元件，其第一极与RSSI电路耦合；以及跨阻放大器，其输入端与外部光敏元件的第二极耦合。
附图说明
下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是常见光模块的结构示意图；以及
图2是根据本申请的一个实施例的集成了RSSI电路的TIA芯片及相关电路的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。另外，两个单元之间线条的数目旨在表示该两个单元之间通信至少所涉及的信号数或至少具备的输出端，并非用于限定该两个单元之间只能如图中所示的信号来进行通信。
晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)或者双极型晶体管(BJT)。当晶体管为场效应晶体管时，根据沟道材料不同，可以是氢化非晶硅、金属氧化物、低温多晶硅、有机晶体管等。根据载流子是电子或空穴，可以分为N型晶体管和P型晶体管，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极；当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极。晶体管可以采用非晶硅、多晶硅、氧化物半导体、有机半导体、NMOS/PMOS工艺或者CMOS工艺来制造。
现有的集成在跨阻放大器芯片中的RSSI电路通常可以包括两个控制环路，两个控制环路分别包括晶体管和运算放大器，其中两个控制环路中各一个晶体管又组成电流镜。这类RSSI电路的基本工作原理是：
(1)一个控制环路利用环路控制负反馈使RSSI电路所在的光模块中光电二极管的阴极偏置电压维持在合适的电位，使光电二极管的阴极偏置电压稳定，不受流过光电二极管的电流变化的影响。
(2)将流过光电二极管的电流通过电流镜复制出来，同时另一个控制环路使电流镜输出端的电压维持在合适的电位，与光电二极管的阴极偏置电压相等，使得电流镜能够精准复制电流。
(3)复制出来的电流流向布置在跨阻放大器芯片外的电阻，通过监测该片外电阻上的电压最终实现对光模块接收光功率的监测。
由于光模块中的光电二极管是PIN型光电二极管，它的暗电流(即：光模块没有接收光时光电二极管中的电流)通常会小于100nA，常见的值为10nA；而光模块正常工作时流过光电二极管的电流可能达到2mA甚至更大。同时，控制环路的稳定性在实际应用中仍然会受到流过光电二极管的电流的影响，尤其是光模块没有接受光时，相较于光模块正常接收光时的光生电流，光电二极管中的暗电流较小，使得与光电二极管阴极耦合的晶体管产生较大阻抗，该晶体管所在的控制环路会产生环路振荡，导致RSSI电路监测的准确度大幅下降甚至无法正常工作。
因此，现有RSSI电路结构很难在10nA至2mA这么大的电流范围内同时兼顾RSSI电路的控制环路稳定性与电流复制精度。
尤其是在实际应用中，光模块厂家要求即使在光模块没有接收光时，例如光电二极管的平均电流低于10uA时，RSSI电路能通过监测光电二极管的暗电流来判断光模块是否损毁，为光模块的量产提供依据。具体的，在光模块量产中，当监测到光电二极管的暗电流大于100nA时，就认为光电二极管已经损毁，光模块需要更换光电二极管。现有的RSSI电路也无法满足这类应用需求。
为了解决现有RSSI电路的上述问题，并满足实际应用中的需求，本申请提出了一种新的RSSI电路，能够在较宽电流范围情况下，仍然同时满足RSSI电路控制环路稳定性和电流复制精度的要求。
通常情况下，光通信链路中，接收端最小的有用光信号对应10uA左右的光电二极管平均电流。当流过光电二极管的平均电流大于10uA时，RSSI电路的主要用途是通过复制并监测该平均电流来监测光模块的接收光功率。当流过光电二极管的平均电流低于10uA(即光模块没有接收光，光电二极管中为暗电流)时，光电二极管的阴极偏置电压可以容忍相较于光模块正常工作时更大的电压波动，同时电路的功能不受影响。在这种情况下，RSSI电路即使没有控制环路也能保持光电二极管阴极偏置电压稳定，同时也避免了光电二极管中为暗电流时导致的控制环路振荡。
由此，本申请提出了一种RSSI电路，在光电二极管的平均电流大于和小于最小有用光信号对应的电流(例如10uA)时，分别采用不同的电路连接方式对应不同的电路工作模式，使RSSI电路无论在正常光照还是暗电流的情况下都能实现精确监测。
图2是根据本申请的一个实施例的集成了RSSI电路的TIA芯片及相关电路的示意图。
根据一个实施例，图2示出了TIA芯片，以及布置在TIA芯片之外的光电二极管PD和电阻R1。
根据一个实施例，图2所示的TIA芯片可以包括RSSI电路除电阻R1之外的部分，以及跨阻放大器TIA。
根据一个实施例，PD的阳极耦合到TIA的输入端IN。
根据一个实施例，电阻R1的一端耦合到地。
