CN1964233A - 脉冲整形电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲整形电路，该整形电路用于整形驱动例如激光二极管或LED的光发射器的电脉冲，并提供在其边沿具有独立地高度和宽度可调的峰化的电脉冲。本发明的脉冲整形电路包括具有根据输入差分脉冲提供瞬时电脉冲的差分输出的高通RC滤波器，可调电压偏移产生电路，根据可调电压偏移来调节该瞬时电脉冲的宽度的差分放大器，以及产生具有独立可调宽度和高度的瞬时脉冲的可变增益电流引导放大器。

Description

脉冲整形电路

技术领域

[1]本发明涉及一种脉冲整形电路，并且特别地涉及一种将宽度和高度可调的峰化加到脉冲沿的电路。

背景技术

[2]在很多应用中，通过脉冲电流驱动诸如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)的光发射器，来交替接通或断开光源并产生光脉冲。

[3]通常，希望光脉冲具有大致矩形形状并尽可能紧密地跟随着电流脉冲。然而，存在着与接通或断开光发射器相关的时间延迟，例如发射器的驱动电流的开关转变和与之相关的发射器的光输出的开关转变之间的时间延迟。相似地，发射器的驱动电流的关开转变和与之相关的发射器的光输出的关开转变之间也存在着时间延迟。这种时间延迟可视为是需要一定的时间以通过二极管驱动电流来充电或放电的典型激光二极管或发光二极管的相对大的电容，和/或二极管有源区域中少数载流子的相对大的寿命的结果。

[4]与激光器或LED接通或断开相关的时间延迟对于较高速应用是不利的，例如，根据发射器的设计，当以超过大约10到100MHZ的频率调制该发射器时。为了减轻该问题，现有的用于脉冲激光二极管和LED的驱动器通常包括脉冲整形电路，其中，通过在脉冲的前沿添加短的正峰化脉冲来预整形驱动发射器的电脉冲，以过冲处于二极管的“接通”状态中的稳态驱动电流从而快速启动(kick-start)该发射器，和/或在驱动脉冲的后沿添加短的负峰化或反向峰化脉冲以更快地熄灭该发射器。

[5]过去已经公开了不同类型的这种添加峰化到用于激光二极管和LED的驱动电流脉冲的脉冲整形电路。例如，授予V.Cavanna的美国专利US4,818,896公开了一种用于诸如LED的电-光转换器的驱动器，其中为了快速充电和放电LED的结电容和寄生电容，所述驱动器整形电流脉冲以便其在接通或断开期间包含“尖峰信号”。该驱动器包括基于差动放大器的“峰化”电路，该差动放大器提供“峰化”电流到另一个起提供驱动电流到LED的电流开关作用的差动放大器。当LED是原始接通的时，电容耦合到放大器以传导附加电流到该LED并充电该LED的阴极。连通开关晶体管的发射极的负反馈电阻将放大器耦合到电流源并允许该放大器由射极耦合逻辑(ECL)栅极驱动。

[6]结合了基于晶体管或纯无源峰化电路之一的LD或LED驱动器的其它例子也已经被公开了。通常，峰化电路结合有差分RC电路，该差分RC电路对用于驱动发射器的输入电压数据脉冲进行差分，以便在输入数据脉冲的上升沿和下降沿分别形成正和负的峰化电压脉冲，然后叠加该峰化脉冲到发射器驱动电流，以在晶体管的接通和断开处形成正和负的驱动尖峰信号。这些驱动器的例子公开在Lynn等人的美国专利US5,343,323中，Kusano等人的美国专利US5,115,147中，授予Sakura等人的美国专利US6,724,376中。

[7]授予Forsberg的美国专利US6,049,175提出了另一种依据例如LED的发光装置的接通或断开，用于峰化该发光装置的驱动电流的无源配置。该峰化配置包括例如由串联连接的电容器，电阻器，和电感器形成的无源峰化网络，其布置成与该发光装置并联。

[8]美国专利US6,901,091公开了一种结合有峰化电路的用于直接调制的半导体激光器的驱动器，其包括晶体管，该晶体管的发射极端子横跨电阻连接到该半导体激光器，并且其基极电流由基极-发射极控制电压确定，该基极电流显示出依据于通过半导体激光器的电流的前沿和后沿的正的和负的峰值，从而通过电流镜在晶体管产生恒定电流并依据基极-发射极控制电压来调制该电流。

[9]虽然前述发明看起来像是完成了它们的预期功能，但是，它们提出的解决办法中的激光器或LED装置产生的脉冲形状是由电路元件确定，并且一旦相应的电路板或IC芯片已经被制造出之后，所述脉冲形状不易于调整。因此，这种驱动器在制造中可能需要全面地调试。此外，由于不同的激光器和LED可能具有不同的电学特性和与激光器/LED的接通和断开相关的不同的上升/下降特性，所以可能需要不同的驱动板和IC芯片以驱动不同的输出装置。而且，如果电路元件或激光器/LED的电学特性改变了，在产品的寿命期间需要制造新的驱动板和/或新的IC芯片来维持发射器的性能。

[10]在其它缺点中，许多现有的脉冲整形电路不能区分驱动电脉冲的上升和下降沿；即通过电路加到上升沿的峰化脉冲同样也以相同的幅度加到驱动脉冲的下降沿。然而，一些类型的光发射器，即许多种类型的半导体激光器，在驱动电流脉冲的上升沿比在驱动电流脉冲的下降沿需要更大的峰化脉冲，因为激光器需要的接通脉冲通常比断开脉冲大。

