光接收器的制作方法

本发明涉及特别用于控制和通信应用的具有差分输出的光接收器。

背景技术：

在很多工业和/或控制应用中，处于空闲模式的接收器可能正在接收DC光电平，并且然后必须无误地在宽接收光功率范围内对在任意时间发送的命令信号数据流的第一位做出响应。从光到电压的转换通常使用光电二极管和跨阻抗放大器(TIA)来实施。在所接收的光功率的动态范围宽的情况下，需要具有自动增益控制(AGC)的TIA，以便降低较高接收光功率的增益。优选使用全差分TIA来实现噪声和电磁干扰(EMI)抗扰性。

光电二极管具有单端电流输出。在输入为单个光电二极管时，如图1所示，全差分ITA输出伪差分信号。以高速瞬间为伪差分信号建立准确的比较器参考点是很困难的。将全差分信号用到比较器中确保脉宽畸变(PWD)低，这是DC到多兆赫频率应用所需的。图1所示的电路是常规差分TIA，这样的电路的输出是伪差分信号。

在下面的[1]中描述的方案包含使用连接至输出缓冲器的两个低通滤波器(LPF)。然而，LPF的求均值操作往往引入延迟。

在下面的[2]中的方案包含将校正信号反馈回到TIA的输入的峰值检测器。与前馈控制方法相比，这种对TIA的输入进行反馈控制的方法不太符合需要，因为反馈固有地要求信号延迟。

EP 0580089(NEC)描述了具有用于DC偏移校正的预放大器的接收器。US 5777507(Toshiba)描述了用于任意模式的数字信号的接收器。US 4498001描述了用于光接收器的跨阻抗放大器。

本发明的目标在于提供具有全差分输出的光接收器，其用于在没有显著延迟的情况下在大的光接收功率范围内接收DC到多兆赫频率光脉冲，并且还优选地具有对噪声和电磁干扰(EMI)两者的良好抗扰性。

参考文献

[1]标题："1.25Gb/s CMOS Differential Transimpedance Amplifier For Gigabit Networks"

作者：Ty Yoon,Bahram Jalali.

发表：Proceedings of the 23rd European Solid-State Circuits Conference,1997.ESSCIRC'97.Southampton,UK,第140-143页。

[2]标题："High-speed,Burst-Mode,Packet-Capable Optical Receiver and Instantaneous Clock Recovery for Optical Bus Operation"

作者：Yusuke Ota,Robert G.Swartz,Vance D.Archer 111,Steven K.Korotky,Mihai Banu和Alfred E.Dunlop.

发表：JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.12,NO.2,FEBRUARY 1994,第325-331页。

专利：US 5430766A，"Burst mode digital data receiver"

提交日期：1994年8月22日

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种光接收器，其包括：

差分跨阻抗放大器TIA(4)，其具有输入共源共栅结构，并且被布置为接收一个或多个光电二极管输入并提供至少两个输出，即正输出和负输出，

接收正差分TIA输出的正峰值检测器、接收负差分TIA输出的负峰值检测器，并且它们每者提供峰值检测输出作为幅度参考信号，

差分求和放大器，其被布置为接收差分TIA的输出以及来自峰值检测器的幅度参考信号，并且

其中，所述差分求和放大器直接或者间接为所述光接收器提供输出。

在一个实施例中，一个光电二极管是有效的，并且另一光电二极管是伪光电二极管。

在一个实施例中，差分加法放大器具有线性增益。

在一个实施例中，差分求和放大器是有源低通滤波器。

在一个实施例中，峰值检测器输出被以比差分TIA输入被馈送到差分求和放大器中的增益更低的增益馈送到差分求和放大器中。

在一个实施例中，所述增益低大约一半。

在一个实施例中，差分求和放大器在其输出处连接至优选为比较器的判决电路。

在一个实施例中，共源共栅结构是调节栅极共源共栅结构。

在一个实施例中，接收器还包括用于差分跨阻抗放大器的自动增益电路。

在一个实施例中，差分求和放大器在其输出处连接至自动增益电路。

在一个实施例中，接收器还包括与差分求和放大器的输出链接的输出比较器，并且其中，输出比较器具有内置滞后。

在一个实施例中，接收器还包括被配置为使峰值检测器重置的重置控制电路。

在一个实施例中，输出比较器具有DC偏移电平和偏移电平控制输入(V_{OFFSET_ENABLE})，所述偏移电平控制输入由所述控制电路的控制，并且适于确保对于所接收到的最低光电平而言输出为低。

