KR101043954B1 - 감쇄기를 이용한 광수신기의 임계값 판별장치 - Google Patents

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Abstract

감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치가 개시된다. 본 발명의 일 면에 따른 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치는 광전류신호를 소정의 변환이득을 갖는 전압신호로 변환하는 전치증폭단과, 전치증폭단의 출력신호 크기를 절반으로 감쇄시키는 감쇄기를 포함하되, 전치증폭단의 출력신호와 비교할 임계값을 생성하는 임계값 생성부와, 전치증폭단의 출력신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 신호를 출력하는 비교부 및 출력버퍼단을 포함한다. 종래의 자동 임계값 조절장치 대신 간단한 구조의 감쇄기를 이용함으로써, 효율적인 광 수신기를 구현할 수 있다.
광 수신기, 자동 임계값 조절장치(ATC), 감쇄기

Description

감쇄기를 이용한 광수신기의 임계값 판별장치{APPARATUS FOR DISCRIMINATING OPTICAL RECEIVER THRESHOLD USING ATTENUATOR}
본 발명은 광 수신기의 임계값 판별장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치에 관한 것이다.
최근 HD급 오디오 인터페이스 시스템과 자동차 내의 네트워크 표준인 MOST(Media Oriented Systems Transport)에 대한 관심이 높아지면서, 플라스틱 광 파이버(Plastic Optical Fiber, POF)를 이용한 광 전송시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.
기존의 오디오 데이터의 전송매체였던 구리선은 수십 kb/s의 속도로 오디오 데이터를 전송하는 데는 문제가 없지만, 최근 대두되고 있는 DC ~ 수십 Mb/s의 속도를 갖는 HD급 오디오 데이터 전송에는 한계가 있다.
또한, 자동차 내의 네트워크도 종래의 CAN(Controller Area Network)으로 대표되는 수십 kb/s급의 데이터 전송에는 수십~수백 Mb/s(25Mb/s, 50Mb/s, 150Mb/s)급으로 발전되면서 기존의 전송매체였던 구리선을 광파이버를 이용한 광 전송시스템으로 대체하고 있는 추세이다.
이러한 광 전송시스템의 핵심부품인 광 수신기는 고속, 저전력이면서 동작 주파수가 넓어야 하는 요구사항이 있다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 자동 임계값 조절장치(Auto Threshold Control, ATC)와 비교기(Comparator)를 통해 간단한 구조의 광 수신기가 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래기술에 의한 광 수신기의 구성을 나타내는 개략도로서, 광 검출부(10), 전치증폭부(11), 자동 임계값 조절장치(ATC)(12) 및 제한증폭부(13)로 구성된다.
광 검출부(10)는 입력되는 광신호를 전류신호로 변환하고, 전치증폭부(11)는 광 검출기(10)에서 검출된 전류신호를 전압신호로 변환한다. 트랜스 임피던스 증폭기(Transimpedence amplifier: 이하 'TIA'라 함)(11)는 DC 커플링 되어 사용되며, 수신된 신호가 TIA(11)에서 증폭된 후 두 부분으로 나뉜다. 한 부분은 ATC(12)에 입력되어 수신된 패킷의 판별 임계값을 추출하게 되고, 다른 한 부분은 제한증폭기(13)에 DC 커플링 되어 입력된다. 또한, 패킷의 크기에 따라 자동으로 바뀌게 되는 판결 임계값은 제한 증폭기(13)의 Vref에 입력된다. 제한증폭기(13)는 입력된 서로 다른 크기의 신호를 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 복원한다.
도 2는 종래기술에 의한 또 다른 광 수신기의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, ACT부(40)는 전치 증폭부(30)의 리셋신호에 응답하여 컨버터 출력신호의 최고치 레벨을 검출하는 최고치 레벨 검출부(41), 상기 리셋신호에 응답하여 컨버터의 출력신호의 최저치 레벨을 검출하는 최저치 레벨 검출부(42), 최고치 및 최저치 레벨 검출부를 거친 신호의 전압을 분배하는 한 쌍의 저 항(R11,R12) 및 기준전압 신호를 발생하여 정보를 저장하는 저장 커패시터(Cp)로 구성된다. 이 때, 저항 R11,R12는 최고치 레벨 전압과 최저치 레벨 전압의 중간치 전압 즉, 기준전압(Vref)을 발생하도록 동일한 저항값을 갖는다.
