CN1543060A - 具有改善的电源抑制的光电放大器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有改善的电源抑制的对称光电放大器电路(100)，该电路包括信号电路(170)和参考电路(175)，其中信号电路(170)和参考电路(175)之间，来自例如接线(200)和衬底(210)的机械源的电容和寄生电容匹配。

Description

具有改善的电源抑制的光电放大器电路
技术领域
本发明一般地涉及高频光电放大器电路，更具体地，涉及高频光电放大器电路的电源抑制(power supply rejection)。
背景技术
电路消除电源线上的噪音的能力被称为电路的电源抑制。高频电路由于电路所控制的带宽高的缘故传统上具有较差的电源抑制。例如，在具有吉比特/秒范围的大带宽的高频光电放大器电路中，愈发难于过滤电源线上的噪音。
此外，随着设置在电路板上的元件数量的增加，观测到的电源线上的宽带噪音的数量就会相应增加。如果噪音水平足够显著，由光电放大器电路产生的任何信号的完整性可能会被降低。
改善光电放大器电路中的电源抑制的传统机制已经包括复杂和精细的滤波器和/或者差分放大器电路，用于对噪音信号的共模抑制。然而，当带宽增加并且每块板上的元件的数量增加时，就需要改善光电放大器电路中电源抑制。
发明内容
按照本发明的实施例提供了一种具有改善的电源抑制的对称光电放大器电路。一般，光电放大器电路包括信号电路和参考电路，其中在信号电路和参考电路之间来自机械源，例如接线和衬底的电感和寄生电容匹配。信号电路和参考电路一般被耦合到全差分前置放大器电路，用于对电源线上的噪音信号的共模抑制。信号电路一般接收光信号和电源线上的噪音信号，并且被耦合到第一放大器的输入端。参考电路一般电学上相似于信号电路，并且接收与在信号电路接收的噪音信号基本上相同的噪音信号。参考电路还被耦合到第二放大器的输入端。来自第一和第二放大器的信号输出被输入到差分放大器，用于噪音信号的共模抑制。
附图说明
下面将参照附图描述所公开的发明，附图示出本发明重要的示例实施例，并通过引用被结合到说明书中，其中：
图1是传统的光电放大器电路的电路图；
图2图示了对传统的光电放大器电路的电源抑制的频率响应；
图3是按照本发明的对称光电放大器电路的示例性电路图；
图4是按照本发明的对称光电放大器电路的示例性机械构造的透视图；
图5是按照本发明的传统前置放大器电路的示例性电路示意图；
图6是按照本发明的光电放大器电路的对称前置放大器电路的示例性电路示意图；
图7图示了传统差分前置放大器和图3所示类型的对称差分前置放大器的采样输出波形；
图8图示了传统差分前置放大器，传统单端互阻抗前置放大器和图3所示类型的对称差分前置放大器的频率上的AC增益；
图9是示出了按照本发明的对称光电放大器电路内的示例性信号流的方框图；以及
图10是按照本发明的实现对称光电放大器电路的示例性光接收器的方框图。
具体实施方式
本发明的教导将按照本发明具体参照示例性实施例被描述。但是，应该理解的是这些实施例仅提供此处教导的许多有利的用途的几个例子。一般说来，说明书中的论述不一定对主张了权利的所有发明进行划界。而且，一些论述可能适用于本发明的一部分特征，但不适用于其它特征。
图1示出用于接收光信号以及产生指示接收的光信号的强度的、适于后续处理的电信号(如电压)的传统光电放大器电路10。光电放大器电路10包括光电探测器20(例如光电二极管)，其被连接以用于接收光信号15以及基于光信号15的强度输出电流。光电二极管20还连接到互阻抗前置放大器30，用于将电流转换成电压。由互阻抗前置放大器30产生的电压通过电容器50被AC耦合到后置放大器60，其中电压被差分地放大并且作为差分数字信号输出。滤波级40被连接在互阻抗前置放大器30和后置放大器60之间以对到后置放大器60的输入滤波。