在一个实施例中，重置控制电路被配置为在设定的未接收到光的超时时段之后主张(assert)偏移电平控制(V_{OFFSET_ENABLE})和重置控制(V_RESET)。

在另一方面中，本发明提供了一种包括与任何实施例的接收器链接的处理电路的电子或电光装置。

附加陈述

根据本发明，提供了一种接收器，其包括：

被布置为接收一个或多个转换器输入的第一放大器，

被布置为接收第一放大器的输出的峰值检测器，

被布置为接收第一放大器的输出和来自峰值检测器的幅度参考信号的第二放大器，并且

其中，所述第二放大器直接或间接提供接收器输出。

在一个实施例中，第一放大器是差分放大器。

在一个实施例中，所述第一放大器是差分跨阻抗放大器(TIA)，转换器提供电流信号。

在一个实施例中，有两个至第一放大器的转换器输入。在一个实施例中，一个转换器是有效的，并且另一转换器是伪转换器。

在一个实施例中，转换器是光电二极管，接收器是光接收器，并且还可能有伪光电二极管或参考光电二极管。

在一个实施例中，第一放大器提供至少两个输出，正输出和负输出，并且存在用于所述第一放大器输出之一或两者的峰值检测器。

在一个实施例中，峰值检测器被布置为将峰值检测信号与差分TIA的输出同时馈送到第二放大器中，以使第二放大器提供无延迟的差分输出。

在一个实施例中，存在接收正差分TIA输出和负差分TIA输出中的每者的峰值检测器，并且每个峰值检测器向放大器提供峰值检测输出。

在一个实施例中，第二放大器是差分求和放大器。

在一个实施例中，峰值检测器输出被以比差分TIA输出的增益低的增益馈送到第二放大器中。

在一个实施例中，所述增益减小了大约一半。

在一个实施例中，放大器在其输出处连接至比较器或其它判决电路。

在一个实施例中，第一放大器在其输入处具有共源共栅结构或者调节栅极共源共栅结构。

在一个实施例中，接收器包括用于第二放大器的自动增益电路。

在一个实施例中，存在向第二放大器提供信号的一个峰值检测器和共模缓冲放大器。

在一个实施例中，存在正峰值检测器和负峰值检测器。

在一个实施例中，接收器在其输出处包括具有DC偏移电平的比较器，所述DC偏移电平由控制电路驱动，确保未接收到光时输出为低。

在一个实施例中，输出比较器具有内置滞后。

在一个实施例中，接收器包括偏移电平控制输入(V_{OFFSET_ENABLE})，其确保比较器将输出低，直到来自第二放大器的输入高于偏移电平为止。

在一个实施例中，单个转换器被用作检测器，并且第一放大器是单端放大器，并且第二放大器是差分求和放大器。

在另一方面中，本发明提供了一种包括与上文在任何实施例中定义的接收器链接的处理电路的电子或电光装置。

附图说明

通过下文参考附图仅以举例方式给出的对本发明的一些实施例的描述，本发明将得到更加透彻的理解，在附图中：

图1是示出了光输入信号以及伪差分输出和全差分输出的一组代表性曲线图，如上文参考现有技术所讨论的；

图2是本发明的接收器的方框图；

图3(a)和图3(b)是图2所示的接收器的正峰值检测器和负峰值检测器部件的电路图；

图4是图2所示的接收器的差分求和放大器的电路图；

图5是示出接收器如何提供全差分信号的各阶段的一系列曲线图；

图6是接收器的用于重置和DC偏移电平控制的操作的逻辑图；以及

图7是示出接收器如何从畸变的TIA输出提供全差分信号的各阶段的一系列曲线图。

具体实施方式

我们描述了各种具有较低畸变的光接收器。在一些实施例中，这一目的的实现是由于输出与零线交叉，由此提供了全差分输出。接收器具有带有两个输入和两个输出的差分跨阻抗放大器。差分跨阻抗放大器提供差分输出，并且对该输出进行峰值检测以提供幅度参考信号。差分跨阻抗放大器输出和幅度参考信号被馈送给差分求和放大器，所述差分求和放大器将全差分输出提供给比较器或者自动增益控制电路，以调节差分跨阻抗放大器增益。

