一种电平检测器、峰值检测电路及突发模式跨阻放大器的制作方法

1.本实用新型属于光通信技术领域，具体涉及一种电平检测器、峰值检测电路及突发模式跨阻放大器。


背景技术：

2.近年来，为了满足各种新兴多媒体服务的需求，光通信系统中的数据速率已经大大提高。图1示出了典型的点对多点时分复用(tdm)pon系统。几个光网络单元(onu)通过无源光分路器共享一个光线路终端(olt)。在该系统中，来自olt的发送分组具有恒定的信号电平，另一方面，由于onu和olt之间不同的距离和路径损耗，在olt侧接收的信号具有一系列具有变化信号电平的突发数据分组。在该光学系统中，为了跟踪接收的突发模式信号，然后适当地恢复信号的连续功率电平，突发模式跨阻放大器(bm-tia)是olt侧广泛使用的基本构件。特别地，快速响应时间是bm-tia的重要规范之一，以便满足目前的xg/xgspon系统需求或者提高传输容量，提高整个pon系统的性能。现已有多种快速检测脉冲功率电平的峰值检测电路的结构，然而，这些电路结构显示出高功耗以克服缓慢的峰值检测特性，因为这些都是基于整流器设计的，所以功耗较高。
3.通常的设计是使用整流器来跟踪信号的峰值电平，因此，bm-tia中设计的峰值检测电路(或称为峰值保持电路和顶部保持电路)也主要使用带有整流二极管和保持电容元件的整流器。然而，尽管这种拓扑结构提供了精确的最高电平，但如果不使用高电流，则需要很长时间才能找到信号的峰值电平，其原因是因为所用二极管的频率特性。实际上，带有射频二极管元件的整流器比带有模拟二极管的整流器跟踪速度更快。同样，二极管连接的bjt或mos晶体管也有类似的带宽。这意味着这些种类的峰值检测电路具有缓慢的峰值跟踪特性，因为充电能力相对较差，并且获得缓慢的充电时间。这种体系结构适用于需要超过100ns的慢响应时间的pon系统，但更具挑战性的pon系统需要快速响应时间或高数据吞吐量的需要得到更仔细的考虑。由于窄带宽特性，基于整流器的峰值检测电路不具有快速峰值检测能力。此外，整流二极管的寄生电容会干扰信号的整流，因此负载电容上的保持充电电流可以通过寄生电容反向放电，用于高频时钟。峰值检测电路由于其寄生电容而导致二极管失去整流能力。最终，由于像积分器一样的充电和放电，这些峰值检测电路的最终检测电压不会接近时钟信号的峰值幅度，而仅仅达到峰值的一半。因为该检测到的峰值小且时间长，所以对于输入突发信号来说，很难区分大突发和软突发。因此，峰值检测电路应该被设计成与参考阈值电平相比增加相对辨别能力，以避免突发检测错误。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于至少克服现有技术中的一种缺陷，提供了一种电平检测器、峰值检测电路及突发模式跨阻放大器，其功耗较低，响应时间较短，具有快速突发电平检测能力等。
5.本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型公开了一种电平检测器，包括
放大器和滤波器，所述放大器具有两输入端和一输出端，放大器的第一输入端用于接收电压信号vin，放大器的第二输入端用于接收第一参考电压信号vref1，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端为电平检测器的输出端。
6.进一步地，所述放大器包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管，第一mos管的栅极为放大器的第一输入端，第一mos管的源极接地，第一mos管的漏极分别与第三mos管的漏极、第三mos管的栅极、第四mos管的栅极连接，第三mos管的源极连接电压vdd，第四mos管的源极连接电压vdd，第四mos管的漏极为放大器的输出端，第四mos管的漏极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与第二mos管的漏极连接，第二mos管的源极接地，第二mos管的栅极为放大器的第二输入端。