由光电二极管20产生的电流不仅反映光信号15的强度，并且反映电路10中的电源噪音的量。噪音信号的来源可以包括芯片上的多通道之间的串扰或者来自板面上的其它元件的杂散信号。互阻抗前置放大器30具有单端输入端，被连接以接收来自光电二极管20的电流。因此，在电流中出现的任何噪音将被转换成电压，并且馈入到差分后置放大器60。如果噪音的频率和量较低，则差分后置放大器60也许能够抑制噪音信号。然而，随着频率增加并且每块板上元件的数目增加，从而前置放大器30的电源线上的噪音量增加时，差分后置放大器60可能不能有效地抑制噪音信号。结果，由于在更高频率下的糟糕的电源噪音和频率响应，传统的光电放大器电路10不适合在高频率电路中使用。
图2示出对传统的光电放大器电路的电源抑制的频率响应。如图2中可以看出，随着频率增加，总的电源抑制和对信号的频率响应下降。频率响应中的不同的峰90和谷95可以归因于光电二极管处的信号注入。传统地，电路制作者曾试图通过对电源滤波来改善电源抑制。然而，滤波不能完全除去噪音信号，并且要实现可能相当复杂。
因此，如图3所示，按照本发明，对称光电放大器电路可以被用来改善电源抑制。对称光电放大器电路100既包括信号电路170，也包括参考电路175。信号电路170包括有源光电二极管110，而参考电路175包括参考光电二极管115。参考光电二极管115电学上相似于有源光电二极管110，以便跟踪有源光电二极管110的阻抗和电容。例如，有源光电二极管110和参考光电二极管115都可以由同样的材料构成，如磷化铟(InP)或者砷化镓(GaAs)。此外，有源光电二极管110和参考光电二极管115都能够在同样的制造工艺过程中被构造，这样有源光电二极管110和参考光电二极管115之间在性能上的任何变化都将基本上相同。参考光电二极管115的阴极通过低电阻抗120，如共用平板(common plane)(如图示)或者单独的参考电压源而被连接到有源光电二极管110的阴极。
有源光电二极管110和参考光电二极管115被连接到全差分前置放大器电路150，用于对电源线25上的噪音信号的共模抑制。有源光电二极管110接收光信号15，并将光信号15转换成在代表了光信号15中入射光的强度的电流。在电源线25上出现的任何噪音信号也将被转换并且包括在输入电流中。有源光电二极管110通过信号电路170的信号通路132和134被连接以将电流馈入到前置放大器电路150的第一互阻抗放大器130的输入端，用于将电流转换成电压。
参考光电二极管115接收噪音信号，该噪音信号包括在阴极和阳极瞬态间感应的信号。在参考光电二极管115处接收的噪音信号与在有源光电二极管110处接收的噪音信号基本上相同。参考光电二极管115还通过参考电路175的信号通路136和138被连接以将代表噪音信号的电流馈入到前置放大器电路150的第二互阻抗放大器135的输入端，用于将电流转换成电压。
来自第一和第二放大器130和135的电压信号输出，分别被输入到前置放大器电路150的差分放大器140，用于对光电压信号的放大和对噪音电压信号的共模抑制。由第一互阻抗放大器130产生的电压信号被馈入到差分放大器140的同相输入142，而由第二互阻抗放大器135产生的电压信号被馈入到差分放大器140的反相输入144。光电压信号作为差分数字信号被分别输出到结点Vo和 Vo160和165，用于进一步的信号处理，如通过后置放大器电路(如图1所示)进一步放大以及时钟和数据恢复。
为进一步改善电源抑制，可以制成对称光电放大器电路100以便匹配来自例如接线和衬底的机械源的电感和寄生电容。因此，来自接线寄生效应的电感器L1和L3可以被构造成相匹配，类似地电感器L2和L4也可以。同样，每个都包括有器件电容和寄生电容的电容器C1和C2可以被构造成相互匹配。
现在参照图4，举例说明按照本发明的对称光电放大器电路100的机械构造的例子。电感和寄生电容可以从各种机械源，如接线和衬底引入。为了匹配影响由前置放大器电路150放大的并分别通过Vo和 Vo160和165输出的信号的寄生电容，有源信号通路和参考信号通路间所有的机械源应被匹配。例如，光电二极管110和115以及前置放大器电路150之间接线200的长度以及接线200中的互感系数可以被匹配。这样，将光电二极管110和115的阴极连接到第一和第二互阻抗放大器130和135的同相输入端A和C的接线200a和200c可以分别具有同样的长度和互感系数，将光电二极管110和115的阳极连接到第一和第二互阻抗放大器130和135的反相输入端B和D的接线200b和200d可以分别具有同样的长度和互感系数。
