专利名称：一种具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信领域，尤其涉及当无源光网络工作在时分复用模式下，用于接收突发的上行光信号，并对其进行强度检测的装置。
背景技术：
传统通信领域所用到的传输线路都是铜芯电缆，传输效率低，抗电磁干扰能力差。 由于光纤具有传输效率高，抗电磁干扰能力强等特点，因此，随着对通信传输速率要求的提高，以及现代制造工艺的提升使光纤制造成本下降，现代通信领域越来越多的利用光纤进行信息的传输。光通信网络连接到用户终端的接入网，按照是否接入了有源器件可分为 AON(Active Optical Network,有源光网络)和 PON(Passive Optical Network，无源光网络)。由于PON具有维护简便，便于安装和拓展的特点，得到了广泛的使用，并成为了国际通信联盟的标准规范。一个PON通常由一个位于中心局的OLT (Optical Line Terminal,光线路终端)， 数个位于用户端的ONU(Optical Network Unit,光网络单元)和位于两者之间的光配线网络构成。当数据下行的时候，OLT将下行数据包广播到各个0NU，各ONU根据下行数据包中的地址信息各自进行匹配即可。当数据上行的时候，由于上行数据往往量小且时间规律性不高，现行的做法是让各个ONU以时分复用模式工作。同时由于光纤线路存在外界干扰的可能，这就需要OLT判断其接收到的某个光信号，是来自某个ONU的突发的上行信号，还是只是一段外界干扰。通用的做法是对该突发的上行信号进行基于RSSI (Received Signal Strength hdicator，接收信号强度指示)信号的光功率采样，对得到的接收光功率值进行判断，若在恰当的阈值范围内，便认为是一段上行信号，同时根据相应的数值调整接收门限。OLT设备可以分为光电模块和系统主机两个部分，光电模块完成光电信号的转换， 同时提供光电性能的监控与告警，包括利用RSSI判断接收到的突发光功率大小。《中国电信EPON设备技术要求V2. 1》在V2. 0版本的基础上增加了 “0LT的接收光功率检测”的规定“0LT应支持对其接收到的来自每个ONU的上行平均光功率的测量功能，在_30dBm到一 IOdBm范围内的测量精度不劣于士 ldB，最小测量取样时间不大于600ns”。如图1所示，为现有技术中典型的接收突发上行光信号并生成RSSI的跨阻放大器的电路结构图。图中虚线部分为跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier,以下简称为 TIA)，TIA内部集成了电流电压转换电路和差分信号放大器两部分，用于将电流信号放大为电压信号，具有高带宽高响应速度的特点。图中电流电压转换电路由一个电流电压转换器和一个跨接在该电流电压转换器两端的跨阻组成。图中升压电路输入3. 3V电压，向雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,以下简称APD)输出升压电压，用于给APD提供反向偏置电压，提高APD将微弱光信号放大为电流信号的增益率。整个电路的原理是当APD接收到突发上行光信号后，APD将该光信号转换为电流信号；TIA接收到该电流信号后，通过电流电压转化器将该电流信号转换为电压信号，再通过差分放大器将该电压信号分解为正相数据信号和反相数据信号这样的差分电信号作为数据信号向外输出；该反相数据信号还作为 RSSI信号经电容交流耦合至对数检测器，对数检测器将交流RSSI信号转换为模拟电压，最后通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter,以下简称ADC)对该模拟电压进行采样，完成光功率检测。上述技术的缺点在于由于TIA对差分电信号信噪比有要求，故与差分放大器相串联的电流电压转换电路中的跨阻必须有足够的阻值才能达到其要求的增益率。高增益率产生强电流，最终导致TIA输出的RSSI信号在上行光信号强度比较大的时候处于饱和状态，使后续光功率检测电流无法区分较强光功率的大小，不能满足光功率检测的精度要求。 同时用反相数据信号作为RSSI信号，由于差分放大器的附加器件也会有功率损耗，对光功率检测而言也会产生损耗，不利于光功率的检测。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有接收信号强度指示功能，且能够满足光功率检测精度要求的跨阻放大器。本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，包括至少部分的用于将电流信号转换为电压信号的第一电流电压转换电路，和至少部分的用于将电压信号转换为正相数据信号及反相数据信号作为输出的差分放大器，还包括镜像电流源与第二电流电压转换电路；所述镜像电流源接收来自雪崩光电二极管的电流信号，输出该电流信号到第一电流电压转换电路，还输出镜像电流信号到第二电流电压转换电路；第二电流电压转换电路将该镜像电流信号转换为镜像电压信号，并将该镜像电压信号作为RSSI信号输出；第二电流电压转换电路的跨阻阻值范围为200欧姆至600欧姆。进一步的，所述镜像电流源为BJT镜像电流源。BJT镜像电流源技术成熟，工业成本低廉。又进一步的，所述BJT镜像电流源所用三极管为高速带宽小信号三极管。高速带宽小信号三极管能够满足信号高速传输的速度要求。另进一步的，所述第一电流电压转换器的跨阻阻值为800欧姆至2000欧姆。大阻值的跨阻能够使第一电流电压转换器具有较大的增益率，使差分放大器的信噪比更高。本发明的有益效果在于