发明内容

[11]因此，本发明的目的是提供一种产生具有独立可调的宽度和高度的峰化脉冲的脉冲整形电路。

[12]本发明的另一目的是提供一种在用于驱动光发射器的输入电脉冲的上升和下降沿形成独立可调的峰化的脉冲整形电路。

[13]根据本发明的用于整形输入电脉冲信号的脉冲整形电路包括：接收具有前沿和后沿的输入电脉冲信号的第一输入端口；响应该输入电脉冲信号而提供输出电脉冲信号到负载的第一输出端口，该输出电脉冲信号具有分别与该输入电脉冲信号的前沿和后沿对应的前沿和后沿；以及，电耦合在该第一输入和第一输出端口之间的第一可调峰化产生电路。该第一可调峰化产生电路包括：根据该输入电脉冲信号的前沿和后沿中的一个，产生第一瞬时脉冲信号的第一高通滤波电路；耦合到第一高通滤波器以添加可调的电压偏移到该第一瞬时脉冲信号的第一可调偏移电路；以及第一差分放大电路，该第一差分放大电路耦合到第一高通滤波器，以根据该可调的电压偏移放大该第一瞬时脉冲信号的可调部分以便形成可调的瞬时脉冲信号，并用于提供该可调的瞬时脉冲信号到第一输出端口，其中该可调的瞬时脉冲信号具有通过改变可调的电压偏移而可调的宽度。运行中，该可调的瞬时脉冲信号分别在该输出电脉冲信号的前沿或后沿中的一个处提供可调的正的或负的峰化。

[14]根据本发明的优选实施例，第一差分放大电路具有可变增益，该可变增益用于独立地调节可调瞬时脉冲信号的高度，用以在输出电脉冲信号的前沿或后沿中的一个处提供宽度和高度可调的峰化。

[15]根据本发明的另一方面，脉冲整形电路还包括第二高通滤波电路，第二可变偏移电路，以及第二可变增益差分放大电路，该第二可变增益差分放大电路用于形成第二脉冲和宽度可调的瞬时脉冲信号，并用于形成在输出脉冲信号的前沿和后沿处具有独立可调的正的和负的峰化的输出电脉冲信号。

附图说明

[16]下面将参考显示了本发明的优选实施例的附图更详细地描述本发明，其中：

[17]图1是根据本发明的激光器驱动电路的示意图；

[18]图2是输入差分脉冲信号的示意图；

[19]图3A是没有瞬时峰化的输出电脉冲的示意图；

[20]图3B是在接通-断开转换处具有负的峰化的输出电脉冲的示意图；

[21]图3C是在断开-接通转换处具有正的峰化的输出电脉冲的示意图；

[22]图3D是在断开-接通和接通-断开转换处分别具有正的峰化和负的峰化的输出电脉冲的示意图；

[23]图4是根据本发明的可调峰化脉冲产生电路的脉冲产生和脉冲宽度调节部分的示意图；

[24]图5是通过图3中所示电路的第一高通RC滤波状态来说明正的和负的瞬时电压脉冲的产生的示意图；

[25]图6A和6B通过调节图3中所示电路的dc偏移电压来说明脉冲宽度调节的机理；

[26]图7是根据本发明的峰化脉冲产生电路的脉冲高度调节部分的示意图；

[27]图8通过调节由图6中所示的可调偏置电流源产生的可变偏置电流I_load来示意说明脉冲高度调节。

具体实施方式

[28]这里，可根据各种功能部件来描述本发明。需要理解的是，这种功能部件可以通过许多配置成执行特定功能的硬件或结构部件来实现。例如，本发明可以利用各种由例如电阻器、晶体管、电容器、二极管等等不同电气装置组成的集成部件，所述不同电气装置的值可根据不同的预期目的而被合适地配置。此外，需要注意的是，在示意性的电路中，当不同的部件可被合适地耦合或连接到其它部件时，这种连接和耦合可通过部件之间的直接连接实现，或通过其它部件和装置的连接而实现。同样，为了使本发明容易解释和理解，没有包括多余的细节。

[29]现在将参考图1中所示的激光器驱动电路21来描述根据本发明的脉冲整形电路的示意性实施例；然而，本发明并不限于所示的实施例而是也可以用在其它的应用中，其中可调的峰化可被有利地应用。

[30]现在转到图1，用于驱动例如激光二极管或LED的负载装置90的激光器驱动电路21具有连接到前置放大器30的差分输入的单端输入端子10和15，该前置放大器30又连接到脉冲整形电路20，该脉冲整形电路20包括本发明的特征。该脉冲整形电路20具有输入端子50和55，该输入端子50和55连接到差分前置放大器30的差分输出并在下文中一起被称为第一输入端口50/55或第一差分输入端口50/55。脉冲整形电路20的单端输出端子87和88同样用作激光器驱动电路20的输出端子，并在下文中一起被称为第一输出端口87/88或第一差分输出端口87/88。输出端子87连接到激光器90的正极端子并因此在下文中也被称为电路20的正输出端子，而输出端子88连接到激光器90的负极端子并因此在下文中也被称为电路20的负输出端子。在所示的实施例中，激光器驱动器21被具体化成集成电路(IC)芯片；在其它实施例中，其可被实施成电路板。

[31]运行中，一个或多个以补偿式的(complimentary)单端信号Chip_inp和Chip_inm形式的数据脉冲通过驱动器21的输入端子15和10被送到激光驱动器21，在那里它们首先被前置放大器30前置放大，然后分别以具有正和负的单端成分inp和inm的差分信号S_in＝{inp，inm}的形式传到脉冲整形电路20；该信号S_in在下文中也被称为输入(差分)电脉冲信号。脉冲整形电路20整形并可选地放大输入脉冲信号S_in以在第一输出端口87/88产生差分电脉冲信号S_out＝{Chip_inp，Chip_inm}，结果，电流脉冲I_L响应通过输入端子15，10送入激光器驱动器21的输入数据脉冲而流过激光器90。下文中，响应输入差分脉冲信号S_in而通过输出端子87，88流过激光器90的脉冲电流I_L也被称作输出电脉冲信号。