此外，有源光电二极管110和参考光电二极管115都可以制作在衬底210上，使得有源光电二极管110和参考光电二极管115之间由设计要求造成的衬底的任何变化会匹配。并且，有源光电二极管110和参考光电二极管115之间源于设计要求的化学成分或者传导层220的厚度的任何变化会匹配。因此，对称光电放大器电路100的电源抑制仅由在光刻过程中的统计上的差异所产生的有源光电二极管110和参考光电二极管115之间的不匹配所限制。任何的不匹配应该相对较小，对电源抑制的影响小或者没有影响。虽然光电二极管110和115在图4中被示为设置在与前置放大器电路150分开的芯片上，但是应该理解的是，按照本发明，在其它的实施例中光电二极管110和115可以制作成与前置放大器电路150在同一个芯片上，这样就不需要接线200来相互连接光电二极管110和115和前置放大器电路150。在另一些实施例中，光电二极管115和110可以是在被倒装(flip chip)到前置放大器芯片上的单独的芯片上。
现在参照图5和6，示出了单端前置放大器电路30和按照本发明的对称前置放大器电路150的电路示意图。如图5所示，在传统的单端互阻抗前置放大器电路30中，光信号(电流)由光电二极管PD1产生，并且在晶体管Q1的输入端处被接收，晶体管Q1放大该光信号。晶体管Q2起到缓冲器的作用，电阻器Rf起到并联反馈元件的作用以将电流反馈到晶体管Q1的输入端。反馈元件降低了晶体管Q2的输入的阻抗，因此提高了前置放大器30的带宽。光电二极管PD1在电路中相当于电容器，其在前端提供RC时间常数，因为光电二极管电容相对电路中的晶体管的电容要大。
通过使用由电阻器Ra和Rb形成的电阻分压器以及起到缓冲器作用的晶体管Q3，信号从晶体管Q1通过电容器Cc以尽量保持信号形状的方式被AC耦合到前置放大器电路30的输出端。电源线Vcc上出现的任何噪音经过电阻器Rc、晶体管Q2和电阻器Rf向前馈入到晶体管Q1的输入端。因此，电源线中的任何活动会导致晶体管Q1基极处的电压的改变，所述基极电压随输入信号而被放大。
在图6中，示出了按照本发明的对称前置放大器电路150。由有源光电二极管PD1 110产生的光信号如在图5中的单端前置放大器电路中相同地被放大。这样，光信号被晶体管Q1和电阻器Rc1放大，被晶体管Q4缓冲，并且通过电阻器Rf1反馈到晶体管Q1的基极。此外，与图5的单端电路一样，光信号利用电阻器Ra1和Rb1形成的电阻分压器通过电容器Cc1和晶体管Q6被AC耦合到前置放大器电路150的输出端。反馈元件起到了与图5中同样的降低晶体管Q1输入端阻抗的作用。
然而，在图6中，电源线Vcc上的噪音信号不仅通过电阻器Rc1、晶体管Q4和电阻器Rf1馈入到晶体管Q1的基极，而且通过电阻器Rc2、晶体管Q3和电阻器Rf2馈入到晶体管Q2的基极。同样地，噪音信号可以不仅通过有源光电二极管PD1 110传送到晶体管Q1的基极，而且通过参考光电二极管PD2 115传送到晶体管Q2的基极。此外，噪音信号不仅利用电阻器Ra1和Rb1形成的电阻分压器通过电容器Cc1和晶体管Q6，而且利用电阻器Ra2和Rb2形成的电阻分压器通过电容器Cc2和晶体管Q5而被AC耦合至到差分放大器的输出端。因此，来自电源的噪音信号具有阻抗在频率和温度上匹配的相等的通路。来自电源的噪音信号可以被施加到差分放大器(在图6中未示出)，该差分放大器放大差分信号(来自光电二极管PD1 110的光信号)，但抑制共模信号(来自光电二极管PD1 110和PD2 115的噪音信号)以消除噪音信号。
