JP4255915B2 - １つの加重多入力可変利得増幅器 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、複数の利得増幅器、より詳細には、１つの広閾値範囲に亘って信号損失（ＬＯＳ）を検出できる複数の多入力利得増幅器に関する。

高速ディジタル通信システムにおいて、１つの通信システムの通信チャンネルを介して１つの受信回路へ送信される到来信号の損失を迅速に、信頼度高く判定できることは重要である。したがって、複数の受信機チップ・セットまたはチップは、データ・ストリームが存在するか否かを判定するために、しばしばディジタル・データ・ビット・ストリームまたはデータ・ストリームの到来信号の１つの信号レベルを監視し、データ・ストリームが存在するか否かを表示する１つの信号損失検出信号を提供するために適応した回路を備えている。しばしば、このＬＯＳ検出信号は、１つの適合監視プログラムを流し通信システムの動作を監視する１つのシステム・プロセッサまたはネットワーク制御器に転送され、１つの活性化ＬＯＳ検出信号に応じて複数の訂正段階を踏むように適応しうる。
なお、本出願に対応する外国の特許出願においては下記の文献が発見または提出されている。
米国特許第５５０６５３７号明細書 米国特許第５４７５３２８号明細書

高速光データ・ネットワーク環境においては、１つの光ファイバから１つの光信号を受信するとき、１つのフォト・ダイオードが、光学的領域から電気的領域に信号を変換するために使われる。１つのトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）がフォト・ダイオードからの１つの電流を１つの電圧に変換するためにしばしば使われる。大抵のＴＩＳの典型的な出力電圧は１００ｍＶをかなり下回るので、信号を正常化し、クロックでき、１つのデータ回復ユニットで解釈できる１つのレベルに増幅するためには１つの制限増幅器が必要となる。多くの物理的媒体装置（ＰＭＤ）受信機チップ・セットは、通常、ＬＯＳ検出または警報機能を制限増幅器（ＬＩＡ）中で実行する。複数の客先仕様書は、５ｍＶの低い値から２００ｍＶの高い範囲までのＬＯＳの閾値を設定する必要がありうる。不幸にして、現在のＬＩＡは、この広範囲の入力範囲を満たすのに困難を有する。

例えば高速光通信システム中で使用される１つの制限増幅器（ＬＩＡ）は、信号損失（ＬＯＳ）警報を発生するために、１つの広範囲ユーザ・プログラマブル閾値に亘ってプログラムされうる１つの信号損失（ＬＯＳ）機能を含む。とりわけ、制限増幅器内のマルチ・サンプリング・ポイントを使用することができる。これらのサンプルは、加重利得で差動増幅でき、その上で、１つのＬＯＳ警報信号を発生するために組み合わされ、１つの閾値と比較される。

複数の制限増幅器（ＬＩＡＳ）は、１つの広帯域幅に亘って高利得を提供し、高データ・レートを有する複数の光ファイバ受信機中の１つのポスト増幅器としての使用に理想的である。ＬＩＡは、１つの光ファイバ・リンクの１つの典型的な光／電気変換部分のトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）に直接インタフェースする。１つのＴＩＡからの１つの信号出力の振幅は、時間に亘って変化することがあり、また一定量の雑音を含むこともある。ＬＩＡの１つの機能は、出力信号を量子化し、電圧制限のある１つの波形を出力することである。

図１を参照するに、１つの従来型のＬＯＳ検出スキームを有する１つの制限増幅器（ＬＩＡ）が示される。とりわけ、１つのＬＩＡ１００はＬＯＳ検出回路１０２を含む。このＬＩＡ１００は、直列に接続された一連の増幅器ステージ１０４１９を含む。この例では、九つの増幅器ステージが、Ａ１〜Ａ９のラベルを付けて示されている。動作中、１つのＴＩＡ１０６は、１つの電流信号Ｄ_ｉｎ ^＋およびＤ_ｉｎ ⁻（以後、単にＤ_ｉｎと呼ぶ）を出力する。これは、電気領域に変換される光領域中の１つのデータ・ストリームから出てくる１つの弱い電流信号である。この信号は、ＬＩＡ１００に入り、複数の増幅器ステージＡ１〜Ａ９によって増幅される。各増幅器ステージＡ１〜Ａ９の後、１つの電圧信号が、一定の利得で飽和が起こるまで出力されるが、飽和は電圧限度に到達した点である。バッファ１０８は、引き続いてこの信号をバッファリングし、その後、さらにクロックおよびデータ回復回路（示さず）によって処理されてもよい。