根据一个实施例，图2所示的RSSI电路可以包括基准电压单元。
根据一个实施例，基准电压单元可以包括串联连接的电流源IS和电阻R0，其中电流源IS的另一端耦合到地，电阻R0的另一端与耦合到电源。
根据一个实施例，图2所示的RSSI电路可以包括控制环路1。
根据一个实施例，控制环路1可以包括运算放大器AMP1和P型晶体管M1。
根据一个实施例，AMP1的负输入端耦合到基准电压单元的B点，B点是电流源IS和电阻R0之间的节点；AMP1的正输入端耦合到M1的漏极。
根据一个实施例，M1的源极耦合到电源；M1的漏极耦合到布置在TIA芯片之外的光电二极管PD的阴极。
根据一个实施例，控制环路1还可以包括开关SW1和SW2。
根据一个实施例，SW1耦合在M1的栅极和漏极之间；SW2耦合在AMP1的输出端和M1的栅极之间。
根据一个实施例，图2所示的RSSI电路可以包括控制环路2。
根据一个实施例，控制环路2可以包括放大器AMP2、P型晶体管M2和M3。
根据一个实施例，AMP2的负输入端耦合到控制环路2的C点，C点是M2的漏极与M3的源极之间的节点；AMP2的正输入端耦合到控制环路1的A点，A点是M1的漏极和PD的阴极之间的节点；AMP2的输出端耦合到M3的栅极。
根据一个实施例，M2的源极耦合到电源；M2的栅极耦合到M1的栅极；M2的漏极耦合到M3的源极。
根据一个实施例，M3的漏极耦合到布置在TIA芯片之外的电阻R1不接地的一端。
根据一个实施例，图2所示的RSSI电路可以包括控制信号产生电路。
根据一个实施例，控制信号产生电路可以包括P型晶体管M4和M5，比较器CMP，以及电阻R2。
根据一个实施例，M4的栅极耦合到M2的栅极；M4的源极耦合到电源；M4的漏极耦合到M5的源极。
根据一个实施例，M5的栅极耦合到M3的栅极；M5的漏极耦合到R2的一端。
根据一个实施例，CMP的正输入端配置为接收参考电压VREF；CMP的负输入端耦合到控制信号产生电路的E点，E点是M5的漏极与R2之间的节点；CMP的输出端配置为根据其正输入端和负输入端所接收信号的比较结果输出控制信号VCTL。
根据一个实施例，R2不与M5的漏极耦合的一端耦合到地。
根据一个实施例，晶体管M1、M2和M4组成电流镜，将流过PD的电流复制为两路电流I1和I2。因为MOS管沟道长度调制效应的存在，当组成电流镜的晶体管漏极电压不同时，电流镜的精度会受到明显的影响。因此，控制环路1中的运算放大器AMP2和晶体管M3组成环路，通过环路控制使控制环路2的C点电压与控制环路1的A点电压相等，以确保M2漏极输出的电流I1是对流过PD的电流的精准复制；同时控制信号产生电路中的晶体管M5的栅极与控制环路2中的M3的栅极耦合，且M5与M3的通道宽度/长度(W/L)相等或成比例，确保控制信号产生电路的D点和控制环路2的C点电压相等，以确保M4漏极输出的电流I2是对流过PD的电流的精准复制。
根据一个实施例，控制信号产生电路中的CMP的正输入端配置为接收预先设置的参考电压VREF，其中VREF对应电流IREF。IREF可以是略小于10uA(通常情况下最小的有用光信号照射光电二极管时产生的平均电流约10uA)的某个固定值，例如1uA。
根据一个实施例，CMP的负输入端配置为接收电流I2流过R2产生的电压，即E点的电压VE，并将VE与VREF比较，当VE小于VREF时CMP的输出VTCL为高电平，当VE大于VREF时CMP的输出VTCL为低电平。
根据一个实施例，SW1的断开/闭合由CMP的输出VTCL控制，SW2的断开/闭合由CMP的输出VTCL的取反VTCL_BAR控制。
根据一个实施例，当VTCL为高电平(即PD的平均电流小于例如1uA)时，SW1闭合，SW2断开，此时控制环路1断开(即AMP1与控制环路1的其他部分断开)，PD的阴极偏置电压，即VA等于电源VCC。
此时如果控制环路1不断开，由于PD的平均电流为PD的暗电流，使得从A点向上看的阻抗较大，会引起控制环路1振荡，无法稳定A点的电压，最终导致RSSI电路监测的准确度大幅下降甚至无法正常工作，而此时断开控制环路1就避免了PD在暗电流状态时带来的稳定性问题；同时，PD在暗电流状态时其阴极偏置电压可以容忍相较于光模块正常工作时更大的电压波动且电路的功能不受影响，所以在这种情况下即使断开控制环路1，PD的阴极通过M1直接接电源，A点的电压也是基本稳定的，同时控制环路2仍然能够正常工作。
控制环路2通过AMP2和M3所组成环路的环路控制使C点的电压VC等于PD的阴极偏置电压即A点电压VA。如上所述，此时A点电压基本稳定，那么C点的电压也是基本稳定的，主要由电流镜仍然可以将流过PD的平均电流精准复制出来，复制出来的电流I1流过电阻R1，通过监测电阻R1上的电压最终实现对此时PD暗电流的监测。