최고치 레벨 검출부(41)와 최저치 레벨 검출부(42)는 각각 전치 증폭부(30)의 리셋신호에 응답하여 전치증폭부(30)로부터 출력된 신호의 최고치 및 최저치를 검출한다. 검출된 최고치 레벨 및 최저치 레벨은 저항 R1, R2를 지나면 중간치 전압을 발생하게 한다.
전술한 자동 임계값 조절장치(ATC)는 입력신호의 피크치를 감지하는 피크 검출회로(Peak Detector)를 이용하는데, 상기 피크 검출회로는 상기 자동 임계값 조절장치로 입력되는 신호의 가장 큰 값을 감지하는 최대 피크치 검출회로를 이용하여 신호의 최대값과 최소값을 검출해낸 후, 저항을 이용한 전압분배기를 통해 평균치(임계값)을 생성한다.
그러나, 자동 임계값 조절장치를 이용한 광 수신기는 그 정확도에 따라 광 전송시스템의 주요 성능지표인 펄스폭 왜곡현상(Pulse Width Distortion, PWD)을 일으키는 문제점이 있었다.
또한, 자동 임계값 조절장치를 이용한 광 수신기는 칩 면적이 증가하고, 소모전류가 큰 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 종래의 자동 임계값 조절장치 없이 비교기의 임계값을 판별함으로써, 광 수신기의 칩 면적과 소모전류를 줄일 수 있는 동시에 고속전송이 가능한 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇄기를 이용한 임계값 판별장치는 광전류신호를 전압신호로 변환하고, 트랜스 임피던스 이득에 따라 증폭시키는 전치증폭단과, 전치증폭단의 출력신호를 입력받아 출력신호의 크기를 절반으로 감쇄시키는 감쇄기를 포함하되, 전치증폭단의 출력신호와 비교할 임계값을 생성하는 임계값 생성부와, 전치증폭단의 출력신호와 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 신호를 출력하는 비교부 및 비교부로부터 출력되는 신호의 상승 및 하강 시간을 낮추어 주는 출력버퍼단을 포함한다.
상기 트랜스 임피던스 이득은 전치증폭단의 입력단자와 출력단자에 연결된 궤환저항에 의해 결정된다.
상기 임계값 판별장치는 광 수신기로 입력되는 광신호를 광전류신호로 변환시키는 광 검출기를 더 포함한다.
상기 광 검출기는 포토다이오드를 사용한다.
상기 임계값 생성부는 전치증폭단의 출력신호의 DC 레벨과 동일한 레벨을 유지한다.
상기 비교부는 전치증폭단과 임계값 생성부로부터 직렬 전송되는 데이터를 병렬화시키기 위한 기준 클록을 복원하는 클록 복원 회로를 포함한다.
상기 출력 버퍼단은 인버터 체인으로 구성된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 감쇄기를 이용하여 광 수신기의 임계값을 판별하므로 종래의 광 수신기와 동일한 성능을 가지면서도 간단한 구조로 효율적인 광 수신기를 구현할 수 있다.
또한, 종래의 자동 임계값 조절장치(ATC)를 사용하지 않기 때문에, 상대적으로 칩 면적 비율이 작고, 소모전류가 작은 효율적인 광 수신기를 구현할 수 있다.
또한, 전술한 광 수신기를 HD급 오디오 데이터 전송시스템 및 차량 내 네트워크 시스템에 적요함으로써 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한전되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "연결된(connected to)"이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광수신기의 임계값 판별장치는 임계값 생성부(100), 전치증폭단(200) 및 비교부(400)를 포함하며, 비교부(400) 후단에 연결된 출력버퍼(500)와 전치증폭단(200)의 입력단에 연결된 광 검출기(300)를 포함한다.
상기 광수신기는 임계값 생성부(100), 전치증폭단(200) 및 비교부(400)를 One-chip화 하며, 포토다이오드는 칩의 밖에서 구현되도록 한다.
광 검출기(300)는 광 신호를 전기신호로 변환하는 소자로서, 입력되는 광신호의 전력에 비례하는 전기신호(광전류, iPD)를 전치증폭단(200)으로 출력한다.
전치증폭단(200)은 광 검출기(300) 즉, 포토다이오드로부터 출력되는 광 전류(iPD)를 전압신호로 변환한다.
