CN1770668B - 横向型模拟有限脉冲响应滤波器的改进结构 - Google Patents

Abstract

一种横向型模拟有限脉冲响应滤波器。该滤波器具有输入和输出。第一组无源延迟元件与输入串联，并且第二组无源延迟元件与输出串联。跨导体与第一多个无源延迟元件和第二多个无源延迟元件并联。一组缓冲放大器与第一组无源延迟元件和第二组无源延迟元件中的无源延迟元件相连。该缓冲放大器降低了无源延迟元件中的损耗。

Description

横向型模拟有限脉冲响应滤波器的改进结构

技术领域

本发明总体涉及一种改进的数据处理系统，尤其涉及用于通过光纤传输数据的装置。更具体的是，本发明涉及用于均衡通过光纤传输的信号的装置。 

背景技术

在利用多模光纤(MMF)的光纤数据系统中，由于模式色散和彩色色散引起的符号间干扰(ISI)严重限制了可达到的传输距离。在给定数据速率下，如果增加传输距离，必须降低ISI。例如，在10Gb/s的以太网链路上，希望如同上一代网络达到300米的距离，但是数据速率的增加使其难以实现，除非升级光纤。出于经济上的考虑，促进了使用廉价的MMF、尤其是利用在现有的局域网(LAN)中已大量安装的基础光纤，因此希望找到一种成本效率高的方法来减少ISI。 

虽然可以通过在链路的发射端进行预强调或编码来部分补偿光纤色散，但对接收端的均衡是最方便的色散补偿方法，因为使用的任何技术都需要适应于随激光发射条件和温度变化的色散的时间变化、以及随光纤长度变化的变化。 

使用连续时间、横向型模拟有限脉冲响应滤波器(在本领域中通常称为“横向”滤波器)用于均衡光接收端在本领域中是熟知的。另外还使用类似结构的较低复杂度的滤波器用于电缆均衡。由于涉及高数据速率，多数这样的滤波器利用SiGe BiCMOS或者GaAs MESFET技术来实施。 

发明内容

当在利用例如集总电感器(L)和电容器(C)的集成电路上实施无源延迟线时，LC组件的低品质因数(Q)导致损耗延迟线。损耗延迟线减弱了所有频率尤其是高频上的信号，从而导致较差的滤波器性能。有源延迟线自身存在问题，包括较高的电能消耗、以及在不限制带宽时难以获得足够的信号延迟。通过利用运算放大器或类似有源结构实施的全通滤波器，可以独立地设置信号延迟和带宽，但是其依赖于宽带宽的有源器件，例如SiGe双极晶体管，来实现这种放大器。它们同样消耗高电能。 

因此，具有性能改善的滤波器是有利的。本发明提供了一种横向型模拟有限脉冲响应滤波器。该滤波器具有输入和输出。第一组无源延迟元件与输入串联，并且第二组无源延迟元件与输出串联。跨导体与第一多个无源延迟元件和第二多个无源延迟元件并联。一组缓冲放大器与第一组无源延迟元件和第二组无源延迟元件中的无源延迟元件相连。该缓冲放大器放大信号以补偿在无源延迟元件中的损耗，并将延迟线分成多段，从而可以单独控制所述段的频率响应和延迟。 

附图说明

通过结合附图参考下面对说明性实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优选使用方式、其它目的和优势，其中： 

图1示出了根据说明性实施例的光学数据系统； 

图2示出了根据说明性实施例的7分接横向型AFIR滤波器； 

图3示出了已知延迟元件； 

图4示出了根据说明性实施例的改进延迟元件； 

图5示出了根据说明性实施例的横向型AFIR滤波器； 

图6示出了根据说明性实施例的两种延迟元件；以及 

图7更详细地示出了根据说明性实施例的延迟元件。 

具体实施方式

现在参考附图，尤其参考图1，示出了根据说明性实施例的光学数据 系统。光学数据系统100是使用多模纤维的光纤数据系统的实例。这些纤维是以光的形式承载数据的光纤。光学数据系统100包括，发射器102、激光二极管104、p型半导体/本征体/n型半导体(PIN)二极管检测器和互阻抗放大器(TIA)106、横向型模拟有限脉冲响应(AFIR)滤波器108、时钟和数据恢复电路110、以及错误检测电路112。在光学数据系统100中，激光二极管104通过多模光纤114连接到PIN二极管检测器和TIA106。发射器102是光纤数据系统100中的数据源，并且以调制电信号的形式将数据发送到激光二极管104。激光二极管104以光信号的形式通过多模光纤114发送数据。由PIN二极管接收这些信号，所述二极管将其转换回电信号，再通过TIA 106放大电信号。将来自PIN二极管和TIA 106的电信号施加到AFIR滤波器108，所述滤波器均衡所接收到的信号以补偿在系统100中的符号间干扰。CDR 110从均衡的信号中获得时钟信息，然后使用这些时钟信息在最佳时间对信号进行采样以恢复传输的数据。错误检测器112判断是否正确接收数据，并提供错误计数。 