7.进一步地，所述滤波器采用低通滤波器，包括电阻rf和电容cf，电阻rf的一端与放大器的输出端连接，所述电阻rf的另一端分别与电容cf的一端、比较器的第一输入端连接，电容cf的另一端接地。
8.本实用新型公开了一种峰值检测电路，包括比较器以及如上所述的电平检测器，所述电平检测器的输出端与比较器的第一输入端连接，所述比较器的第二输入端与参考电压发生器的输出端连接，所述比较器的输出端为峰值检测电路的输出端。
9.进一步地，本实用新型的峰值检测电路还包括sr锁存器，所述sr锁存器的第一输入端与比较器的输出端连接，所述sr锁存器的第二输入端用于接收reset信号，所述sr锁存器的输出端为峰值检测电路的输出端。
10.进一步地，所述参考电压发生器包括第五mos管、第六mos管、第七mos管、第八mos管，第五mos管的栅极为参考电压发生器的第一输入端，用于接收第一参考电压信号vref1，第五mos管的源极接地，第五mos管的漏极为参考电压发生器的输出端，用于输出第二参考电压信号vref2，所述第六mos管的栅极为参考电压发生器的第二输入端，用于接收第一参考电压信号vref1，第六mos管的源极接地，第六mos管的漏极分别与第八mos管的漏极、第八mos管的栅极、第七mos管的栅极连接，第八mos管的源极连接电压vdd，第七mos管的源极连接电压vdd，第七mos管的漏极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与第五mos管的漏极连接。
11.本实用新型公开了一种突发模式跨阻放大器，包括电压输入电路以及如上所述的峰值检测电路，所述电压输入电路用于感应光信号，并将所述光信号转换成电压信号，所述峰值检测电路的第一输入端与电压输入电路的输出端连接，用于接收电压信号vin，峰值检测电路的第二输入端与阈值电压产生电路的输出端连接，用于接收第一参考电压信号vref1，所述峰值检测电路的输出端分别与电压输入电路、阈值电压产生电路的控制端连接。
12.进一步地，所述电压输入电路包括光电二极管和tia内核放大器，所述光电二极管用于接收光信号转化为电压信号，所述tia内核放大器用于接收光电二极管输出的电压信号，并输出电压信号vin，所述峰值检测电路的输出端与tia内核放大器的控制端连接，用于快速改变tia内核放大器的增益模式。
13.进一步地，阈值电压产生电路采用虚拟tia，用于产生阈值电压vref1，所述峰值检测电路的输出端与虚拟tia的控制端连接，用于改变虚拟tia的增益模式。
14.进一步地，本实用新型的突发模式跨阻放大器还包括单端转差分电路，所述单端
转差分电路的输入端与电压输入电路的输出端连接，用于接收电压输入电路输出的电压信号vin，并将单信号转换为差分输出。
15.进一步地，单端转差分电路的两个输出端与发模式跨阻放大器的两个输出端之间依次串联有自动失调消除电路、输出缓冲器。
16.本实用新型至少具有如下有益效果：本实用新型的峰值检测电路提供了电压增益和积分器特性，以便通过该滤波安全地跟踪峰值电平。
17.本实用新型的峰值检测电路提供了具有小纹波的相对大且稳定的跟踪电压。
18.本实用新型的峰值检测电路功耗较低，响应时间较短，具有快速突发电平检测能力。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1为典型的点对多点时分复用(tdm)pon系统的示意图；
21.图2为本实用新型实施例提供的峰值检测电路的电路图；
22.图3为本实用新型实施例提供的突发模式跨阻放大器的原理框图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
25.申请人发现快速跟踪高速前同步信号峰值电平的方法是不使用配置整流二极管的整流器。因为整流器在高频下由于寄生电容而不能很好地工作，所以通过仅使用合适的低通滤波器(lpf)和放大器代替它，就可以提供宽带宽、高频特性和高分辨率。因此，提出如图2所示的电平检测器以及峰值检测电路。
