一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置及方法与流程

本发明涉及光纤通信等系统中的激光驱动技术领域，具体涉及一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置及方法。

背景技术：

传统的光纤通信系统包括电光转换器、数据发射机、光电转换器和数据接收机，其中收发机芯片目前主要采用GaAs、InP或者SiGe等特殊工艺集成，这些特殊工艺价格昂贵，无疑增加了整个光通信系统的成本，因此研发低成本的光通信收发机有着重大意义。现代深亚微米CMOS工艺的截止频率不断提高，使得基于CMOS工艺的高速激光驱动器设计成为可能。由于深亚微米CMOS工艺通过不断减小沟道长度和栅氧厚度来提高工作截止频率，其栅源和漏源可承受的电压范围越来越小。激光器正常工作时所产生的较大的电压调制摆幅使得深亚微米CMOS工艺设计的激动驱动器的器件极易处于栅源或者漏源过压状态，从而导致可靠性降低甚至电路失效。

技术实现要素：

为了解决深亚微米CMOS的激光驱动器件栅源或者漏源过压导致的可靠性问题，本发明提供一种用于深亚微米CMOS激光驱动器的过压保护装置及方法，通过简单的环路控制来实现有效控制CMOS器件的栅源和漏源压差来提高电路的可靠性和稳定性。本发明具有结构简单，低功耗和易实现、低硬件成本等优势。

一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，对激光驱动器进行过压保护，所述的激光驱动器输出端连接激光器，其特征是：

所述过压保护装置输出端连接到激光驱动器的输入端，过压保护装置从激光驱动器的输出端采样，根据此采样信号调整过压保护装置输出端电压，以保护激光驱动器输入端不因过压而击穿；

该过压保护装置具体包含：

高阻抗模块，其输入端连接激光驱动器的输出端，高阻抗模块从激光驱动器输出端采样，构建采样电压；

失调电压产生器，其输入端连接高阻抗模块的输出端，失调电压产生器根据所述高阻抗模块输出的采样电压调整失调电压；

加法器，两个输入端分别连接高阻抗模块的输出端以及失调电压产生器的输出端，加法器将所述高阻抗模块输出的采样电压和失调电压产生器输出的失调电压相加得到过压保护装置的输出电压。

上述的一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，其中，所述过压保护装置包含：

第四PMOS管M4，采用二极管连接方式，其漏极和栅极短接，栅极连接到激光驱动器的输入端；

第二可调电流源I2，一端连接公共地，另一端连接第四PMOS管M4的漏极；

第五PMOS管M5，源极连接第一电源VDD，漏极连接第四PMOS管M4的源极；

第二电阻R2，一端连接第五PMOS管M5的漏极；

第三电流源I3，一端连接公共地，另一端连接第二电阻R2的另一端；

放大器A1，输出端连接第五PMOS管M5的栅极，同相输入端连接第二电阻R2的另一端；

第三电阻R3，一端连接放大器A1的反相输入端，另一端连接激光驱动器的输出端；

所述激光驱动器包含：

第一可调电流源I1，一端连接公共地；

第一NMOS管M1，栅极连接第二电源VINP，源极连接第一可调电流源I1另一端；

第二NMOS管M2，栅极连接第三电源VINN，源极连接第一可调电流源I1另一端；

第一电阻R1，一端连接第一NMOS管M1的漏极，另一端连接第一电源VDD；

第三PMOS管M3，栅极为激光驱动器的输入端，与过压保护装置中第四PMOS管M4的栅极连接，漏极连接第二NMOS管M2漏极，并引出输出端，连接激光器正端和过压保护装置中第三电阻R3的另一端；