상기 변환된 전압신호는 소정의 변환이득을 가지는데, 일반적으로 고속의 광 수신부에서의 전치증폭단에서는 공통모드 잡음특성을 좋게 하기 위해 차동모드로 구현하는 것이 일반적이지만, DC~수십Mb/s 까지의 동작주파수 범위를 만족시키기 위해서는 차동모드로 구현이 불가능하다.
따라서, 싱글모드로 구성된 전치증폭기는 광 수신기의 앞 단에 위치하여 잡음특성이 우수해야 하며, 뒷 단에 오는 구성블록들의 잡음이 시스템에 미치는 영향을 최소화 하기 위해 일정한 수준 이상의 변환 이득을 가져야 한다.
본 발명에 따른 광 수신기에 있어서, 상기 변환이득이라 함은 트랜스 임피던스 이득을 의미한다. 트랜스 임피던스 증폭기(Transimpedence amplifier, TIA)의 이득으로 표현되며 이는 입력전류와 출력전압의 비율을 의미하며, 전치증폭단(200)의 입력단자와 출력단자에 연결된 궤환저항(Rf)에 의해 결정된다.
즉, 포토다이오드로부터 나오는 광전류(iPD)의 크기와 상기 트랜스 임피던스 증폭기의 출력부를 통해 나오는 출력전압의 비율만큼의 변환이득을 가진다. 따라서, 전치증폭단(200) 후단에 연결된 임계값 생성부(100)의 요구조건을 감소시켜주 는 역할을 한다.
일반적으로 플라스틱 광파이버를 이용한 광 수신기에서는 광 검출기(300)로서 포토다이오드를 사용한다. 시스템의 비용절감을 위해 값싼 포토다이오드를 이용하기 때문에, 상기 포토다이오드의 변환효율(responsity)이 매우 낮다. 고성능 포토다이오드는 변환효율이 0.5(A/W) 이상이지만, 플라스틱 광 케이블(Plastic Optical Fiber, POF)용 광 수신기의 포토다이오드는 낮게는 0.1(A/W) 수준의 변환효율을 갖는다. 즉, 매우 작은 전류가 전치증폭단(200)으로 입력되며, 잡음에 취약한 시스템이 된다. 따라서, 전치증폭단(200)은 요구되는 변환이득 조건을 만족하는 범위 내에서 가능한 적은 개수의 트랜지스터를 사용하는 구조로 설계된다.
전치증폭단(200)은 광 검출기(300) 즉, 포토다이오드로부터 출력되는 광 전류(iPD)를 전압신호로 변환하는 동시에 일정수준 이상의 변환이득을 갖는다.
임계값 생성부(100)는 뒷 단의 비교부(400)에서 전치증폭단(200)의 출력신호와 비교할 수 있는 소정의 임계값을 생성한다. 전치증폭단(200) 출력신호를 입력받아 전치증폭단(200) 출력의 DC 전압레벨을 정확하게 생성한다. 이와 같은 역할을 종래에는 자동 임계치 조절장치(ATC)가 수행하였으나, 본 발명에서는 감쇄기가 대신하게된다.
임계값 생성부(100)는 전치증폭단(200)과 같은 출력신호 위상을 가지는 동시에 감쇄기를 통해 입력된 전치증폭단(200)의 출력신호를 반으로 감쇄시킨다. 상기 감쇄기를 통과한 신호는 6dB 만큼 감쇄된 신호이며, 상기 감쇄된 신호는 전치증폭단(200)과 같은 위상을 가지므로 후술하는 비교부(400)를 통해 전치증폭단(200) 출력신호를 '1','0'으로 구분하기에 충분한 임계값으로 사용될 수 있다.
비교부(400)는 전치증폭단(200)의 출력신호와 임계값 생성부(100)의 출력신호를 비교하여 그 결과를 디지털 신호로 출력한다. 이 경우, 비교부(400)의 입력 허용 범위는 전치증폭단(200)의 성능지표를 결정하는 중요한 요소이므로 입력범위가 넓은 값을 갖는 연산증폭기를 이용하여 설계된다.
한편, 비교부(400)는 클록 복원 회로(미도시)를 포함하는데, 전치증폭단(200)과 임계값 생성부(100)로부터 직렬 전송되는 데이터를 병렬화시키기 위하여 소정의 기준 클록을 복원해야 하며, 비교부(400)는 상기 클록 복원 회로 통해 기준 클록을 복원한다.