26.实施例一
27.参见图2，本实用新型实施例提供一种电平检测器，包括放大器和滤波器，所述放大器具有两输入端和一输出端，放大器的第一输入端用于接收电压信号vin，放大器的第二输入端用于接收第一参考电压信号vref1，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端为电平检测器的输出端。
28.进一步地，所述放大器包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管，第一mos管的栅极为放大器的第一输入端，第一mos管的源极接地，第一mos管的漏极分别与第三mos管的漏极、第三mos管的栅极、第四mos管的栅极连接，第三mos管的源极连接电压vdd，第
四mos管的源极连接电压vdd，第四mos管的漏极为放大器的输出端，第四mos管的漏极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与第二mos管的漏极连接，第二mos管的源极接地，第二mos管的栅极为放大器的第二输入端。
29.进一步地，所述滤波器采用低通滤波器，包括电阻rf和电容cf，电阻rf的一端与放大器的输出端连接，所述电阻rf的另一端分别与电容cf的一端、比较器的第一输入端连接，电容cf的另一端接地。
30.实施例二
31.参见图2，本实用新型实施例公开了一种峰值检测电路，包括比较器以及如实施例一所述的电平检测器，所述电平检测器的输出端与比较器的第一输入端连接，所述比较器的第二输入端与参考电压发生器的输出端连接，所述比较器的输出端为峰值检测电路的输出端。
32.进一步地，本实用新型的峰值检测电路还包括sr锁存器，所述sr锁存器的第一输入端与比较器的输出端连接，所述sr锁存器的第二输入端用于接收reset信号，所述sr锁存器的输出端为峰值检测电路的输出端。
33.sr锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存，就是把信号暂存以维持某种电平状态。锁存器的最主要作用是缓存，其次完成高速的控制器与慢速的外设的不同步问题，再其次是解决驱动的问题，最后是解决一个i/o口既能输出也能输入的问题。锁存器是利用电平控制数据的输入，它包括不带使能控制的锁存器和带使能控制的锁存器。
34.设置锁存器的目的是：信号都有时序，需要同步才能处理。由于时钟信号到达各个触发器所经历路径的不同，将会导致各个触发器上时钟信号的延时都不太一致，reset就是外部电路提供复位，需要的时候就输入reset信号，不需要的时候就保持vpeak_d电平。
35.进一步地，所述参考电压发生器包括第五mos管、第六mos管、第七mos管、第八mos管，第五mos管的栅极为参考电压发生器的第一输入端，用于接收第一参考电压信号vref1，第五mos管的源极接地，第五mos管的漏极为参考电压发生器的输出端，用于输出第二参考电压信号vref2，所述第六mos管的栅极为参考电压发生器的第二输入端，用于接收第一参考电压信号vref1，第六mos管的源极接地，第六mos管的漏极分别与第八mos管的漏极、第八mos管的栅极、第七mos管的栅极连接，第八mos管的源极连接电压vdd，第七mos管的源极连接电压vdd，第七mos管的漏极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与第五mos管的漏极连接。
36.参考电压就是一个固定的比较值，用来和动态实际值做反馈比较，然后输出比较结果。dummytia用于产生自动增益控制(agc)所需要的电压参考点vref1，再进行滤波，输出vref2。
37.图2中新的峰值检测电路包括一个放大和跟踪信号电平的电平检测器，一个提供区别电平电压的参考电压发生器，以及一个输出脉冲信号状态(强或弱)的1-bit结果的比较器和sr锁存器。电平检测器由一个rclpf(低通滤波器)和一个放大器构成。具有大约100mhz带宽的rc-lpf不是整流器，而是类似信号积分器的单极滤波器。放大器具有差分输入和单输出，放大tia内核的输出信号，将光电二极管(pd)后的输入电流转换为电压。此外，它还有一个单极频率特性，其带宽比rc-lpf的带宽稍宽，因此图2左侧所示的rclpf(电阻rf