第四可调电流源I4，一端与第三PMOS管M3源极连接，另一端连接第一电源VDD。

上述的一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，其中：

通过对第二可调电流源I2与第四可调电流源I4和第一可调电流源I1成比例设计，以适应不同的激光器的偏置电流I_BIAS和调制电流I_MOD。

上述的一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，其中：

所述的高阻抗模块的实现形式有由单晶硅电阻或N阱电阻或扩散电阻构成的电阻网络。

上述的一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，其中：

所述的失调电压产生器通过负反馈环路或通过通过电流注入在电阻上或通过电流源注入到二极管连接的晶体管来实现。

上述的一种用于CMOS激光驱动器的过压保护装置，其中：

所述的激光驱动器为深亚微米CMOS激光驱动器。

一种CMOS激光驱动器的过压保护方法，其中：

S1：高阻抗模块从激光驱动器的输出端采样，得到采样电压；

S2：失调电压产生器根据所述采样电压得出失调电压；

S3：加法器将所述采样电压与所述失调电压相加，得到过压保护控制电压；

S4：过压保护装置将电压范围受控的过压保护控制电压输出给激光驱动器，由激光驱动器的输出驱动激光器。

采用本发明所述装置能得到如下有益效果：

1)根据输出端采样信号调节第三PMOS管M3的源端电压来适应不同型号、不同温度条件下的垂直腔面发射激光器。

2)第四PMOS管M4采用二极管连接方式对第三PMOS管M3进行偏置来跟随PVT变化。

3)第二可调电流源I2分别与第四可调电流源I4、第一可调电流源I1成比例设计，以适应不同的激光驱动器偏置电流和调制电流。也可以调节第三可调电流源I3以针对不同激光器输出不同的I_MOD电流和不同激光器的等效导通电阻，以优化第三PMOS管M3的V_ds。

附图说明

图1是激光驱动器过压保护装置原理框图。

图2是激光驱动器过压保护装置的一个具体实施图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，激光驱动器的输出端提供激光器合适的驱动电流；过压保护装置从激光驱动器的输出端采样，根据此采样信号调整其输出端电压，其输出端连接到激光驱动器的输入端，以保证电压范围在激光驱动器的可承受范围内；

该过压保护装置带宽小于100kHz，保证高速信号通路不受影响，具体包含：

高阻抗模块12，其输入端连接激光驱动器的输出端，高阻抗模块12从激光驱动器输出端提取采样电压，用高阻抗模块对输出采样可以避免对激光驱动器产生负载效应，从而避免降低激光器输出带宽；

失调电压产生器11，其输入端连接高阻抗模块12的输出端，失调电压产生器11根据所述高阻抗模块12输出的采样电压设置失调电压；

加法器13，两个输入端分别连接高阻抗模块12的输出端以及失调电压产生器11的输出端，加法器13将所述高阻抗模块12输出的采样电压和失调电压产生器11输出的失调电压进行处理得到过压保护装置的输出电压，为激光驱动器提供偏置电压，本实施例中是为激光驱动器的中第三PMOS管M3提供偏置电压。

激光器驱动器输出端电流范围为：

其中I_BIAS为激光器的偏置电流，I_MOD为激光器的调制电流，I_output在激光器上产生I_MOD×R_vcsel的电压摆幅，其中I_MOD一般为6～10mA，R_vcsel为激光器的等效导通电阻，一般为70～80Ω，则I_MOD×R_vcsel的最大值可达800mV。

如图2所示，过压保护装置包含：

第四PMOS管M4，采用二极管连接方式，其漏极和栅极短接，栅极连接到激光驱动器的输入端；

第二可调电流源I2，一端连接公共地，另一端连接第四PMOS管M4的漏极；

第五PMOS管M5，源极连接第一电源VDD，漏极连接第四PMOS管M4的源极；

第二电阻R2，一端连接第五PMOS管M5的漏极；

第三电流源I3，一端连接公共地，另一端连接第二电阻R2的另一端；

放大器A1，输出端连接第五PMOS管M5的栅极，同相输入端连接第二电阻R2的另一端；

第三电阻R3，一端连接放大器A1的反相输入端，另一端连接激光驱动器的输出端。

激光驱动器包含：

第一可调电流源I1，一端连接公共地；

第一NMOS管M1，栅极连接第二电源VINP，源极连接第一可调电流源I1另一端；

第二NMOS管M2，栅极连接第三电源VINN，源极连接第一可调电流源I1另一端；

第一电阻R1，一端连接第一NMOS管M1的漏极，另一端连接第一电源VDD；

第三PMOS管M3，栅极为激光驱动器的输入端，与过压保护装置中第四PMOS管M4的栅极连接，漏极连接第二NMOS管M2漏极，并引出输出端，连接激光器正端和过压保护装置中第三电阻R3的另一端，通过调节第三PMOS管M3的栅极电压达到调节第三PMOS管M3漏源电压的目的，从而实现过压保护的功能；

