阅读说明：本技术 用于光通信的通带频率可调的差分共源共栅放大器 (Passband frequency adjustable differential cascode amplifier for optical communications ) 是由 卢卡·皮亚宗 于 2017-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于光通信的差分共源共栅放大器,包括与第二可变电阻器连接的第一可变电阻器,其中,所述第一可变电阻器还与第一公共控制端口晶体管的控制端口连接,且所述第二可变电阻器还与所述共源共栅放大器的第二公共控制端口晶体管的控制端口连接。(The invention provides a differential cascode amplifier for optical communication, comprising a first variable resistor connected to a second variable resistor, wherein the first variable resistor is further connected to a control port of a first common control port transistor, and the second variable resistor is further connected to a control port of a second common control port transistor of the cascode amplifier.)

用于光通信的通带频率可调的差分共源共栅放大器

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种用于光通信的差分共源共栅放大器及其工作方法。所述差分共源共栅放大器具体可以支持通带频率调整。

背景技术

当传统放大器的带宽低于通信标准中的比特率的大约70％时，用于光通信的传统放大器会引起高符号间干扰(inter symbol interference，ISI)。

相反，如果传统放大器的带宽远高于通信标准中的比特率的大约70％时，则光信噪比(optical signal to noise ratio，OSNR)较低。因此，光通信中使用的传统放大器的带宽需根据通信标准的目标比特率进行优化。

然而，要准确预测光发射器和接收器(其中应用了传统放大器)的带宽并非易事，因为这取决于无法正确模拟的若干块间的互连。此外，频率响应取决于技术和制造的变化。最后，同一光模块可以应用于具有不同目标比特率的不同通信标准中。因此，需要采用不同的带宽实现ISI和SNR之间的最优均衡。

在此场景中，通带频率可调的放大器备受关注，以便直接在现场对ISI和SNR之间的均衡进行最佳优化。

一种使传统差分放大器具有可调通带频率响应的方法是在传统差分放大器的输出侧引入变容二极管、可变电感器及可变电阻器。

发明内容

鉴于上述问题和不足，本发明旨在对传统差分放大器进行改进。

本发明实施例尤其能够实现用于光通信的发射机和接收机链的ISI和OSNR之间的均衡优化，其中，所述发射机和接收机链中使用了根据本发明的所述差分共源共栅放大器。

通过本发明的具有可调通带频率响应的差分共源共栅放大器，可直接在现场(例如，操作过程中)对光发射器和接收器的带宽进行最佳优化。在基于差分数字源的光学系统中，为提高信号的速度和质量，可采用基于本发明中的具有可调通带频率响应的差分共源共栅放大器的优选方案以实现带宽调整。

更具体地，与现有技术相比，根据本发明实施例的差分共源共栅放大器具有以下优点：

1.更高的集成度：所提出的方案无需使用电感器和可变电感器，从而能够简便地集成在单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)技术中；

2.更高的工作频率：根据本发明的差分共源共栅放大器无需使用电感器和可变电感器(若使用电感器和可变电感器则无法实现高频下的低损耗)，从而将高频损耗降至最低；

3.更高的线性度：将本发明的差分共源共栅放大器中使用的可变电阻器等可变组件插入共栅极晶体管的栅极支路中，其中射频信号的幅度非常小。因此，所述可变组件在低信号电平下工作，几乎不会导致非线性；

4.更高的可靠性：将本发明的差分共源共栅放大器中使用的可变电阻器等可变组件插入共栅极晶体管的栅极支路中，其中直流(direct current，DC)电压和电流的幅度最小。因此，能够便捷地实现功率处理。

本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的方案实现。在从属权利要求中进一步定义了本发明的有利实施方式。