ＬＯＳ回路１０２は、１つのピーク検出器（ＰＤ）１１０、１つの増幅器１１２、および１つの比較器１１４を含む。従来の設計においては、ピーク検出器は、増幅器チェーン１０４中の一点をサンプルし、増幅器１１２および比較器１１４を含む１つの単純な論理ブロックが、ＬＯＳ警報信号１１６を発生する。もし、増幅１１２の後、ピーク検出器１１０に入る信号が１つの基準電圧閾値未満であれば、比較器１１４は１つの警報信号１１６を発生する。ＬＯＳ警報の感度は、特定のアプリケーションのそれぞれに対して、設定する必要がある。これは、比較器１１４の閾値を変える、またはＬＯＳ増幅器１１２の利得を変える、ＬＯＳ回路１０２中に位置する１つの単純な可変抵抗器１１８によって実現できる。二つの選択肢は、例えばもし範囲が５ｍＶから１０ｍＶまたは１００ｍＶから２００ｍＶならば有効であるが、１つの広い動的範囲に亘っては有効でない。

この広い動的範囲に亘る非有効性には、いくつかの理由がある。先ず、ピーク検出は非直線性であり、その結果、ピーク信号を正確に検出するには、十分大きな振幅が必要となる。もしピーク検出器１１０が信号を増幅器ステージ（示すように）の早期にサンプルすれば、その信号振幅は、不十分で正確には検出されない。この場合、ＬＯＳ閾値は、低い範囲中には設定できない。他方、もしピーク検出器１１０がチェーンの端の方で（例えば、Ａ７の後）サンプルすれば、ＬＯＳ回路１０２は、ＬＩＡ１００の制限特性のために大きな入力振幅変動を区別できない。すなわち、もしＬＯＳブロックが増幅器チェーン１０４の終で信号をサンプルすれば、飽和（すなわち、電圧限度）にすでに達しているので、１５０ｍＶと２００ｍＶ信号との間に差がなくなる。

本発明の一実施形態は、改善された光受信機性能をもたらす１つの装置への道を示し、アナログ信号損失（ＬＯＳ）警報を発生するための１つのユーザ・プログラマブル閾値を含む。

図２は、本発明の一実施形態による１つの信号損失（ＬＯＳ）機能を有する１つの制限増幅器（ＬＩＡ）を示す。上記のように、ＬＩＡ増幅器２００は、信号損失（ＬＯＳ）回路２０２を含む。ＬＩＡ２００は、１つの入力信号Ｄｉｎを漸次増幅するために直列に接続された一連の増幅器ステージ２０４_１〜２０４_９を含む。ここでは、九つの増幅器ステージ２０４_１〜９が示される。勿論これは、任意のステージ数が可能なことを示すだけの一例である。動作中、ＴＩＡ２０６は、Ｄｉｎ＋およびＤｉｎ−の１つの電流信号を出力する。これは、電気領域に変換される光領域中の１つのデータ・ストリームから生じた１つの弱い電流とすることができる。この信号は、ＬＩＡ２００に入り、そこで複数の増幅器ステージＡ１〜Ａ９によって増幅される。増幅器ステージＡ１〜Ａ９の後、一定の利得レベルを有する１つの電圧信号が、飽和が起きるまで出力されうる。飽和は、ＬＩＡ２００の電圧限度が達せられる点である。１つのバッファ２０８は、引き続いてその信号をバッファリングし、その後、それはさらにクロックおよび回復回路（示さず）によって処理される。