在该说明性实施例中，提供了改进的滤波器，用于实现横向型AFIR滤波器108。该组件的当前设计被实施为单独的具有1.5mm×4.8mm芯片面积的0.12微米CMOS芯片，但是其被设想在将来与CDR 110集成。通过使用典型的分接系数(tap coefficient)，在2.5V的电源下，AFIR滤波器108的电能消耗为115到130mA之间。在AFIR滤波器108中，这些分接编码系数通过数字接口116来控制。该数字控制电路使用1.2V的电源。 

通常，连续时间的AFIR滤波器通过利用无源或有源延迟线来实现创建输入和/或输出信号的延迟形式而实施。通过施加可变增益对各个延迟信号加权、并然后求其总和，从而产生滤波器的输出信号。在该说明性实例中，提供了一种用于例如图1的横向型AFIR滤波器108的横向型AFIR滤波器中的延迟线的改进结构。 

参考图2，其中示出了根据说明性实施例的7分接横向型AFIR滤波器。在该实例中，横向型AFIR滤波器200包括延迟元件202、204、206、208、210、212、214、216、218、220、222和224。另外，横向型AFIR 滤波器200还包括跨导体(transconductor)226、228、230、232、234、236和238。横向型AFIR滤波器包括输入240、终端242、输出244和终端246。 

延迟元件202、204、206、208、210和212位于输出244和终端246之间以形成输出延迟线。延迟元件214、216、218、220、222和224位于输入240和终端242之间以形成输入延迟线。在每个延迟元件后分接输入和输出延迟线，从而将输入延迟线上的每个分接处的信号施加到跨导体的输入，而所述跨导体的输出被累加到输出延迟线的分接中。跨导体包括有源器件(双极晶体管或者FET)，并且可以通过系数C1到C7来控制可调节跨电导。通过调节系数C1到C7，可以控制施加到通过每个分接的信号上的增益，并且滤波器的输出是每个跨导体输出的总和，而每个跨导体的输出通过输出延迟线被延迟不同的时间。 

参考图3，示出了一种公知的延迟元件。延迟元件300是一种公知的延迟元件实例，其可以用于图2中的横向型AFIR滤波器200中，以形成成公知的横向型AFIR滤波器系统。延迟元件300包括电感器302、304、306和308。该延迟元件还包括电容器310、312和314。延迟元件300是用于形成无源延迟线的无源延迟元件。 

注意，虽然图3所示的延迟元件300被实施为利用集总电感器L和电容器C的模拟输电线，但是也可以将其实施为利用由微带或带状线结构构成的物理芯片上输电线。另外，虽然图3中示出了差分延迟元件，但图2中的延迟元件和其它部件可以是单端的。 

当在例如集总电感器(L)和电容器(C)的集成电路中使用无源延迟线时，所述LC组件的低品质因数(Q)将导致损耗延迟线。损耗延迟线减弱了所有频率尤其是高频上的信号，从而导致较差的滤波器性能。有源延迟线自身存在问题，包括较高的电能消耗、以及在不限制带宽时获得足够的信号延迟的困难。通过利用运算放大器或类似有源结构实施的全通滤波器，可以独立地设置信号延迟和带宽，但是其依赖于宽带宽的有源器件，例如SiGe双极晶体管，来实现这种放大器。它们同样消耗高电能。 

在所述说明性实例中，对于损耗无源芯片上延迟线的一个解决方案为，在延迟线中每隔一段地插入缓冲放大器。这样形成了混合无源/有源结构，其可以消除信号损耗，同时获得足够的延迟和宽带宽。参考图4，示出了根据说明性实施例的改进延迟元件。延迟元件400是有源延迟元件，其被用于图2中的横向型AFIR滤波器200中，以形成根据所述说明性实施例的滤波器系统。 

延迟元件400包括电感器402、404、406和408。该延迟元件还包括电容器410、412和414。延迟元件400包括缓冲放大器416，其为延迟元件400中的有源元件。延迟元件400中的该缓冲放大器用于补偿在无源延迟线中由于无源元件的较低Q值而引起的损耗。缓冲放大器的使用还具有这样的优势，其将延迟线分成多个可控段，可以在部件特征的变化上更精确地控制所述段的频率响应和延迟。图2中的滤波器的基本结构除了延迟元件中增加的缓冲放大器以外没有变化。 