本发明的第一方面提供了一种用于光通信的差分共源共栅放大器，包括与第二可变电阻器连接的第一可变电阻器，其中，所述第一可变电阻器还与第一公共控制端口晶体管的控制端口连接，且所述第二可变电阻器还与所述共源共栅放大器的第二公共控制端口晶体管的控制端口连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第一种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一电压源，其中所述第一电压源可以与所述第一可变电阻器连接，且所述第一电压源可以与所述第二可变电阻器连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第二种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一输出端口和第二输出端口，其中，所述第一输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，且所述第二输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第三种实现方式中，所述第一公共控制端口晶体管与所述第一输出端口连接可以包括：所述第一输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管的输出端口连接；所述第二公共控制端口晶体管与所述第二输出端口连接可以包括：所述第二输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管的输出端口连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第四种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一电阻器、第二电阻器及第二电压源，其中，所述第一电阻器可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，所述第二电阻器可以与所述第二公共控制端口晶体管连接，且所述第一电阻器和所述第二电阻器可以与所述第二电压源连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第五种实施方式中，所述第一电阻器与所述第一公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第一电阻器可以与所述第一公共控制端口晶体管的输出端口连接；所述第二电阻器205与所述第二公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第二电阻器可以与所述第二公共控制端口晶体管的输出端口连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第六种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一公共输入端口晶体管、第二公共输入端口晶体管及第一电流源，所述第一公共输入端口晶体管可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，所述第二公共输入端口晶体管可以与所述第二公共控制端口晶体管连接，且所述第一电流源可以与所述第一公共输入端口晶体管和所述第二公共输入端口晶体管连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第七种实现方式中，所述第一公共输入端口晶体管与所述第一公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第一公共输入端口晶体管的输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管的输入端口连接；所述第二公共输入端口晶体管与所述第二公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第二公共输入端口晶体管的输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管的输入端口连接；所述第一电流源与所述第一公共输入端口晶体管和所述第二公共输入端口晶体管连接可以包括：所述第一电流源可以与所述第一公共输入端口晶体管的输入端口和所述第二公共输入端口晶体管的输入端口连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第八种实现方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一输入端口和第二输入端口，所述第一输入端口可以与所述第一公共输入端口晶体管连接，优选地与所述第一公共输入端口晶体管的控制端口连接，且所述第二输入端口可以与所述第二公共输入端口晶体管连接，优选地与所述第二公共输入端口晶体管的控制端口连接。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第九种实施方式中，所述第一可变电阻器可以通过晶体管、电位计或可切换电阻器实现，且所述第二可变电阻器可以通过晶体管、电位器或可切换电阻器实现。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第十种实施方式中，所述第一可变电阻器可以通过晶体管实现，所述差分共源共栅放大器还包括与所述第一可变电阻器连接，优选地与所述第一可变电阻器的控制端口连接的控制电压源，且所述差分共源共栅放大器可以用于根据所述控制电压源提供的控制电压控制所述第一可变电阻器。

根据所述第一方面，在所述差分共源共栅放大器的第十一种实施方式中，所述第二可变电阻器可以通过晶体管实现，所述控制电压源还与所述第二可变电阻器连接，优选地与所述第二可变电阻器的控制端口连接，且所述差分共源共栅放大器还用于根据所述控制电压源提供的控制电压控制所述第二可变电阻器。

本发明的第二方面提供了一种用于操作差分共源共栅放大器以进行光通信的方法，其中，所述差分共源共栅放大器包括与第二可变电阻器连接的第一可变电阻器，所述第一可变电阻器还与所述共源共栅放大器的第一公共控制端口晶体管的控制端口连接，所述第二可变电阻器还与所述共源共栅放大器的第二公共控制端口晶体管的控制端口的连接，且所述方法包括以下步骤：通过所述第一可变电阻器和所述第二可变电阻器调整所述差分共源共栅放大器的通带频率响应。

根据所述第二方面，在所述方法的第一种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一电压源，其中，所述第一电压源可以与所述第一可变电阻器连接，且所述第一电压源可以与所述第二可变电阻器连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第二种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，且所述第二输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第三种实现方式中，所述第一公共控制端口晶体管与所述第一输出端口连接可以包括：所述第一输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管的输出端口连接，且所述第二公共控制端口晶体管与所述第二输出端口连接可以包括：所述第二输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管的输出端口连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第四种实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一电阻器、第二电阻器及第二电压源，其中，所述第一电阻器可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，所述第二电阻器可以与所述第二公共控制端口晶体管连接，且所述第一电阻器和所述第二电阻器可以与所述第二电压源连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第五种实现方式中，所述第一电阻器与所述第一公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第一电阻器可以与所述第一公共控制端口晶体管的输出端口连接；所述第二电阻器205与所述第二公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第二电阻器可以与所述第二公共控制端口晶体管的输出端口连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第六实施方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一公共输入端口晶体管、第二公共输入端口晶体管及第一电流源，所述第一公共输入端口晶体管可以与所述第一公共控制端口晶体管连接，所述第二公共输入端口晶体管可以与所述第二公共控制端口晶体管连接，且所述第一电流源可以与第一公共输入端口晶体管和第二公共输入端口晶体管连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第七种实现方式中，所述第一公共输入端口晶体管与所述第一公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第一公共输入端口晶体管的输出端口可以与所述第一公共控制端口晶体管的输入端口连接；所述第二公共输入端口晶体管与所述第二公共控制端口晶体管连接可以包括：所述第二公共输入端口晶体管的输出端口可以与所述第二公共控制端口晶体管的输入端口连接；所述第一电流源与所述第一公共输入端口晶体管和所述第二公共输入端口晶体管连接可以包括：所述第一电流源可以与所述第一公共输入端口晶体管的输入端口和所述第二公共输入端口晶体管的输入端口连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第八种实现方式中，所述差分共源共栅放大器还可以包括第一输入端口和第二输入端口，所述第一输入端口可以与所述第一公共输入端口晶体管连接，优选地与所述第一公共输入端口晶体管的控制端口连接，且所述第二输入端口可以与所述第二公共输入端口晶体管连接，优选地与所述第二公共输入端口晶体管的控制端口连接。