[32]差分信号成分inp和inm表示正或直接，以及负或反向单端脉冲电信号，它们一起形成被提供给脉冲整形电路20的输入差分脉冲信号{inp，inm}。通常，这些信号可包括电压成分V_inp与V_inm，和电流成分I_inp与I_inm。该电压成分是图2中示意性所示的脉冲电压信号，其中曲线104表示包括“正”电压脉冲114的“正”电压脉冲信号V_inp的时间部分，而曲线106表示包括“负”或反向电压脉冲116的“负”电压脉冲信号V_inm相应一致的时间部分。电压脉冲114和116由差分数据脉冲信号{Chip_inp，Chip_inm}的放大产生，例如，其可以通过利用本领域技术人员熟知的数模转换器(DACs)而数字地产生。电压脉冲114和116一起形成差分电压脉冲{114，116}；差分电压脉冲{114，116}具有前沿105和后沿115，所述前沿105和后沿115也可分别称作断开-接通和接通-断开转换。差分输入电脉冲信号{inp，inm}通常包括一系列差分输入电压脉冲{114，116}，和一系列与它们相对应的交替的接通-断开和断开-接通转换。

[33]注意，在断开-接通转换期间，例如V_inp104的“正”单端信号的电压成分随着时间而增加，而例如V_inm106的“负”单端信号的电压成分随着时间而减少。相似地，在接通-断开转换期间，例如V_inp104的“正”单端信号的电压成分减少，而例如V_inm106的“负”单端信号的电压成分上升。在这里所描述的实施例中，断开-接通转换可对应于接通激光器90，而接通-断开转换可对应于断开激光器90。在彼此反相变化的差分信号的单端成分在这里被称为是补偿式的，例如图2中的信号114和116。

[34]在本说明书的范围中，术语“正”和“负”当被用于差分信号的单端成分时，并不意味着在任意给定的时间点存在所述信号之间的固定的正负关系，或者存在单个参考信号，使其相应为正或为负。这里的术语“正”当被用于差分信号的单端成分时，意味着相应的信号对于激光器90的正极端子是可追踪的，而当术语“负”被用于差分信号的单端成分时，意味着相应的信号对于激光器90的负极端子是可追踪的。由于这里所描述的实施例中的激光器90是差分驱动的，所以本说明书中描述的差分信号的共模成分就相对没有所述差分信号的单端电压成分之间的差值那么重要，所述差值例如电压差(V_inp-V_inm)。

[35]返回图1，脉冲整形电路20包括形成脉冲传送电路的两个差分放大器60和70的级联，其连接在电路20的输入端口50/55和输出端口87/88之间，用于放大输入电脉冲信号S_in，并用于在输出差分放大器70的输出端子72，73形成放大的差分电脉冲信号S_{in_amp}，以便当激光器90耦合到IC21的差分输出端口87/88时，利用脉冲电流信号I_L驱动该激光器。

[36]脉冲整形电路20还包括可调峰化产生电路(APGC)40，其与放大器60和70并联，以根据输入差分脉冲信号{inp，inm}产生具有可调宽度和高度的负-峰化脉冲，所述负-峰化脉冲在下文中也被称为第一可调瞬时脉冲信号。APGC40具有耦合到脉冲整形电路20的第一输入端口50/55上的差分输入320/310，和耦合到第一输出端口87/88的负端子88上的单端输出85，用于将放大器70的输出端子73的放大的电脉冲信号S_{in_amp}和来自APGC40的第一可调瞬时脉冲信号结合，以便在通过输出端子87和88被电路20送到激光器90的输出脉冲信号IL的后沿提供负可调的峰化。

[37]通常与APGC40相同而具有相反输入极性的可选的APGC40’具有连接到第一输出端口87/88的正端子87的单端输出80，以便在输出脉冲信号的前沿添加正峰化脉冲，所述前沿对应于输入脉冲信号S_in的前沿105。由APGC40’产生的正峰化脉冲在下文中也将被称为第二可调瞬时脉冲信号。

[38]APGC40和40’包括本发明的特征，并且下面将利用APGC40作为例子来充分描述，以使得本领域技术人员可以再现和实践本发明。

[39]运行中，APGC40和40’根据放大器70的脉冲输出，通过叠加第一和第二高度和宽度可调的瞬时脉冲信号整形驱动负载90的输出脉冲信号I_L。这将在图3A-3D中说明，图3A-3D示出了通过具有或不具有APGC40，40’的激光器驱动器21产生的输出信号I_L的一个电流脉冲。图3A示出了在没有本发明的APGC40和40’时，响应输入差分电脉冲{114，116}而通过电路20流过负载90的输出电流脉冲200。该输出电流脉冲200具有对应于输入电脉冲{114，116}的前沿105的前沿201，和对应于输入电脉冲{114，116}的后沿115的后沿202；前脉冲沿201和后脉冲沿202在下文中也分别被称为输出电脉冲200的断开-接通转换和接通-断开转换。图3B示出了由具有APGC40而不具有APGC40’的IC21产生的通过负载90的输出电流脉冲220，其中在电流脉冲200的后沿202将APGC40产生的负峰化脉冲叠加在该电流脉冲200上，从而产生用于参与激光器90的断开转换的负过冲。图3C示出了由具有APGC40’而不具有APGC40的IC21产生的通过负载90的输出电流脉冲210，其中在电流脉冲200的前沿将APGC40’产生的正峰化脉冲叠加在该电流脉冲200上，从而产生用于参与激光器90的接通转换的正过冲。图3D示出了由具有APGC40’和APGC40的IC21产生的通过负载90的输出电流脉冲230，其中分别将APGC40’和APGC40产生的正峰化和负峰化脉冲叠加在电流脉冲200上，用于参与激光器90的接通和断开转换。