根据一个实施例，当VTCL为低电平(即PD的平均电流大于例如1uA)时，SW1断开，SW2闭合，此时控制环路1正常工作，同时在这种情况下PD平均电流的变化范围约为1uA至2mA,也就是对应施加正常光照后PD的光生电流变化范围，相较于包括暗电流的变化范围10nA至2mA，缩小了约3个数量级。在施加正常光照后的光生电流的范围内，A点的电压需要通过控制环路1的环路控制来保持稳定，此时AMP1接收基准电压单元产生的电压VB，通过环路控制使VA等于VB，并始终保持稳定。由于PD在施加正常光照时可以容忍的电压波动较小，因此如果没有控制环路1，PD直接通过M1连接到电源的话，A点电压会受PD中光生电流所产生电压的影响，无法保持稳定，最终导致RSSI电路的监测精度大幅下降。
此时，控制环路2通过AMP2和M3所组成环路的环路控制使C点的电压VC等于A点电压VA，电流镜将流过PD的平均电流精准复制出来，复制出来的电流I1流过电阻R1，通过监测电阻R1上的电压最终实现对接收光功率的监测。
本申请还提出了一种电子设备，包括如前所述的RSSI电路、光电二极管、以及跨阻放大器。其中，光电二极管的阴极与RSSI电路耦合，阳极与跨阻放大器的输入端耦合。
上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。
Claims (8)
1.一种RSSI电路，包括：
第一控制环路，其包括第一运算放大器，其第一输入端配置为接收第一参考信号，其第二输入端耦合到外部光敏元件的第一极，在第一工作模式下，所述第一运算放大器以负反馈方式连接，配置为将所述外部光敏元件的第一极钳位在所述第一参考信号水平，在第二工作模式下，所述第一运算放大器与所述第一控制环路的其他部分断开；
第二控制环路，耦合到所述第一控制环路，配置为复制所述外部光敏元件中流过的电流得到第一电流；
控制信号产生电路，耦合到所述第一控制环路和所述第二控制环路，配置为复制所述外部光敏元件中流过的电流，得到第二电流，并将其与第二参考信号进行比较，并基于所述比较的结果控制所述第一控制环路的工作模式；以及
第一电阻，耦合在所述第二控制电路和地之间。
2.根据权利要求1所述的RSSI电路，所述第一控制环路还包括：
第一晶体管，其源极接电源，其漏极耦合到所述外部光敏元件的第一极；
第一开关，耦合在所述第一晶体管的栅极和漏极之间；以及
第二开关，耦合在所述第一运算放大器的输出端与所述第一晶体管的栅极之间。
3.根据权利要求2所述的RSSI电路，所述第二控制电路包括：
第二运算放大器，其正输入端耦合到所述外部光敏元件的第一极；
第二晶体管，其栅极耦合到所述第一晶体管的栅极，其源极接电源，其漏极耦合到所述第二运算放大器的负输入端；以及
第三晶体管，其栅极耦合到所述第二运算放大器的输出端，其源极耦合到所述第二晶体管的漏极，其漏极耦合到所述第一电阻不接地的一端。
4.根据权利要求3所述的RSSI电路，所述控制信号产生模块包括：
第四晶体管，其栅极耦合到所述第二晶体管的栅极，其源极接电源；
第五晶体管，其栅极耦合到所述第三晶体管的栅极，其源极耦合到所述第四晶体管的漏极；
比较器，其正输入端配置为接收所述第二参考信号，其负输入端耦合到所述第五晶体管的漏极，其输出端配置为根据所述比较的结果输出控制信号；以及
第二电阻，耦合在所述第五晶体管的漏极和地之间；
其中所述控制信号控制所述第一开关的断开/闭合，所述控制信号的取反控制所述第二开关的断开/闭合。
5.根据权利要求1所述的RSSI电路，其中所述第二参考信号对应所述外部光敏元件的暗电流上限。
6.根据权利要求1所述的RSSI电路，还包括基准电压单元，配置为向所述第一控制环路提供所述第一参考信号；
所述基准电压单元包括：
电流源，其一端接地；
第三电阻，耦合在电源和所述电流源不接地的一端之间；
其中，所述第一运算放大器的负输入端与所述电流源和所述第三电阻之间的节点耦合。
7.根据权利要求6所述的RSSI电路，其中当所述第二电流流过所述第二电阻产生的电压大于等于所述第二参考信号时，所述比较器输出的所述控制信号的取反有效，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述RSSI电路工作在所述第一工作模式；
其中当所述第二电流流过所述第二电阻产生的电压小于所述第二参考信号时，所述比较器输出的所述控制信号有效，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述RSSI电路工作在所述第二工作模式。
8.一种电子设备，包括：
权利要求1-7任一所述的RSSI电路；
光敏元件，其第一极与所述RSSI电路耦合；以及
跨阻放大器，其输入端与所述外部光敏元件的第二极耦合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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