本发明通过在现有跨阻放大器的内部增加镜像电流源和第二电流电压转换电路，使电流信号产生镜像电流信号，再将该镜像电流信号转换为镜像电压信号作为RSSI信号输出， 便于光模块收端进行基于RSSI的光功率检测，消除了因差分放大器器件带来的功率损耗； 同时第二电流电压转换电路的跨阻阻值范围为200欧姆到600欧姆，既使RSSI信号得到放大，信号清晰，又防止了因光功率过大使RSSI信号饱和导致不能满足光功率检测的精度要求的情况；同时使用高速带宽小信号三极管的BJT镜像电流源，能够满足信号高速传输的速度要求的同时工业成本低廉；最后阻值范围为800欧姆至2000欧姆的第一电流电压转换电路的跨阻，能够使差分放大器的信噪比更高。
图1为现有技术中典型的接收突发上行光信号并生成RSSI的跨阻放大器的电路结构图2为本发明具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器一个实施例的模块示意图； 图3为本发明具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器一个优选实施例的电路结构
图4为本发明具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器又一个实施例的电路结构图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。同时本说明书中对替代特征的描述是对等同技术特征的描述，不得视为对公众的捐献。本说明书(包括任何权利要求、摘要和附图)中用语若同时具有一般含义与本领域特有含义的，如无特殊说明，均定义为本领域特有含义。如图1所示，为现有技术中典型的接收突发上行光信号并生成RSSI的跨阻放大器的电路结构图。升压电路输入3. 3V电压，向APD输出升压电压，用于给APD提供反向偏置电压，提高APD将微弱光信号放大为电流信号的增益率。当APD接收到突发上行光信号后， APD将该光信号转换为电流信号并输出到TIA中的电流电压转换器；TIA的电流电压转化器将该电流信号转换为电压信号，再将该电压信号输出到差分放大器；差分放大器将该电压信号分解为正相数据信号Data+和反相数据信号Data-这样的差分电信号作为数据信号向外输出；该反相数据信号还作为RSSI信号经电容交流耦合至对数检测器，对数检测器将交流RSSI信号转换为模拟电压，最后通过ADC对该模拟电压进行采样，完成光功率检测。ADC可以采用集成了模数转换器与存储器的微处理器，例如Atmel公司的型号为 ATMegaSS的AVR单片机或ADI公司的型号为ADuC7020的单片机。利用这些芯片不仅可以采样当前的接收光功率强度，而且还可以将该采样值保存在储存器中供上位机读取。如图2所示，本发明具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器一个实施例的模块示意图。本发明在现有技术的基础上，在本发明的TIA内部增加了镜像电流源和电流电压转换电路。APD输出电流信号到镜像电流源，镜像电流源将该电流信号输出到第一电流电压转换电路，该第一电流电压转换电路将该电流信号转换为电压信号输出到差分放大器，差分放大器再将该电压信号转换成正相数据信号Data+与反相数据信号Data-作为数据向外输出；镜像电流源同时还复制该电流信号，得到一个镜像电流信号，并将该镜像电流信号输出到第二电流电压转换电路，该第二电流电压转换电路将该镜像电流信号转换为镜像电压信号，并将该镜像电压信号作为RSSI信号向外输出用于光功率的检测。增加这样一个信号分路的好处在于，可以在不影响数据输出所需要的信噪比的情况下，通过对第二电流电压转换电路上的跨阻阻值的调整，不会出现因增益过高导致的上行光信号功率过大时，TIA输出的RSSI信号在高强度范围内处于饱和状态，无法进行光功率检测的情况，即能够增大接收光功率的监测范围从而满足光功率检测的精度要求。