[40]现在将参考附图4-8描述根据本发明示意性实施例的APGC40的主要结构元件和功能。

[41]根据本发明，APGC40包括下面两个串联连接的组成电路：产生具有可调电压偏移的第一瞬时脉冲信号的瞬时脉冲产生电路，和耦合到该第一瞬时脉冲产生电路的第一差分放大电路，该第一差分放大电路用于根据该可调偏移电压放大第一瞬时脉冲信号的可调部分，以形成可调瞬时脉冲信号，并提供该可调瞬时脉冲信号到第一输出端口87/88。在图1所示的示意性实施例中，两个组成电路中的第一个由电路块115表示，而所示的两个组成电路中的第二个包括电路块130和140，所述电路块130和140分别完成可调瞬时脉冲信号的宽度调节功能和高度调节功能。下面将参考附图4和图7描述，每个电路130，140都包括差分晶体管对，一起形成具有可变增益的第二级的两级放大器。在具有较低输出电流要求的可替换实施例中，脉冲宽度调整功能和高度调整功能都可以利用如下面将描述的单个差分晶体管对来完成。

[42]现在转到图4，瞬时脉冲产生电路115包括差分RC电路形式的高通滤波器110，和第一可调偏移电路120。该高通滤波器110在下文中也被称为第一高通滤波电路，其由两个电容器330，340和偏移电阻器350构成。运行中，来自放大器30的输出的正和负的电脉冲信号被分别耦合进入该高通滤波器110的输入端口310和320，该高通滤波器110有效地差分该正和负的电脉冲信号的电压成分V_inp和V_inm，并分别在节点311和321产生单端信号filtp和filtm，形成具有电压成分V_filtp和V_filtrm的第一差分瞬时脉冲信号{filtp，filtm}。图5示出了与正输入电压脉冲信号V_inp310相关的单端电压信号V_filtp401和V_filtm402；该正信号inp包括具有前沿303和后沿304的输入电压脉冲300，所述电压脉冲300响应图2中所示的输入脉冲信号{114，116}而在高通电路110的正输入端310处形成。高通RC电路110差分电压信号V_inp和V_inm，分别由此产生用于后脉冲沿304的第一负瞬时电压脉冲404和同时在那里产生第一正瞬时电压脉冲405，以及产生用于前脉冲沿303的第二正瞬时电压脉冲403和同时在那里产生第二负瞬时电压脉冲406。

[43]在优选实施例中，电压成分V_inm和V_inp如图2中所示为补偿式，即脉冲信号inm的电压成分可表示为脉冲信号inp的电压成分的倒转，即V_inm＝-V_inp+恒定偏移，因此信号filtp和filtm中的一个也可以表示为另一个的倒转。然而，这种补偿式的关系对于实现本发明不是必要的条件；本领域技术人员在读完本说明书之后就能意识到，如果第一负瞬时电压脉冲404和第一正瞬时电压脉冲405是大致同时的，即大致时间重叠的就足够了。作为例子，对于后面的放大电路130和140(图7)的双极晶体管技术，电压成分V_inp可具有在100到300mV范围内的幅度。

[44]注意，在本说明书上下文中使用的词语“正瞬时(电压)脉冲”是指延伸到稳态电压水平之上的电压脉冲，并对应于输入单端电脉冲信号的上升沿。相似地，这里所用的词语“负瞬时(电压)脉冲”是指延伸到稳态电压水平之下的电压脉冲，并对应于输入单端电脉冲信号的下降沿。在本实施例中，这些正和负瞬时脉冲信号是通过差分相对较宽的输入脉冲产生的，例如，所述相对较宽的输入脉冲是脉冲信号inp的电压脉冲300；如图5所示，它们在时域中具有大致为三角形的形状，其宽度在趋向脉冲的中间时间部分时逐渐变小，并且它们在这里也被称为峰化脉冲。

[45]返回图4，第一可调偏移电路120包括与差分RC电路110共用的偏移电阻350，连接在高通RC电路110的“正”节点311和IC芯片21的电源端子240之间的偏置电阻210，以及连接在高通RC电路110的“负”节点321和接地节点410之间用于产生可调偏移电流I_offset的第一可调电流源230。顺序连接在两个常压节点240，410之间的电阻210，350和第一可调电流源230构成在节点311和321之间提供可调dc电压偏移V_offest的电压偏置网络，因此在电压脉冲信号V_filtp和V_filtm之间：

[46]V_offset＝I_offest·R_ffest，

[47]该与偏移电流I_offest成比例的可调电压偏移由图6A和6B中的箭头610和650示意性地示出。

[48]作为例子，电阻210和350可分别具有200和1000欧姆的标称电阻，电容330，340可具有1pF的标称电容，而电流I_offest在0到1.0mA之间可调。

[49]在所示的实施例中，第一可调偏移电路120也包括连接在IC接地节点410和RC电路110的正输出节点311之间的可选可调电流源220，用于产生补偿式的电流I_compliment。有利地，该可选可调电流源220在下文中也被称为向前可调电流源，并能在晶体管370的基极372维持合适的dc偏置电压V_filtp dc。

[50]V_filtp dc＝V_vdda-(I_offset+I_compliment)·R_bias，

[51]其中V_vdda是节点240处的电源电压，(I_offset+I_compliment)＝I_total，这里I_total是选来为在晶体管370的基极372获得合适的dc偏置电压V_filtp dc的恒定电流。