参考图2，本发明的光接收器1在通往第一放大器的输入处具有经调节的共源共栅结构(RGC)电路2和3，在该情况下，第一放大器是具有AGC 5的差分TIA 4。

差分求和放大器(DSA)10接收TIA 4的正输出TIA_plus和负输出TIA_minus。然而，此外还存在两个峰值检测器15和16。它们分别接收TIA_plus和TIA_minus信号，并将幅度参考PkDet_plus和PkDet_minus输出提供给DSA 10。所定义的DSA带宽是针对所需的应用设计的，以滤除高频噪声或干扰。还提供了重置和控制电路17，其用于对检测器15和16进行重置并且用于向提供输出信号V_out的比较器20提供偏移启用V_{OFFSET_ENABLE}信号。

DSA 10向比较器20以及AGC(自动增益控制电路)5提供DSA_plus信号和DSA_minus信号作为输入。AGC 5输入需要对所接收到的光功率的线性表示，以在环路设计和稳定性方面提供帮助，这是由线性DSA 10增益提供的。

如图3(a)所示，峰值检测器15包括经由二极管33馈送第二放大器31的第一放大器30。存在接地的电容器C1，其将峰值检测幅度参考输入提供给放大器30。重置信号连接至开关32的栅极，开关32将第二放大器31的信号输入链接至地。由第二放大器31的输出提供输出PkDet_plus。

负峰值检测器16(图3(b))具有类似的架构，该架构具有第一和第二放大器35和36、电容器C2、重置开关37和二极管38。在大多数应用中，放大器30和35可以是等同的，放大器31和36可以是等同的。

DSA 10(图4)包括具有来自DSA_minus输出和DSA_plus输出的经由电阻器R_FB的反馈链的放大器40，其确保DSA增益是线性的，这在使用AGC时是有益的。使峰值检测器输入通过大于TIA输入的电阻的电阻(在该情况下是二倍)。这使差分峰值检测器的增益与差分TIA信号相比减小了一半。放大器40包含具有根据TIA输出的共模输出设置的共模参考的共模反馈。

更具体而言，并且再次参考图2，转换器是信号接收光电二极管51和暗光电二极管52，它们两者连接至RGC 2和RGC 3，RGC 2和RGC 3馈送到差分TIA 4中，差分TIA 4的增益可以利用AGC 5控制环来调整。差分TIA 4的输出馈送到DSA 10中，并且两个峰值检测器15和16类似地以一半的增益连接到DSA 10中。DSA级10将来自差分TIA 4的伪差分输入信号转换成连接至比较器20和AGC 5的全差分输出信号。DSA的增益是线性的，以使得AGC能够自动控制TIA增益，以确保不存在TIA的饱和。比较器20可以包括滞后功能。伪差分TIA输出信号和来自峰值检测器的峰值检测信号几乎同时被馈送到DSA 10中，并生成具有最小延迟的全差分输出。比较器还可以包括偏移电平控制输入V_{OFFSET_ENABLE}，其确保比较器将输出低直到来自DSA的输入高于偏移电平为止。这可以用于确保比较器在静态关闭模式下输出低，这是接收DC或低兆赫兹数据所必需的。在正在接收光时，VOFFSET_ENABLE被禁用，以使比较器具有零交叉偏移，以实现高质量PWD性能。