信号損失（ＬＯＳ）回路２０２は、加重多入力を含み、１つの広い閾値範囲を持つ信号損失を検出するための１つの効果的な方法を提供する。図２に示すように、ＬＯＳ回路２０２は、複数のピーク検出器（ＰＤ）２１０_１〜２１０_６を含み、それらは、それぞれ、増幅器チェーンＡ１〜Ａ６中の１つの異なる点をサンプルするために接続される。これらのサンプリング点もまた、複数の例であって、当業者は、他の複数の点も適していることを認識するであろう。例えば、検出点は、Ａ１、Ａ２、およびＡ３の後、またはＡ３を飛ばしてＡ１、Ａ２、Ａ４およびＡ５、または任意の組み合わせになりうる。加えて、ピーク検出器またはサンプリング点のいくつかは、所望のＬＯＳ閾値に依存する一定の複数のサンプリング点を効果的に加える１つの方法、または抹消する１つの方法を提供するために選択される（すなわち、スイッチ・オンまたはスイッチ・オフされる）。

ＰＤ２１０_１〜２１０_６のそれぞれは、１つの加重多入力増幅器２１２への１つの入力として働く。本発明の実施形態は、複数の異なるサンプリング点を含むので、ピーク検出器（ＰＤ）２１０のいくつかは、信号を信号パスのどこででもサンプルできる。図示するように、６個のＰＤ２１０が、この例の実施形態中で使われている。結果として、それらは振幅が検出するのに十分高いところで、かつＬＩＡ２００が飽和する前に信号をサンプルできる。例えば、二つの異なるＤｉｎ入力信号レベル、５ｍＶおよび２００ｍＶに対する二つのケースが下に示されている。両ケースにおいて、ＬＩＡ２００の制限電圧は、８００ｍＶであり、各増幅器ステージＡ１〜Ａ９の利得は２である。

最初のケースでは、入力信号は、比較的弱く（５ｍＶ）、したがって、飽和はＡ８後に起きる。すなわち、Ａ８後の各ステージは、８００ｍＶ信号を出力する。というのは、これが、ＬＩＡ８００の電圧限度であるからである。しかしながら、第２のケースにおいては、入力信号Ｄｉｎはより強く（２００ｍＶ）、飽和はＡ１後に起こる。したがって、入力信号（Ｄｉｎ）が小さいとき（例えば、５〜１０ｍＶ）、第６番目Ａ６または第７番目Ａ７ステージ後のサンプリング点が望ましい。しかしながら、もし入力信号が大きければ、１００〜２００ｍＶ、第１ステージＡ１または第２ステージＡ２後のサンプリング点が望ましい。というのは、ＬＩＡ２００は、その点の後に飽和するかもしれないからである。

図２に示す本発明の一実施形態は、各増幅ステージＡ１〜Ａ６後に取られた複数サンプリング点を含む。複数のピーク検出器２１０１〜２１０６は、これらの複数サンプリング点で使うことができ、その出力は、加重多入力、可変利得増幅器（ＷＭＩ−ＶＧＡ）２１２への複数入力となる。上記したように、増幅器２０４の出力ならびにＰＤ２１０の出力は、通常、１つの所与の入力に対して非線形である。ＷＭＩ−ＶＧＡ２１２は、増幅器２０４出力の１つのより広い範囲に亘ってサンプルするときに、この非線形性を補償するように設計されている。とりわけ、ＷＭＩ−ＶＧＡ２１２は、１つの対応するＰＤ２１０からの各入力につき１つの複数の差動増幅器２１４_１〜２１４_６を含む。差動増幅器２１４の性質は、他の増幅器ステージのおよびシステム中の非線形性を補償する傾向にある。個々の差動増幅器２１４_１〜２１４_６の利得は、早期の増幅器２０４に対応する入力信号に対するものにはより大きく、後期のステージ２０４に対応する信号に対するものにはより小さい。言い換えれば、１つの所与の範囲に対して、個々の差動増幅器２１４の利得は、そのサンプリング点における入力信号Ｄｉｎの利得に反比例する。容易に例示するために、図２中に示す利得値は正規化されている。図示するように、高位増幅器ステージＡ６に対応する差動増幅器２１４_６の利得は、唯一の１つの利得を有する可能性がある一方、増幅器２１４_４は２の１つの利得を有し、２１４_３は４の１つの利得を有し、２１４_３は８の１つの利得を有し、２１４_２は１６の１つの利得を有し、２１４_１は最低信号出力を持つ第１増幅器ステージＡ１に対応するので３２の１つの利得を有する。