클록 복원 회로를 통해 복원된 클록은 병렬화된 최종 출력의 비트 에러율(BER)을 결정하는 중요한 요소이므로 안정성과 낮은 지터특성을 가지도록 설계하는 것이 바람직하다. 지터특성이라 함은 클록 신호를 기준으로 타임 도메인에서 광신호의 퍼짐 정보를 나타내는 신호 폭을 의미한다.
출력버퍼(500)는 비교부(400)의 출력신호의 상승시간 및 하강시간을 줄여주며, 정확한 디지털 레벨의 출력을 보장한다. 출력버퍼(500)는 부하를 구동하는 구동능력을 높이기 위해 복수의 인버터로 구성되어 입력신호에 대한 버퍼링을 수행한다.
상기 복수의 인버터는 인버터 체인을 형성하며 상기 인버터 체인으로 구성된 출력버퍼(500)는 시스템의 로드 구동능력을 높이기 위해 2배로 스케일링 되고, 10pF 이상의 로드 구동능력을 가진다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치에 사용된 감쇄기의 개념을 나타내는 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 감쇄기의 일 실시예이다.
감쇄기는 연산증폭기(130)를 이용하여 간단하게 구현할 수 있고, 상기 감쇄기의 이득은 저항 R1(110)과 R2(120)의 비에 의해 결정된다. 연산증폭기(130)의 이득은 전술한 트랜스 임피던스이득이며, 본 발명에서는 R2/R1의 트랜스 임피던스이득을 가지는 연산증폭기를 사용한다.
따라서, 종래의 자동 임계값 조절장치(ATC)를 이용한 임계값 판별의 경우, 상기 ATC의 복잡한 구조로 인한 공정변화에 따른 각종 잡음들이 임계값 생성에 영향을 주어 광 수신기의 펄스폭 왜곡현상을 증가시켰으나, 본 발명에 따른 간단한 구조의 감쇄기를 이용함으로써, 공정변화에 따른 잡음의 영향을 최소화시킬 수 있게 된다.
도 5는 도 3에 도시된 임계값 생성부의 입출력 특성을 도시한 것이다.
전치증폭단(200)의 출력신호를 입력받아 감쇄기의 입력신호(310)로 사용하고, 감쇄기를 통과하면 6dB 감소된 신호(320)가 출력된다. 또한, 감쇄기를 통화한 출력신호는 감쇄기의 입력신호(310)와 동일한 위상을 갖는다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 본 발명의 임계값 판별 방법을 실현하 기 위한 프로그램이 기록된 기록매체의 형태 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래기술에 의한 광 수신기의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 종래기술에 의한 또 다른 광 수신기의 구성을 나타내는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치의 블록도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치에 사용된 감쇄기의 개념을 나타내는 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 감쇄기의 일 실시예.
도 5는 도 3에 도시된 임계값 생성부의 입출력 특성을 도시한 것.
《도면의 주요부분에 대한 부호의 설명》
100: 임계값 생성부 200: 전치증폭단
400: 비교부 500: 출력버퍼
300: 광 검출기

Claims (7)

  1. 광전류신호를 전압신호로 변환하고, 트랜스 임피던스 이득에 따라 증폭시키는 전치증폭단;
    상기 전치증폭단의 출력신호를 입력받아 상기 출력신호의 크기를 절반으로 감쇄시키는 감쇄기를 구비하여 상기 전치증폭단의 출력신호와 비교할 임계값을 생성하되, 상기 임계값이 상기 전치증폭단의 출력신호의 위상과 동일한 위상을 유지하도록 하는 임계값 생성부;
    상기 전치증폭단의 출력신호와 상기 임계값을 비교하여 디지털 레벨의 신호를 출력하되, 상기 전치증폭단과 상기 임계값 생성부로부터 직렬 전송되는 데이터를 병렬화시키기 위한 기준 클록을 복원하는 클록 복원 회로를 포함하는 비교부; 및
    상기 비교부로부터 출력되는 신호의 상승 및 하강 시간을 낮추어 주며, 복수의 인버터로 구성되어 입력 신호에 대한 버퍼링을 수행하는 인버터 체인을 구비하는 출력버퍼단;을 포함하는 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스 임피던스 이득은
    상기 전치증폭단의 입력단자와 출력단자에 연결된 궤환저항(Rf)에 의해 결정되는 것인 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치.
  3. 제1항에 있어서,
    입력되는 광 신호를 상기 광전류신호로 변환시키는 광 검출기를 더 포함하는 것인 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 검출기는 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 감쇄기를 이용한 광 수신기의 임계값 판별장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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