图7示出传统的差分前置放大器和图3所示类型的对称差分前置放大器的采样输出波形。两种输出波形都代表电源线上具有10mV、4Ghz的正弦波时的差分前置放大器输出。可以看出的是，传统的差分前置放大器的输出波形比对称差分前置放大器的输出波形大很多。因此，对称差分前置放大器的电源抑制优于传统差分前置放大器。
图8示出对传统差分前置放大器、传统单端互阻抗前置放大器和图3所示类型的对称差分前置放大器之间的频率上的AC增益的比较。从图8可以看出，对传统光电放大器，从电源到输出端的高频增益更大。增益越高，对应输出端处的信号越大。因此，传统的前置放大器响应电源线上的噪音信号产生更大的输出波形。结果，用传统的前置放大器比用对称前置放大器更有可能出现输出翻转产生错误数据。
图9是按照本发明，示出了对称光电放大器电路中的示例性信号流的方框图。如上结合图3所讨论的，有源光电二极管接收光信号(A)15和噪音信号(B)500，并且将光信号(A)15和噪音信号(B)500转换成具有代表光信号的成分(A)510和代表噪音信号的成分(B)515的电流。噪音信号(B)500也在参考光电二极管115处被接收，在该处噪音信号(B)500被转换成电流(B)515。
电流成分(A+B)510和515被馈入到前置放大器电路150的第一互阻抗放大器130的输入端，用于将电流成分510和515(A+B)转换成具有成分(A)520和(B)525的电压。电流(B)515被馈入到前置放大器电路150的第二互阻抗放大器135的输入端，用于将电流(B)515转换成电压(B)525。电压成分(A+B)520和525以及电压信号(B)525分别从第一和第二放大器130和135被输出，并且输入到前置放大器电路150的差分放大器140，用于对电压信号(A)520的放大和对电压信号(B)525的共模抑制。电压信号(A)520作为差分数字信号(A)530被输出用于进一步信号处理。
对称光电放大器电路可以被用在单通道设备中用于将单个光信号转换成适当的电压信号或者被用在多通道设备中用于将多个光信号转换成各自的电压信号。实施对称光电放大器电路的多通道设备的例子在图10中示出。图10示出了光接收器600，该光接收器能够处理平行光数据链路，每个链路具有多个通道(光纤)。每个通道提供各自的光信号15a、15b、…、15(n)到接收器600，用于转换成适当的电压以进行随后的处理。例如，每个链路可以包括十二个通道，每一发射光处于吉比特/秒范围(例10Gb/s)内的一个频率处，这样每个链路作为120Gb/s的数据传送光纤设备而工作。
来自每个通道的光信号15a、15b、…、15(n)入射到各自的有源光电二极管110a、110b、…、110(n)，用于转换成各自的电流信号。每个电流信号被提供给各自的前置放大器电路150a、150b、…、150(n)，用于使用相应的参考光电二极管115a、115b、…、115(n)和对称互阻抗放大器，将电流信号转换成电压信号以及对噪音信号进行共模抑制，如图3所示。电压信号可以由，例如各自的后置放大器电路60a、60b、…、60(n)进一步处理。
本领域的技术人员会认识到，在本申请中描述的创新性构思可以在申请的一个宽范围中被修改和变化。因此，专利保护的主题的范围不应该被限制在讨论的任何特定示例性教导中，而由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种光电放大器电路(100)，其特征在于：
信号电路(170)，被耦合用于接收到所述信号电路(170)的光信号(15)和电源线(25)上的噪音信号(500)，并且从所述光信号(15)和所述噪音信号(500)产生输出信号，所述信号电路(170)包括电感和寄生电容的第一机械源；以及
参考电路(175)，被耦合用于接收所述噪音信号(500)，并且从所述噪音信号(500)产生参考信号，所述参考电路(175)包括电感和寄生电容的第二机械源，所述第一和第二机械源互相匹配。
2.如权利要求1所述的光电放大器电路(100)，还包括：
对称放大器电路(150)，被耦合到所述信号电路(170)和所述参考电路(175)用于接收所述输出信号和所述参考信号并且输出差分信号(530)，所述对称放大器电路(150)被连接以共模抑制来自所述差分信号(530)的所述噪音信号(500)。