差動増幅器２１４_１〜２１４_４のそれぞれの出力は、加算器２１７のように、組み合わされるか加算されうる。ＷＭＩ−ＶＧＡ２１２の合成出力は、ＬＩＡ２００増幅チェーン２０４_１〜９中の複数のサンプリング点からの加重信号強度情報を含む１つの電圧信号である。この出力信号は、次に１つの閾値電圧と比較器２１９によって比較されうる。もし組み合わせ信号が閾値電圧より低ければ、ＬＯＳ警報信号２２０はトリガする。多重サンプリング点を使うと、Ｄｉｎ入力信号の１つの広範囲に亘って、正確なＬＯＳ検出が可能になる。

差動増幅器２１４_１〜６の利得または加重は、ＬＯＳ警報２２０のための所望の閾値に応じてユーザにより同調するかプログラムするかできる。このことは、例えば、差動増幅器２１４１〜６の利得設定を内部的に制御するチップから離れて位置するかもしれない１つの可変抵抗器２１６によって実現できる。差動増幅器の利得を変化させることにより、ユーザにＬＯＳ２０２の所望の閾値電圧をプログラムする１つの方法を提供できる。例えば、ユーザに所望のＬＯＳ閾値電圧のための適正な可変抵抗器設定を指示するのに、１つの表が提供されうる。

勿論、この表とその中にリストされた値は、１つの説明用に提供されているだけである。実際には、ユーザが選択できる１つの広い範囲の閾値電圧設定を提供するもっと多くの値が与えられうるし、複数の対応値もまた提供されうる。

本発明の複数の実施形態は、具体的に図示されているか、および／または本明細書に記述されている。しかしながら、理解されるように、本発明の修正および変更は、上述の教示と、添付の請求の範囲内により、本発明の精神と意図する範囲から逸脱することなく、網羅される。

従来の信号損失（ＬＯＳ）スキームを有する１つの制限増幅器である。 一実施形態おける、広範囲のユーザ・プログラマブルＬＯＳ閾値をもたらす加重多入力を利用する１つのＬＯＳ機能を有する１つの制限増幅器である。

Claims (20)