[52]晶体管370是瞬时脉冲宽度调整电路130的元件，该瞬时脉冲宽度调整电路130包含有由两个在公共发射极连接的配置有公共发射极节点322的npn晶体管370，380构成的第一差分晶体管对，和在该晶体管370，380的耦合到电压源节点240的集电极电路中的电阻430、440。瞬时脉冲宽度调整块130在下文中也被称为第一差分放大电路130，也包括产生电流I_diff的电流源420，其连接在晶体管370，380的公共发射极节点322和接地节点410之间。在所示的实施例中，电阻430和40具有相同的标称电阻Rc。晶体管370和380的基极端子372，382构成第一差分晶体管对130的差分输入，并分别连接到RC滤波电路110的输出节点311和321，以便于在运行中信号filtp和filtm控制各自晶体管的基极电势，用以根据第一瞬时脉冲的极性交替地转换由晶体管370和380之间的所述第二电流源420产生的电流I_diff流过那里，如下文中所说明。在晶体管380和370的集电极电路中的节点383和373处分别产生的电信号outp和outm构成第一差分晶体管对130的差分输出信号{outp，outm}，该差分输出信号{outp，outm}通过输出节点360和450传到图7中所示的高度调整块140。在其它实施例中，对放大电路130进行适当改变，则晶体管370和380可以是双极pnp晶体管，或场效应晶体管，这对于本领域技术人员是显而易见的。作为例子，一起选择电阻430，440的电阻值R_c和电流I_diff以提供横穿所述电阻的大约200mV的压降，以便适当地驱动图7中所示的后面的放大级140。本领域技术人员将意识到，考虑到所述放大器上的寄生电容负载C，可以更优选地选择电阻430，440以便实现放大器130的预期的高速性能。特别地，选择电阻值R_c以维持“RC”的时间常数T_RC＝1/(R_c·C)适当地小，例如小于瞬时脉冲403，404的宽度，以便于不妨碍电路130所要求的高频性能。本领域技术人员也熟知，根据电路所要求的高频性能和I_diff确定的所要求的发射极电流范围来选择晶体管370和380。

[53]如上所述，连接电路块110和130，以使得包括第一负瞬时脉冲404和第二正瞬时脉冲403的信号filtp耦合到晶体管370的基极，而包括第一正瞬时脉冲405和第二负瞬时脉冲406的信号filtm耦合到晶体管380的基极。

[54]第一差分晶体管对130以这样一种方式操作，当在晶体管370的基极的电压V_filtp超过在晶体管380的基极的电压V_filtm时，即V_filtp＞V_filtm时，晶体管370关闭，且电流源420产生的大部分电流I_diff流过电阻440，所以输出信号outp，outm的电压成分V_outp，V_outm由关系式V_outp≈V_vdda，V_outm≈V_outp-α·I_diff·R_c确定，其中α是发射极-集电极输运因数，其通常略小于1。然而，当V_filtp＜V_filtm时，即晶体管370，380的基极电势之间的关系反转时，大部分电流I_diff流过第二集电极电阻430，得到V_outm≈V_vdda，V_outp≈V_outm-α·I_diff·R_c，其中为了清晰，假设晶体管370的发射极-集电极输运因数大致等于晶体管380的发射极-集电极输运因数。结果，电路130只放大第一差分瞬时脉冲信号{filtp，filtm}的一部分，其中“负”信号filtm的电压成分V_filtm超过“正”信号filtp的电压成分V_filtp，从而产生宽度可调的电压脉冲。

[55]转到图6A和6B，图6A和6B示出了对于两个不同电压偏移V_offset，信号filtp和filtm的电压成分V_filtp401和V_filtm402，以及在第一差分对130的输出端子450，360处的差分电压成分(V_outp-V_outm)601，可以看出来对于小于瞬时脉冲404和405的总量的正电压偏移，只在第一正和负的瞬时脉冲404和405的一部分满足关系V_filtp＜V_filtm，即只在小于瞬时脉冲404和405的宽度611的时间区间641a(图6A)或641b(图6B)的期间满足，所以输出信号对{outp，outm}的差分电压成分(V_outp-V_outm)包括例如宽度为641a的负脉冲640，其宽度通常短于第一正和负瞬时脉冲404和405的宽度611。这个负脉冲的宽度641a(641b)取决于信号filtp和filtm之间的电压偏移，并且它们之间以相反的关系而改变：dc电压偏移V_offset越大，脉冲640越窄。作为例子，如果信号filtp和filtm之间的dc电压偏移相对于瞬时峰404，405的幅度有如图6A中的偏移610那么大，那么瞬时峰404和405只有在时间区间641a内的一小时间部分被差分放大器130放大，结果产生具有宽度641a的窄脉冲。相反地，如果电压偏移有如图6B所示的偏移650那么小，那么在放大器130的输出产生的脉冲680具有几乎是第一正和负瞬时脉冲404，405的宽度611那么大的宽度641b。换句话说，第一差分晶体管对130放大第一差分脉冲信号{filtp，filtm}的第一部分，所述第一部分具有以V_filtp＞V_filtm为特征的第一极性，例如图6A中的时间区间641a内的部分，而基本上阻止第一差分脉冲信号的第二部分，所述第二部分具有以V_filtp＜V_filtm为特征的第二极性，例如图6A中的时间区间641a之外的部分，以便形成宽度可调的电压脉冲640。

[56]因此，第一差分晶体管对130产生差分电压脉冲640，其具有根据电压偏移V_offset而变的宽度；这个脉冲在下文中也被称为宽度可调电压脉冲640，或简单地称为宽度可调电压脉冲。