3.如权利要求2所述的光电放大器电路(100)，其中所述信号电路(170)包括有源光电探测器(110)，所述参考电路(175)包括参考光电探测器(115)，所述第一和第二光电探测器(110和115)电学上相似。
4.如权利要求3所述的光电放大器电路(100)，其中所述信号电路(170)包括第一信号通路(132和134)，被耦合在所述第一光电探测器(110)和所述对称放大器电路(150)之间，用于所述输出信号的处理，所述第一信号通路(132和134)包括电感和寄生电容的所述第一机械源，其中所述参考电路(175)包括：
第二信号通路(136和138)，被耦合在所述第二光电探测器(115)和所述对称放大器电路(150)之间，用于所述参考信号的处理，所述第二信号通路(136和138)包括电感和寄生电容的所述第二机械源。
5.如权利要求4所述的光电放大器(100)，其中所述第一和第二机械源包括所述光电探测器(110和115)和所述对称放大器电路(150)之间的接线(200)，所述第一信号通路(132和134)中的所述接线(200)的长度与所述第二信号通路(136和138)中的所述接线(200)的长度匹配。
6.如权利要求2所述的光电放大器电路(100)，其中所述输出信号是第一电流(510和515)，所述参考信号是第二电流(515)，所述对称放大器电路(150)包括：
第一互阻抗放大器(130)，被连接用于接收所述第一电流(510和515)以及将所述第一电流(510和515)转换成第一电压(520和525)；以及
第二互阻抗放大器(135)，被连接用于接收所述第二电流(515)以及将所述第二电流(515)转换成第二电压(525)。
7.如权利要求6所述的光电放大器电路(100)，其中所述第一电压具有代表所述光信号(15)的第一电压成分(520)和代表所述噪音信号(500)的第二电压成分(525)，所述第二电压基本上等于所述第二电压成分(525)，所述对称放大器电路(150)还包括：
差分放大器电路(140)，被连接用于接收所述第一电压(520和525)和所述第二电压(525)，共模抑制所述第二电压成分(525)以及放大所述第一电压成分(520)。
8.如权利要求1所述的光电放大器电路(100)，其中所述光信号(15)在吉比特/秒的范围内。
9.一个光接收器(600)，用于接收光信号(15)以及产生指示所述光信号(15)强度的电信号，所述光接收器(600)特征在于：
第一信号通路(132和134)，被连接用于接收所述光信号(15)和噪音信号(500)，并且从所述光信号(15)和所述噪音信号(500)产生第一电信号，所述第一信号通路(132和134)包括电感和寄生电容的第一机械源；
第二信号通路(136和138)，被连接用于接收所述噪音信号(500)，以及从所述噪音信号(500)产生第二电信号，所述第二信号通路(136和138)包括电感和寄生电容的第二机械源，所述第一和第二机械源相互匹配；以及
差分放大器电路(140)，被耦合用于接收所述第一电信号和所述第二电信号，以及输出第三电信号(530)，所述差分放大器电路(140)被连接以共模抑制来自所述第三电信号(530)的噪音信号(500)。
10.一种用于产生指示光信号(15)强度的电信号的方法，其特征是：
沿第一(132和134)和第二(136和138)信号通路匹配电感和寄生电容的机械源；
接收所述光信号(15)和噪音信号(500)；
在所述第一信号通路(132和134)上从所述光信号(15)和所述噪音信号(500)产生第一电信号；
在所述第二信号通路(136和138)上从所述噪音信号(500)产生第二电信号；以及
提供所述第一电信号和所述第二电信号到差分放大器电路(140)，用于对来自所述第一电信号的所述噪音信号(500)的共模抑制。
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