1. 信号損失（ＬＯＳ）検出回路であって、
   入力信号を漸次増幅すべく直列接続された複数の増幅器ステージを有する増幅器チェ−ンにおいて、前記複数の増幅器ステージの後に設けられた複数のサンプリング点の信号を検出する複数の検出器と、
   前記複数の検出器の複数の出力を増幅するための複数の差動増幅器と、
   前記複数の差動増幅器の出力を加算する１つの加算器と、
   前記加算器の出力を１つの閾値と比較し、前記加算器の前記出力が前記閾値より低ければＬＯＳ警報信号を出力する比較器と
   を備え、
   前記複数の差動増幅器のうち、直列接続された前記複数の増幅器ステージのより早期のものに対応する前記複数の差動増幅器がより高い利得を有し、
   前記複数の差動増幅器の前記利得のそれぞれが、前記複数の増幅器ステージの前記複数のサンプリング点における利得に逆比例する
   信号損失検出回路。
2. 前記検出器が複数のピーク検出器である、請求項１に記載の信号損失検出回路。
3. 前記差動増幅器のそれぞれの前記利得が可変である、請求項１または２に記載の信号損失検出回路。
4. 前記複数の差動増幅器の前記利得を変化させる１つの可変抵抗器を更に備える、請求項３に記載の信号損失検出回路。
5. 信号損失（ＬＯＳ）回路を有する制限増幅器（ＬＩＡ）であって、
   入力信号を漸次増幅すべく直列接続された複数の増幅器ステージと、
   前記複数の増幅器ステージの後に設けられた複数のサンプリング点と、
   前記複数のサンプリング点にそれぞれ接続された複数のピーク検出器と、
   前記複数のピーク検出器からの出力を受信すべく、前記複数のピーク検出器のそれぞれに接続された複数の差動増幅器と、
   前記複数の差動増幅器のそれぞれからの出力を１つの組み合わせ信号を出力すべく組み合わせる１つの回路と、
   前記組み合わせ信号が、１つの閾値より低ければ、ＬＯＳ警報信号を出力する比較器と
   を備え、
   前記複数の差動増幅器のうち、直列接続された前記複数の増幅器ステージのより早期のものに対応する前記複数の差動増幅器がより高い利得を有し、
   前記複数の差動増幅器の前記利得のそれぞれが、前記複数の増幅器ステージの前記複数のサンプリング点における利得に逆比例する
   制限増幅器。
6. ＬＯＳ閾値電圧をプログラムすべく、前記複数の差動増幅器の前記利得を変化させる手段を更に備える、請求項５に記載のＬＯＳ回路を有する制限増幅器。
7. 前記変化させる手段が可変抵抗器を含む、請求項６に記載のＬＯＳ回路を有する制限増幅器。
8. 前記複数の差動増幅器が前記複数のピーク検出器によって出力された複数の信号を線形化する、請求項５から７のいずれかに記載のＬＯＳ回路を有する制限増幅器。
9. 信号損失（ＬＯＳ）警報信号を発生させるための方法であって、
   入力信号を漸次増幅すべく直列接続された複数の増幅器ステージのそれぞれの後に設けられた複数のサンプリング点のそれぞれにおいて信号をサンプルする段階と、
   サンプルされた複数の信号を差動増幅する段階と
   前記差動増幅された複数の信号を、１つの組合された信号を発生させるべく組み合わせる段階と、
   前記組み合わされた信号が、１つの閾値より低ければ、ＬＯＳ警報信号を出力する段階と
   を備え、
   前記サンプルされた前記複数の信号のうち、前記直列接続された前記複数の増幅器ステージのより早期のものに対応する信号が、より高い利得で差動増幅され、
   当該複数の信号が差動増幅されるときの前記利得のそれぞれが、前記複数の増幅器ステージの前記複数のサンプリング点における利得に逆比例する
   方法。
10. 前記差動増幅された前記複数の信号の前記利得を変化させる段階を更に備える、請求項９に記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
11. 前記差動増幅された複数の信号の前記利得を変化させるための１つの可変抵抗器の値を変化させる段階を更に備える、請求項９に記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
12. 前記組み合わせる段階が、前記差動増幅された前記複数の信号を加算する段階を更に備える、請求項９から１１のいずれかに記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
13. 前記複数の増幅器ステージによって１つの電圧出力を制限する段階を更に備える、請求項９から１２のいずれかに記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
14. 複数のより弱い信号を１つのより大きな利得によって差動増幅する段階を更に備える、請求項１１に記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
15. 複数の前記可変抵抗器の値を複数のＬＯＳ閾値に関連づける１つの表を提供する段階を更に備える、請求項１１に記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
16. 前記複数のサンプリング点のいくつかを選択する段階を更に備える、請求項９から１５のいずれかに記載のＬＯＳ警報信号を発生させる方法。
17. 増幅器回路であって、
    複数のサンプル信号を受信する複数の入力と、
    前記複数の入力の１つにそれぞれが接続された複数の差動増幅器と、
    前記複数の差動増幅器のそれぞれからの１つの信号出力を１つの組み合わせ信号を発生させるべく加算する１つの加算器と、
    直列接続された複数の増幅器ステージの１つのチェーンを含む１つの制限増幅器回路であって、前記複数の増幅器ステージの中の２以上の増幅器ステージの後ろのサンプリング点で、前記複数のサンプル信号の各々をサンプリングする制限増幅器回路と
    前記複数のサンプリング点と前記複数の入力との間に位置する複数の検出器と、
    前記組み合わせ信号が１つの閾値より低ければ警報信号を出力する比較器と
    を備え、
    前記複数の差動増幅器のうち、直列接続された前記複数の増幅器ステージのより早期のものに対応する前記複数の差動増幅器がより高い利得を有し、
    前記複数の差動増幅器のそれぞれの利得が前記チェーンにおける複数の前記増幅器ステージ中のそれぞれの前記サンプリング点における利得に逆比例する
    増幅器回路。
18. 前記複数の入力が選択できる、請求項１７に記載の増幅器回路。
19. 前記複数の差動増幅器の前記利得が可変である、請求項１７または１８に記載の増幅器回路。
20. 前記複数の差動増幅器の前記利得を変化させる１つの可変抵抗器を更に備える、請求項１９に記載の増幅器回路。

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