[57]由于电压偏移V_offset取决于第一可调电流源230产生的偏移电流I_offset，所以电压脉冲640的宽度是通过调节偏移电流I_offset而可调的。在优选实施例中，第一可调电流源230和可选的第二可调电流源220被实施成通过外部数字界面控制的电流数模转换器(DAC)，但是也可以利用任何可控的电流源来实施。

[58]在优选实施例中，当改变电流I_offset来调节电压脉冲640的宽度时，同时以相同的量调节电流I_compliment以保证流过电阻210的总电流I_total保持恒定，I_total＝I_offset+I_compliment，从而控制晶体管370的基极的dc电压为在晶体管370的最佳运行范围内的近似恒定值。

[59]利用DAC230和220的数字控制，这种工作可以容易地完成，例如反转控制I_offset DAC230的数字总线(未示出)来控制I_compliment DAC220。表1是说明单个外部数字控制信号(第一列)是如何被用来同时控制DAC230(第二列)和DAC220(第三列)，以使得总电流I_total(第四列)保持恒定并等于DAC中的最大电流的。仅为了说明的目的，表1中的DAC220和230假设是2-位DAC。

表1

控制位格式：二进制(十进制)
				外部	IoffsetDAC	IcomplimentDAC	Itotal
00(0)	00(0)	11(3)	3
				01(1)	01(1)	10(2)	3
10(2)	10(2)	01(1)	3
				11(3)	11(3)	00(0)	3

[60]作为例子，在电路20的电路板实施例中，电流源220，230，420和760可利用从玛克西姆集成产品公司(Maxim Integrated Products，Inc)获得的商用的型号MAX5548的8-位电流DAC来实施。在电路20的IC实施例中，电流源220，230，420和760可利用电流镜和数字开关来实施，这是本领域技术人员熟知的。

[61]现在转到图7，包含宽度可调电压脉冲640的差分信号{outp，outm}通过脉冲高度调整电路140的输入端子710和720耦合进入该脉冲高度调整电路140，所述输入端子710和720耦合到第一差分晶体管对130的输出端子450和360，并一起构成电路140的差分输入。脉冲高度调整电路140利用第二差分晶体管对来实施，该第二差分晶体管对包括构成可变增益放大级的共耦合的晶体管730和740。更特别地，在所述的实施例中，电路140是单端电流引导放大器，其基于一对连接成公共发射极配置的npn晶体管730，740。晶体管730和740的基极端子731和741耦合到电路140的差分输入端口710/720，以便通过信号outp和outm的电压成分V_outp和V_outm确定晶体管730和740的基极电压，所述信号从而也控制晶体管730和740的发射极-集电极传导率。第三可调电流源760连接在接地节点410和晶体管730，740的公共发射极节点711之间以提供可调电流I_load到晶体管730，740的发射极接头732，742。晶体管730的集电极接头733通过电阻750耦合到电源节点240，而晶体管740的集电极接头743直接耦合到APGC40的单端输出接头85以提供瞬时电流脉冲到负载90。

[62]类似于上述差分放大器130中的晶体管370和380的集电极电流，电流引导放大器140中的晶体管730和740的集电极电流受两个因素控制：晶体管基极电压V_outp与V_outm之间的相对关系，和第三可调电流源760产生的公共发射极电流I_load的幅度。当V_outp高于V_outm时，晶体管730接通而晶体管740断开。在这种情况下，电流I_load转向流过晶体管730，而基本上没有电流通过晶体管740流到朝向负载90的输出端口85。

[63]参考图8，其示出了在单端输出端口85响应第二差分对140的输入端子710，720的差分电压(V_outp-V_outm)601产生的峰化电流信号801，只有当V_outp降低到V_outm以下时，即只有在宽度可调瞬时电压脉冲640在输入端子710，720形成的时间区间期间内，将电流I_load的任何有效部分传送到负载90。因此，可变增益放大级140通过其输出端口85产生电流脉冲810，该电流脉冲810具有由宽度可调电压脉冲640的宽度641确定的宽度和可调电流源760控制的幅度αI_load～I_load。这一负可调电流脉冲810对应于电路110接收的脉冲信号{inp，inm}的后沿304，即对应于输入信号中的接通-断开转换，并且在下文中也被称为第一可调瞬时脉冲。为了说明通过控制第三可调电流源760的来调节可调瞬时脉冲810的高度，图8示意性地示出了所述第一可调瞬时脉冲信号810的标记为参考标号“810”，“810a”和“810b”的三个实例，它们分别是由调节第三电流源760，以提供等于I_load，2·I_load，3·I_load的dc电流而产生的。第三可调电流源760优选地实施成外部数字信号控制的DAC，但是，也可以是任何合适的由内部或外部控制的电流源。

[64]作为例子，电阻750具有与差分放大器70的输出电阻匹配的标称电阻值，通常是50欧姆，并且可调电流源760提供的电流I_load是在0到20mA范围内可变的，以提供用于宽度5到20ps范围的输出瞬时脉冲的可达20mA的峰输出电流；选择或制造晶体管730和740使得它们的高频性能适于提供短输出瞬时脉冲，并支持在它们发射极-集电极电路中的20mA峰化电流的产生。

[65]APGC40的单端输出85连接到输出放大器70的负输出节点73，其又连接到负载90，如图1中所示；从而放大器70产生的放大的电脉冲信号200(图3A，3B)和第一宽度和高度可调的瞬时脉冲信号810相结合，以便构成图3B中所示的输出电脉冲信号220。放大器70的输出阻抗和负载90提供必要的终端到第一APGC40的单端输出85，在一实施例中，所述放大器70的输出阻抗由放大器70的输出集电极电路中的电阻决定。当负载90可以认为是纯电阻时，电路21产生的输出电脉冲可被描述成电流脉冲或电压脉冲。