第四可调电流源I4，一端与第三PMOS管M3源极连接，另一端连接第一电源VDD。

在40nm深亚微米CMOS工艺的前提下，第三PMOS管M3的漏源电压V_ds<0.9V。而第三PMOS管M3的漏极为激光驱动器的输出端，与激光器连接。如上所述，激光器的电压摆幅最大可达800mV，与第三PMOS管M3可承受的最大漏源电压接近，因此第三PMOS管M3的漏源电压易发生过压现象。需要将第三PMOS管M3的源极偏置电压设置在合适的范围内，使得第三PMOS管M3的漏源电压V_ds最大不超过0.9V，即可达到本发明的目的，如下式所示：

V_s,M3-V_d,M3≤0.9 (2)

其中，V_s,M3为第三PMOS管M3的源极电压，V_d,M3为第三PMOS管M3的漏极电压，亦即激光驱动器的输出电压output，其为：

V_d,M3＝V_th+I_output×R_vcsel (3)

其中，V_d,M3,avrg为第三PMOS管M3的平均漏极电压，V_th为激光器开启电压，I_output为第三PMOS管M3的漏极输出电流，R_vcsel为激光器等效导通电阻。

根据上文所述公式(1)可知，I_output的最小值为代入式(3)，则：

根据上文所述公式(1)还可知，I_output的平均值为I_BIAS，代入式(3)，则：

V_d,M3，avrg＝V_th+I_BIAS×R_vcsel (5)

不同型号、不同工艺、不同温度情况下，激光器的开启电压，导通电阻，偏置电流和调制电流都会略有不同，因此需要反馈环路对此进行监控。如图2所示，激光器阳极通过第三电阻R3接到放大器A1反向输入端，放大器A1同相输入端与第五PMOS管M5、第二电阻R2和第三电流源I3构成环路，并通过二极管连接的第四PMOS管M4给第三PMOS管M3提供偏置电压以达到跟随PVT变化的目的。在恒定电流下，MOS管的栅源电压不变，此处调节第三PMOS管M3的栅极电压可以控制第三PMOS管M3的源端电压。

第四PMOS管M4采用二极管连接，提供第三PMOS管M3的偏置电压，所以第四PMOS管M4的栅源电压等于第三PMOS管M3的栅源电压。则式：

V_s,M3-V_d,M3,avrg＝I3×R2-V_sg,M4+V_sg,M3

可简化为：

V_s,M3-V_d,M3,avrg＝I3×R2 (6)

由于过压保护装置的环路带小于100kHz，而激光器的工作频率范围是10G-25G，作为过压保护装置，本发明考虑了第三PMOS管M3瞬态时的漏源电压的变化量。所以需考虑激光器上产生的最低电压值V_d,M3,min。因此再综合式(2)、式(4)与式(6)，可得到：

V_dsat,M3<I3×R2+V_d,M3,avrg-V_d,M3,min≤0.9

简化后可得

其中，V_dsat,M3为第三PMOS管M3的过驱动电压。

由式(7)可知，合理设置第二电阻R2的阻值可以提高激光驱动器性能并且令第三PMOS管M3恒定在安全漏源电压范围内。第三PMOS管M3和第四PMOS管M4选取相同的沟道长度，沟道宽度成比例的晶体管，使V_sg,M3和V_sg,M4相互抵消。

如图2所示，可调电流源I1提供激光器的调制电流I_MOD；可调电流源I4提供激光器的最大工作电流，其值为通过对可调电流源I2与可调电流源I4和可调电流源I1成比例设计，以适应不同的激光驱动器的偏置电流和调制电流，在激光驱动器输出不同的偏置电流和调制电流时保持V_sg,M3＝V_sg,M4，同时节省了大量功耗，确保PMOS管M3的漏源电压在不同的输出电流时保持恒定并处于安全范围内。

高阻抗模块的实现形式有由单晶硅(poly)电阻或N阱(NWELL)电阻或扩散(diffusion)电阻构成的电阻网络。

失调电压产生器，可通过负反馈环路或通过通过电流注入在电阻上(I×R)或通过电流源注入到二极管连接的晶体管来实现，或三种方法结合使用。

本发明所述的一种CMOS激光驱动器的过压装置，其工作过程如下：

S1：高阻抗模块从激光驱动器的输出端采样，得到采样电压；

S2：失调电压产生器根据所述采样电压得出失调电压；

S3：加法器将所述采样电压与所述失调电压相加，得到过压保护控制电压；

S4：过压保护装置将电压范围受控的过压保护控制电压输出给激光驱动器，由激光驱动器的输出驱动激光器。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。