为了实现其功能，缓冲放大器416必须适当地终止由电感器402、404、406、408和电容器410、412、414组成的延迟线，使得延迟线具有希望的带宽和延迟。缓冲放大器416还必须提供正确的输出阻抗，以使得后面的延迟线具有希望的带宽和延迟。在许多情况下(但不是全部)，正确的输入和输出阻抗应该是由电感器和电容器组成的模拟输电线的特征阻抗Zo，其中 $\mathrm{Zo}=\sqrt{L/C},$ L是电感值，C是电容值。缓冲放大器416还必须具有充分的增益以补偿无源延迟元件的损耗，并且它还必须在输入和输出之间具有充分的隔离，以防止延迟线段间的不希望的相互作用。从而，存在多种可以替代或取代缓冲放大器416的有源电路。 

本发明还认识到，该对现有技术的改进，即缓冲放大器的使用，具有消耗电能的缺点，并且这些缓冲放大器也对信号增加了其自身的延迟。缓冲放大器随着温度和工艺的变化的延迟比控制良好的无源元件的延迟更大。因此，如果缓冲放大器的延迟构成延迟线中的总延迟的重要部分，则在一些情况下可能不利于性能。本发明还认识到，在横向型AFIR滤波器200中，不必将缓冲器添加给输入和输出延迟线中的每个延迟元件。在该 说明性实例中，可以形成混合延迟结构，其在每隔一个延迟元件中具有一个缓冲放大器，而不损害多分接FIR滤波器中的分接之间的匹配。 

参考图5，示出了根据说明性实施例的横向型AFIR滤波器。横向型AFIR滤波器500包括位于输出502和终端504之间的输出延迟线，由缓冲器B1、延迟元件DB1、延迟元件D1、延迟元件DB2、延迟元件D2、延迟元件DB3、以及延迟元件D3组成。输入延迟线位于输入506和终端508之间。该延迟线包括延迟元件D4、延迟元件DB4、延迟元件D5、延迟元件DB5、延迟元件D6以及延迟元件DB6。横向型AFIR滤波器500还包括跨导体T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。这些跨导体具有由系数C1到C7控制的可调节跨电导。延迟元件D1、D2、D3、D4、D5和D6是无源延迟元件。延迟元件DB1、DB2、DB3、DB4、DB5和DB6是包括缓冲放大器的有源延迟元件。可以发现，在该说明性实施例中，在输入和输出延迟线中仅仅每隔一个的延迟元件才包括一个缓冲放大器。延迟元件D4和延迟元件DB4组成了一个延迟单元，也被称作混合延迟结构。 

在横向型AFIR滤波器500中，由于由一个具有缓冲器的延迟元件和一个没有缓冲器的延迟元件所组成的每个分接的增量延迟，因而，即使具有缓冲器的延迟元件的延迟与没有缓冲器的延迟元件的延迟不匹配，但并不影响分接延迟的匹配。从而，可以去掉一半的缓冲器，这减少了由于该一半的缓冲器带来的电能消耗，并由于此时缓冲放大器延迟构成线路中的总延迟的更小部分，从而实际提高了滤波器的性能。 

参考图6，示出了根据说明性实施例的两种延迟元件。延迟元件600包括两种延迟元件，例如图5中的延迟元件D4和延迟元件DB4。电感器602、604、606、608、610和612与电容器614、616一起形成例如为图5中的延迟元件D4的无源延迟元件。电感器618、620、622、624、626和628与电容器630、632以及缓冲放大器634一起形成例如为图5中的延迟元件DB4的有源延迟元件。 

在包括缓冲放大器的有源延迟元件中，减少无源LC组件的延迟，以补偿缓冲器的插入延迟，并且与整体无源元件的约39ps的延迟相匹配。注 意，即使D和DB延迟元件不匹配，由于每个分接的增量延迟包括一个D和一个DB元件，从而不影响分接延迟的匹配。相比于利用图4中的延迟元件的图2中的说明性实施例，减少了半数的缓冲放大器，而没有不利影响。从而降低了电能消耗，并且减少了线路中由缓冲器引起的延迟占总延迟的部分。由缓冲器引起的总延迟的部分的减少提供了总延迟在工艺和温度变化上的改善的稳定性。可以在其它说明性实施例中实施减少更多的缓冲器，例如每三个或者四个延迟元件具有一个缓冲放大器。然而，这种对缓冲放大器的额外的减少，在某些情况下可能损害分接延迟的匹配。 

现在参考图7，更详细地示出了根据说明性实施例的延迟元件。延迟元件700是对图6中的延迟单元600的更详细的图示。该延迟单元等同于一个D和一个DB延迟元件，例如图5中的延迟元件D4和延迟元件DB4. 