[66]需要注意的是，务必要保证与放大器60和70相关的电时间延迟和与APGC40相关的电时间延迟基本相等，以使得高度和宽度可调的瞬时脉冲810与放大器70输出的放大了的电脉冲200的接通-断开转换202相一致。

[67]如前面参考图1所描述的，在所示的实施例中，在两个分离的放大级130，140中完成第一瞬时脉冲信号810的宽度和高度调整，所述两个分离的放大级130，140在这里一起被称为第一差分放大电路130，140。在其它实施例中，例如，当需要的输出电流脉冲的幅度相对小，例如不超过几mA时，可以利用配置成构成如图7中所示的单端电流引导放大器的单个差分晶体管对来完成这些功能，即峰化脉冲810的宽度和高度的调整。在这些实施例中，可以除去恒定增益的差分电路130，以便将高通滤波电路110的输出节点311，321直接耦合到可变增益放大电路140的差分输入710/720，在这种情况下，可变增益放大电路140独自构成接收具有可调电压偏移的第一差分瞬时信号{filtp，filtm}，并输出具有独立可调宽度和高度的第一负瞬时脉冲信号810的第一差分放大电路。等效地，可以除去第二差分放大级140，而第一差分晶体管对130可被重新配置以构成图7中所示的具有单端输出的可变增益电流引导放大器，例如通过使第二电流源420可变以提供可变电流，并除去相应的集电极电阻以从电源节点240分离端子360和450中的一个，以直接将所述端子耦合到单端输出端口85。

[68]在本发明的一些实施例中，可选APGC40’与APGC40一起包括在本发明的IC芯片20内，形成输出电脉冲200的断开-接通转换201处的第二脉冲和宽度可调的瞬时脉冲信号，以便形成在其接通-断开和断开-接通转换处都具有独立可调的峰化的输出脉冲信号230。在优选实施例中，APGC40’包括第二高通滤波电路，第二可变偏移电路，以及具有差分输入和单端输出80的第二可变增益差分放大器，所述第二高通滤波电路、第二可变偏移电路和第二可变增益差分放大器没有被示出并且它们分别与上述一级实施例中的第一高通滤波电路110、第一可变偏移电路120和例如两级放大器130、140的第一差分放大器相同。然而，相对于APGC40的输入极性，APGC40’的输入极性是反向的，所述输入极性利用“inm”和“inp”标记示意性地表示在图1中的APGC40’的输入端子。返回图6A和6B，这种极性反向将导致信号filtp401和filtm402相对于垂直电压轴的相对位置的反转，以致于此时瞬时峰404和405在脉冲300的后沿发散，而瞬时峰403和406在输入脉冲300的前沿303会聚并在电压域内部分重叠，转换瞬时脉冲{403，406}的时间区间的部分区间内的差分脉冲信号{filtp，filtm}的极性，所述极性由电压差(V_filtp-V_filtm)的符号定义。这种在输入脉冲的前沿303期间转换差分信号{filtp，filtm}的极性将导致通过其余的APGC40’电路由输入电脉冲信号的前沿形成第二可调瞬时脉冲信号，相对于上述通过APGC40形成第一脉冲和宽度可调的瞬时脉冲信号810，在输出脉冲200的前沿201提供正峰化脉冲。注意，相同的APGC电路40和40’具有反向的输入极性将在它们的输出产生相同极性的峰化电流脉冲，而产生于不同的时间，即对应于输入电脉冲信号的后沿和前沿；连接电路40和40’的输出端口到激光器90的相反的极性端子，将在通过激光器90的输出脉冲沿中的一个产生负峰化，和在输出电流脉冲沿的另一个产生正峰化。

[69]本发明可使一个印刷电路板或IC芯片21驱动许多不同种类的输出装置，例如激光器或发光二极管。特别地，工作在850nm波长范围内的半导体激光器具有与工作在1310nm或1550nm波长范围内的半导体激光器不同的上升和下降特性，因此对于相同的瞬时脉冲宽度需要不同的瞬时电流脉冲幅度。另一方面，工作在例如1Gb/s数据脉冲频率的直接调制半导体激光器可能比工作在4Gb/s脉冲频率的具有相同脉冲幅度的激光器需要更宽的瞬时电流脉冲。同样，由于通常切断激光比接通激光容易，所以一些类型的激光器可能在数据脉冲的上升沿比在数据脉冲的下降沿需要更高的瞬时脉冲幅度。

[70]当然，在不脱离本发明的精神和范围内可以想象出许多其它的实施例。

Claims (19)

1、一种脉冲整形电路，包括；

接收具有前沿和后沿的输入电脉冲信号的第一输入端口；

响应所述输入电脉冲信号而提供输出电脉冲信号到负载的第一输出端口，所述输出电脉冲信号具有分别对应于所述输入电脉冲信号的前沿和后沿的前沿和后沿；

电耦合在所述第一输入端口和第一输出端口之间的第一可调峰化产生电路，所述第一可调峰化产生电路包括：

根据所述输入电脉冲信号的前沿或后沿中的一个，产生第一瞬时脉冲信号的第一高通滤波电路；

耦合到所述第一高通滤波电路以添加可调的电压偏移到所述第一瞬时脉冲信号的第一可调偏移电路；以及

耦合到所述第一高通滤波电路的第一差分放大电路，所述第一差分放大电路根据所述可调电压偏移放大所述第一瞬时脉冲信号的可调部分以形成可调的瞬时脉冲信号，并提供所述可调的瞬时脉冲信号到所述第一输出端口；