和电容cf组成的部分)和放大器(mosfet和r1)这两部分的组合提供了电压增益和积分器特性，以便通过该滤波安全地跟踪峰值电平。图2的右边是与该状态相关的每个块的瞬态结果。当突发前同步信号输入时，rc-lpf输出输入幅度一半的平均跟踪电压作为峰值检测器，但是该输出作为绝对值与噪声环境中的参考相比非常小。接下来，放大器输出相对放大的跟踪电压，但是存在大的纹波来中断辨别。最后，所提出的包括rclpf(电阻rf和电容cf组成的部分)和放大器(mosfet和r1)这两部分的组合电路提供了具有小纹波的相对大且稳定的跟踪电压。
38.实施例三
39.利用实施例二的峰值检测电路构建整个bm-tia框图，如图3所示。本实用新型实施例公开了一种含低功耗峰值检测电路的突发模式跨阻放大器，包括电压输入电路以及如实施例二所述的峰值检测电路，所述电压输入电路用于感应光信号，并将所述光信号转换成电压信号，所述峰值检测电路的第一输入端与电压输入电路的输出端连接，用于接收电压信号vin，峰值检测电路的第二输入端与阈值电压产生电路的输出端连接，用于接收第一参考电压信号vref1，所述峰值检测电路的输出端分别与电压输入电路、阈值电压产生电路的控制端连接。
40.进一步地，所述电压输入电路包括光电二极管和tia内核放大器，所述光电二极管用于接收光信号转化为电压信号，所述tia内核放大器用于接收光电二极管输出的电压信号，并输出电压信号vin，所述峰值检测电路的输出端与tia内核放大器的控制端连接，用于快速改变tia内核放大器的增益模式。
41.进一步地，阈值电压产生电路采用虚拟tia(其等效于tia内核)，用于产生阈值电压vref1，所述峰值检测电路的输出端与虚拟tia的控制端连接，用于改变虚拟tia的增益模式。阈值电压vref1根据实际应用情况来看。
42.进一步地，本实用新型的突发模式跨阻放大器还包括单端转差分电路(s2d)，所述单端转差分电路的输入端与电压输入电路的输出端连接，用于接收电压输入电路输出的电压信号vin，并将单信号转换为差分输出。
43.进一步地，单端转差分电路的两个输出端与发模式跨阻放大器的两个输出端之间依次串联有第一自动失调消除电路(aoc)、第二自动失调消除电路(aoc)、输出缓冲器。两个aoc是为了更好消除dc电平变化引起的输入信号失调。
44.本实用新型的突发模式跨阻放大器的工作原理为：在tia内核进行电流电压转换后，s2d基于参考共模电压(vref1)将单信号转换为差分对，以实现更好的共模噪声抑制和更宽的线性信号摆幅。两个aoc和输出缓冲器用于消除dc电平变化引起的输入失调。bm-tia中的信号电平检测器接收tia内核的输出(vin)和虚拟tia内核的输出(vref1)，然后输出1-bit检测值(vpeakd),用于快速改变tia内核和虚拟tia内核的增益模式(高或低)。
45.为了拓宽动态范围，该电路中信号电平检测器的vpeakd可以是2-bit或更高。
46.本实用新型将设计的ic直接焊接到测试pcb上，并在其上安装pd等效电路和输出匹配元件，以进行电气测试。对于10gb/s突发前同步码输入，设计的ic表现出25ns的快速响应。在这种情况下，该芯片在3.3v电源下的功耗仅为110mw左右。根据上述结果可以看出，本实用新型的方案功耗低，明显优于现有技术。本实用新型使用rc-lpf代替整流器的宽带，使用两个相同的放大器增加检测信号的分辨率，以及通过这种组合提供稳定信号抑制的双极
效应。这些允许快速突发电平检测，而几乎不依赖于温度和过程变化。此外，其简单的配置允许小的布局面积和可靠的稳定性能。实验结果表明，这些技术适用于提高响应时间。
47.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。