如图3所示，为本发明一个优选的实施例的电路结构图。本发明的具有接收信号强度指示功能的TIA由三极管Tl、三极管T2、第一电流电压转换器，第二电流电压转换器、 差分放大器、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成；该TIA有信号输入管脚IN、供电电源输入管脚 VCC、基准电压输入管脚GND、正相数据信号输出管脚Data+、反相数据信号输出管脚Data-、 接收信号强度指示信号输出管脚RSSI。信号输入管脚IN与三极管Tl的集电极相连，信号输入管脚IN还同时连接到三极管Tl和三极管T2的基极；三极管Tl的射极连接到第一电流电压转换器的输入端；电阻Rl 跨接在第一电流电压转换器的两端；第一电流电压转换器的输出端同时连接到电阻R3的一端和差分放大器的输入端；电阻R3的另外一端连接到基准电压输入管脚GND ；差分放大器的输出端分别连接到正相数据信号输出管脚Data+和反相信号输出管脚Data-。三极管 T2的集电极连接到供电电源输入管脚VCC，三极管T2的射极连接到第二电流电压转换器的输入端；电阻R2跨接在第二电流电压转换器两端；第二电流电压转换器的输出端连接到接收信号强度指示信号输出管脚RSSI。当ONU突发的上行光信号输入后，APD接收光信号产生相应的电流信号，通过信号输入管脚IN输入到三极管Tl的集电极和基极以及三极管T2的基极；三极管Tl与三极管 T2是两个完全相同的NPN型三极管，由于生产工艺条件完全相同，性能参数相同，因而组成了 一个镜像电流源，故在三极管T2射极产生一个和APD的电流信号几乎完全相同的镜像电流。APD的电流信号经过三极管Tl输出到第一电流电压转换器和差分放大器，完成现有技术中数据输出的功能；而该镜像电流则从三极管T2输出到第二电流电压转换器，由第二电流电压转换器将该镜像电流转换为镜像电压信号后作为RSSI信号通过接收信号强度指示输出管脚RSSI向外输出，完成接收信号强度指示功能。根据本发明的另一个实施例，三极管Tl和三极管T2要求为高速宽带小信号三极管，具体的型号例如SST2222A或SST3904，如此才能满足高速传输信号时的速度要求。根据本发明的再一个实施例，为了保证本发明的TIA的信噪比要求，电阻Rl需要选择偏大的值，其阻值范围为800欧姆到2000欧姆；而电阻R2需要考虑光功率检测的范围，阻值不能太大，否则在强度较大的上行光信号输入时，会导致第二电流电压转换器输出的RSSI信号的饱和，因此电阻R2阻值范围为200欧姆到600欧姆。如图4所示，为本发明的又一个实施例的电路结构图。图4所示的实施例与图3 所示的优选的实施例的区别在于，图4所示的实施例用MOSFET镜像电流源替换了 BJT镜像电流源。信号输入管脚IN连接到场效应管T3的漏极，信号输入管脚IN还同时连接到场效应管T3和场效应管T4的栅极；场效应管T3的衬底同时连接到场效应管T3的源极和第一电流电压转换器的输入端；场效应管T4的漏极连接到漏极供电电源管脚VDD，场效应管T4 的衬底同时连接到场效应管T4的源极和第二电流电压转换器的输入端；其余器件的连接关系与图3相同。图4中场效应管T3与场效应管T4为长宽比相同的N沟道增强型MOS管，具体采用市面上常见的型号如ANPEC公司的APM23M等即可，由此构成了一个MOSFET镜像电流源， 其作用与BJT镜像电流源相同，都是让APD产生的电流信号流入第一电流电压转换器与差分放大器进而完成数据输出功能，同时产生一个该电流信号的镜像电流信号，让该镜像电流信号流入第二电流电压转换器进而完成接收信号强度指示功能。
权利要求
1.一种具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，包括至少部分的用于将电流信号转换为电压信号的第一电流电压转换电路，和至少部分的用于将电压信号转换为正相数据信号及反相数据信号作为输出的差分放大器，其特征在于还包括镜像电流源与第二电流电压转换电路；所述镜像电流源接收来自雪崩光电二极管的电流信号，输出该电流信号到第一电流电压转换电路，还输出镜像电流信号到第二电流电压转换电路；第二电流电压转换电路将该镜像电流信号转换为镜像电压信号，并将该镜像电压信号作为RSSI信号输出；第二电流电压转换电路中的跨阻阻值范围为200欧姆至 600欧姆。
2.根据权利要求1所述具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，其特征在于所述镜像电流源为BJT镜像电流源。
3.根据权利要求2所述具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，其特征在于所述 BJT镜像电流源所用三极管为高速带宽小信号三极管。
4.根据权利要求1所述具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，其特征在于所述第一电流电压转换电路中的跨阻阻值范围为800欧姆至2000欧姆。
全文摘要
本发明公开了一种具有接收信号强度指示功能的跨阻放大器，通过在现有跨阻放大器的内部增加镜像电流源和第二电流电压转换电路，产生镜像电流信号并转换为镜像电压信号作为RSSI信号输出，消除了因差分放大器器件带来的功率损耗；同时第二电流电压转换电路的跨阻阻值范围为200欧姆到600欧姆，防止了因光功率过大使RSSI信号饱和导致不能满足光功率检测的精度要求的情况；还使用高速带宽小信号三极管的BJT镜像电流源，能够满足信号高速传输的速度要求的同时工业成本低廉；最后阻值范围为800欧姆至2000欧姆的第一电流电压转换电路的跨阻，能够使差分放大器的信噪比更高。
文档编号G05F3/26GK102324899SQ20111024368
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者周健, 宋岩, 王婧 申请人:成都优博创技术有限公司