其中所述可调的瞬时脉冲信号具有通过改变所述可调电压偏移而可调的宽度，并且在运行中，所述可调的瞬时脉冲信号在所述输出电脉冲信号的前沿或后沿中的一个处提供可调的峰化。

2、根据权利要求1所述的脉冲整形电路，其中所述第一差分放大器只放大所述第一瞬时脉冲信号的超过阈值电压的部分，其中所述部分是通过改变所述可调电压偏移而宽度可调的。

3、根据权利要求1所述的脉冲整形电路，其中所述输入和输出端口是差分的，并且其中所述输入电脉冲信号包含两个单端脉冲信号。

4、根据权利要求3所述的脉冲整形电路，还包括电耦合在所述第一输入端口和输出端口之间，并与所述第一可调峰化产生电路并联连接的脉冲传送电路，并包括放大所述输入电脉冲信号的一个或多个差分放大器。

5、根据权利要求3所述的脉冲整形电路，其中所述输出端口包括负和正的端子，并且其中所述第一可调峰化产生电路具有差分输入和单端输出，所述差分输入电耦合到所述第一输入端口，所述单端输出电耦合到所述第一输出端口的正和负端子中的一个处，以在所述输出脉冲信号的前沿和后沿中的一个处提供正或负的可调峰化。

6、根据权利要求5所述的脉冲整形电路，还包括第二可调瞬时峰产生电路，所述第二可调瞬时峰产生电路具有差分输入和单端输出，所述差分输入耦合到所述第一输入端口，所述单端输出电耦合到所述第一输出端口的正和负端子中的另一个处，以在所述输出脉冲信号的前沿和后沿中的另一个处提供独立可调的峰化。

7、根据权利要求5所述的脉冲整形电路，其中：

所述第一瞬时脉冲信号是包括两个补偿式单端瞬时脉冲信号的差分信号，以及

所述第一高通滤波电路包括电耦合在两个电容之间的偏移电阻，以便形成差分RC电路，用于根据所述输入电脉冲信号的前沿和后沿中的一个，在所述偏移电阻的末端处产生两个补偿式单端瞬时脉冲。

8、根据权利要求7所述的脉冲整形电路，其中所述第一可调偏移电路包括第一可调电流源，所述第一可调电流源通过所述偏移电阻提供可调偏移电流，以添加可调电压偏移到所述第一瞬时脉冲，来改变所述第一瞬时脉冲信号的一部分的极性。

9、根据权利要求7所述的脉冲整形电路，其中所述第一可调电流源包括通过数字控制信号来调节偏移电流的电流DAC。

10、根据权利要求7所述的脉冲整形电路，其中所述第一差分放大电路包括：

第一差分晶体管对，所述第一差分晶体管对具有耦合到所述偏移电阻的末端以接收所述第一瞬时脉冲信号的差分输入端，其中所述第一差分晶体管对共同耦合到第二电流源，以根据所述第一瞬时脉冲的极性交替地转换所述第一差分晶体管对的晶体管之间的第二电流源产生的电流从那儿流过。

11、根据权利要求10所述的脉冲整形电路，其中所述第一瞬时脉冲的极性对于所述脉冲持续时间的一小部分是反转的，所述一小部分是通过调节所述电压偏移而可调的，并且其中所述第一差分放大电路用于放大所述第一瞬时脉冲信号的所述一小部分，并基本上阻止所述第一瞬时脉冲信号的其余部分，以控制所述第一可调瞬时脉冲信号的宽度。

12、根据权利要求11所述的脉冲整形电路，其中所述第二电流源是可调的以控制所述第一可调瞬时脉冲的高度。

13、根据权利要求12所述的脉冲整形电路，其中所述第二可调电流源包括数字控制的电流DAC。

14、根据权利要求11所述的脉冲整形电路，其中：

所述第一差分晶体管对具有差分输出，以及

所述第一差分放大器包括第二差分晶体管对，所述第二差分晶体管对具有差分输入和单端输出，所述差分输入耦合到所述第一差分晶体管对的差分输出，所述单端输出构成所述第一可调峰化产生电路的单端输出。

15、根据权利要求14所述的脉冲整形电路，其中所述第二差分晶体管对共同连接到第三电流源，以响应用于形成所述第一可调瞬时脉冲信号的从所述第一差分晶体管对的差分输出接收的信号，而引导所述第三电流源产生的电流到所述第一可调峰化产生电路的单端输出。

16、根据权利要求15所述的脉冲整形电路，其中所述第三电流源是可调的，以控制所述第一可调瞬时脉冲的高度，从而在所述输出脉冲信号的前沿或后沿中的一个处提供高度可调的峰化。

17、根据权利要求15所述的脉冲整形电路，其中所述第三可调的电流源包括数字控制的电流DAC。

18、根据权利要求10所述的脉冲整形电路，还包括电源电压节点和接地节点，

其中所述第一差分晶体管对包括共同连接的第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管具有电耦合到所述偏移电阻的端子的第一和第二基极电极，

还包括连接在所述电源电压节点和接地节点之间的偏置电路，和包括与第四可调电流源串联连接的偏置电阻以提供通过所述偏置电阻的补偿式电流，

所述偏置电路耦合到所述第一基极电极，以便当所述可调电压偏移改变时在其上维持预置的偏置电压。

19、根据权利要求18所述的脉冲整形电路，其中所述第一和第四可调电流源分别包括第一和第二DAC，利用数字控制信号来控制所述第一和第二DAC，以便补偿式地调节所述偏移电流和补偿式电流，从而维持偏移电流和补偿式电流的总量为恒定值。

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