延迟元件700包括电感器702、704、706、708、710和712，以及电容器714和716，其一起组成例如为图5中的延迟元件D4的无源延迟元件。电感器718、720、722、724、726和728与电容器730、732一起成为例如为图5中的延迟元件DB4的有源延迟元件的部分。另外，该有源延迟元件还包括连接到缓冲放大器736的终端电路734。终端电路734包括电阻器738、电阻器740、电阻器742、电感器744和电容器746。缓冲放大器736包括电阻器748、电阻器750、晶体管752、晶体管754、晶体管756、晶体管758以及数模控制(DAC)单元760。增加图7所示的复杂终端用于响应峰值来扩展系统带宽，这也是一个通过在说明性实施例中增加缓冲放大器来获得额外的设计灵活性的实例。 

从而，所述说明性实施例展示了横向型AFIR滤波器的改进的结构，其中改善了在均衡方面的性能，使得消除了信号损耗，同时获得希望的延迟时间和带宽。这些性能的增加来源于在延迟线中对有源元件的使用。在这些说明性实例中，滤波器可以利用划算的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实施，而不是使用在其它已知滤波器中使用的更加昂贵的技术。 

这里对本发明的描述只是用于说明和描述的目的，而不是为了将本发 明穷尽或限制在所公开的形式。多种修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显然的。例如，说明性实施例中的机制也可以用于电缆均衡。选定并描述所述实施例是为了更好地解释本发明的原理、实际应用，并使本领域其它普通技术人员理解在具有多种修改的多种实施例中的本发明，所述实施例适于设想的特定应用。 

Claims (19)

1.一种横向型模拟有限脉冲响应滤波器，包括：

输入；

输出；

与所述输入串联的第一多个无源延迟元件；

与所述输出串联的第二多个无源延迟元件；

多个跨导体，其中所述多个跨导体中的每个利用来自所述第一多个延迟元件和所述第二多个延迟元件的分接头分别与所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个无源延迟元件并联；以及

一组缓冲放大器，其每个分别与在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的所述无源延迟元件串联。

2.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中在所述一组缓冲放大器中的每个缓冲放大器与所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个无源延迟元件一一对应地串联。

3.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中在所述一组缓冲放大器中的每个缓冲放大器与在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每隔一个的无源延迟元件一一对应地串联。

4.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述横向模拟有限脉冲响应滤波器被整体实现在集成电路上。

5.如权利要求4所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述集成电路是互补金属氧化物半导体集成电路。

6.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述横向模拟有限脉冲响应滤波器与时钟和数据恢复电路一起集成在集成电路上。

7.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个延迟元件包括无源延迟线。

8.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个延迟元件包括多个电感器和多个电容器。

9.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述多个跨导体是多个有源器件。

10.如权利要求9所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述有源器件包括双极晶体管和场效应晶体管中的至少一种。

11.如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其中所述跨导体由系数控制。

12.一种光纤数据系统，包括：

发射器；

连接到所述发射器的激光二极管，其中所述二极管响应从所述发射器接收电信号而产生光信号；

pin型二极管检测器和互阻抗放大器，其通过光承载纤维被连接到所述激光二极管的输出；

时钟和数据恢复电路；以及

如权利要求1所述的横向型模拟有限脉冲响应滤波器，其将所述pin型二极管检测器和所述互阻抗放大器连接到所述时钟和数据恢复电路。

13.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中在所述一组缓冲放大器中的每个缓冲放大器与所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个无源延迟元件一一对应地串联。

14.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中在所述一组缓冲放大器中的每个缓冲放大器与在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每隔一个的无源延迟元件一一对应地串联。

15.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中所述横向模拟有线脉冲响应滤波器在集成电路上整体实现。

16.如权利要求15所述的光纤数据系统，其中所述集成电路是互补金属氧化物半导体集成电路。

17.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中所述横向模拟有限脉冲响应滤波器与所述时钟和数据恢复电路一起集成在集成电路上。

18.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中在所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个无源延迟元件包括无源延迟线。

19.如权利要求12所述的光纤数据系统，其中所述第一多个无源延迟元件和所述第二多个无源延迟元件中的每个无源延迟元件包括多个电感器和多个电容器。

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