图4示出了DSA电路，其输出等于：

其中，

DSA_diff＝DSA_plus-DSA_minus

TIA_diff＝TIA_plus-TIA_minus

PkDet_diff＝PkDet_plus-PkDet_minus

是DSA、TIA和峰值检测器电路的差分输出，其中，DSA电路的线性增益为：

是通过在通往DSA电路的峰值检测器输入处具有2×R_IN而实现的。

假设R_IN＝R_FB，Gain_DSA＝1，那么DSA的输出等于：

下文的表1描述了针对静态关闭模式、光接通模式和光关闭模式的TIA、峰值检测器、DSA、DC参考电平输入和比较器输出的输出状态，其中假设Gain_DSA＝1。

表1静态关闭模式、光接通模式和光关闭模式的输出

图5示出了来自图2中的框图的相关信号。所述信号示出了伪差分TIA输出信号(TIA_plus、TIA_minus)。PkDet_plus信号是TIA_plus信号的最大值，PkDet_minus是TIA_minus信号的最小值。TIA输出信号以及正峰值检测器信号和负峰值检测器信号全部被合并，以建立全差分DSA输出信号(DSA_plus、DSA_minus)。DSA输出(DSA_plus、DSA_minus)被比较器用来生成数字比较器输出(Comp Vout)。比较器具有由V_{OFFSET_ENABLE}控制的滞后。

图6的流程图描述了重置(V_RESET)和偏移电平控制(V_{OFFSET_ENABLE})信号的操作。一旦处于静态关闭模式，如果接收到光，则禁止V_{OFFSET_ENABLE}进入比较器。如果在超时时段内未接收到光，则启用V_{OFFSET_ENABLE}，并对峰值检测器进行重置，因而接收器返回至静态关闭模式。对V_{OFFSET_ENABLE}信号的这种控制允许接收器接收DC到兆赫兹数据。

两个峰值检测器的主要益处在于它们平衡了差分TIA上的电容负载，这提高了接收器架构在EMI和噪声抑制方面的准确性以及接收低输入功率的准确性。在接收到光时，TIA的输出可能是失衡的。这意味着，TIA的共模信号与其输出TIA_plus信号和TIA_minus信号之间的差可能不等。在图7中通过有意扭曲的TIA输出对此给出了例示。将两个峰值检测器与DSA相结合有助于去除这些失衡TIA输出中的大多数。利用适当的DSA增益，DSA输出为针对光接通和光关闭情况具有相等的幅度的全差分输出，即使TIA输出失衡亦如此。对该畸变的去除产生低PWD输出。

图2的架构具有多种有利作用：

(a)由伪差分TIA输出创建全差分信号。

(b)在各TIA输出上提供相等的负载，这使架构对称保持。

(c)为所接收到的光降低了TIA输出中的大部分可能的不平衡。

(d)对于低接收光功率而言，DSA放大了来自TIA输出的信号。

(e)DSA将信号滤波到所需的带宽内，以使得没有高频噪声被馈送到比较器20。

(f)DSA利用线性DSA增益将所接收到的光的线性表示提供给AGC。

(g)将尽可能地创建从TIA输出到比较器输入的对称差分架构。

应当认识到，本发明在没有显著延迟的情况下实现了全差分输出，因为其有能力在第一个脉冲上产生全差分信号，这在检测来自单个高速输入脉冲的信号的操作中是很重要的。利用两个峰值检测器和DSA来实施的优点连同降低的传播延迟确保了DSA输出将以可忽略的延迟对差分TIA输出做出响应，并且还有对任何TIA失衡具有高容许度的益处。DSA的线性增益允许AGC使用所述输出，因为其是所接收到的光的线性表示。

而且，还降低了由EMI和其它源所引发的噪声，因为差分TIA架构、两个峰值检测器的平衡负载架构和差分求和放大器将抑制任何共模干扰。差分求和放大器可以用于放大低幅度TIA信号，并且将所述信号滤波至所需带宽，这提高了比较器的输入的信噪比。

本发明不限于所描述的实施例，其可以在构造和细节上发生变化。在一个示例中，光电二极管是单片集成光电二极管。这一点将是有利的，因为不存在接收器要抑制的由引线接合所引发的干扰或噪声，对于外部PIN光电二极管也是这种情况。接收器可以具有除了光电二极管以外的转换器，并且在一些情况下可以是光接收器。