根据所述第二方面，在所述方法的第九种实施方式中，所述第一可变电阻器可以通过晶体管、电位计或可切换电阻器实现，且所述第二可变电阻器可以通过晶体管、电位器或可切换电阻器实现。

根据所述第二方面，在所述方法的第十种实施方式中，所述第一可变电阻器可以通过晶体管实现，所述差分共源共栅放大器还包括与所述第一可变电阻器连接，优选地与所述第一可变电阻器的控制端口连接的控制电压源，且所述差分共源共栅放大器可以用于根据所述控制电压源提供的控制电压控制所述第一可变电阻器。

根据所述第二方面，在所述方法的第十一种实施方式中，所述第二可变电阻器可以通过晶体管实现，所述控制电压源还可以与所述第二可变电阻器连接，优选地与所述第二可变电阻器的控制端口连接，且所述差分共源共栅放大器还可以用于根据所述控制电压源提供的控制电压控制所述第二可变电阻器。

需要注意的是，本申请中描述的所有设备，元件，单元和装置可以以软件或硬件元件或其任意组合实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行特定步骤或功能的该实体的具体元件的描述中体现，但是技术人员应该清楚的是这些方法和功能可以通过各自的硬件或软件元件或其任意组合实现。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：

图1示出了根据本发明实施例的差分共源共栅放大器；

图2更详细地示出了根据本发明实施例的差分共源共栅放大器；

图3示出了晶体管的示意模型；

图4示出了根据本发明实施例的另一差分共源共栅放大器；

图5示出了根据本发明实施例的另一差分共源共栅放大器；

图6示出了根据本发明实施例的另一差分共源共栅放大器；

图7是根据本发明实施例的方法的概述图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的差分共源共栅放大器100的细节。所述差分共源共栅放大器100尤其适合于光通信，例如，处理用于光通信的频率，并通过通用共源共栅配置实现。具体地，所述差分共源共栅放大器100由图1所示的包含其它电路的矩形示出。所述矩形具体示出了所述差分共源共栅放大器100原则上可以是包括其他非传统电路的传统共源共栅放大器。本发明的有益效果正是基于所述其他电路。

所述差分共源共栅放大器100包括第一可变电阻器101和第二可变电阻器102。如图1所示，所述第一可变电阻器101和所述第二可变电阻器102相互连接。

所述第一可变电阻器101和/或所述第二可变电阻器102可以通过若干方式实现。例如，每个所述可变电阻器可以是晶体管、电位计、变阻器或可切换电阻器。特别地，可变电阻器可以是具有至少两个端子的任何组件，其本构行为可用等式I＝k·V描述，其中，I是流经所述端子的电流，V是所述端子间的压降。因此，可以通过某种方式改变或调整参数k，例如，通过将机械变化、电压或电流施加到可变电阻器的第三端子或其他端子上。

所述第一可变电阻器101还与第一公共控制端口晶体管103的控制端口103c连接，所述第二可变电阻器102还与所述共源共栅放大器100的第二公共控制端口晶体管104的控制端口104c连接，换言之，所述第一可变电阻器101和所述第二可变电阻器102插入所述差分共源共栅放大器100的所述第一公共控制端口晶体管103和所述第二公共控制端口晶体管104的控制端口支路中。这实现了所述差分共源共栅放大器100的通带频率响应的调整，且实现了前述与现有技术相比的突出优点。因此，可被视为本发明的核心。

所述第一公共控制端口晶体管103或所述第二公共控制端口晶体管104可以通过现有技术中已知的任何类型的晶体管实现。而且，本文将描述的所有其它晶体管也可以通过现有技术中已知的任何类型的晶体管来实现。更具体地，所述差分共源共栅放大器100中可以使用双极型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)或场效应晶体管(fieldeffect transistor，FET)。所述差分共源共栅放大器100中使用的所有晶体管不一定是同一类型，也可以是不同类型的晶体管的任意组合。

在使用BJT时，可以将所述BJT的基本端口当作控制端口，将所述BJT的发射极端口当作输入端口，并将所述BJT的集电极端口当作输出端口。

在使用FET时，可以将所述FET的栅极端口当作控制端口，将所述FET的漏极端口当作输出端口，并将所述FET的源极端口当作输入端口。

所述共源共栅放大器100还可以通过异质结双极型晶体管(heterojunctionbipolar transistor，HBT)、达林顿晶体管、肖特基晶体管、多发射极晶体管、双栅极金属氧化物半导体场效应管(meta1-oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、结型FET晶体管、雪崩晶体管、扩散型晶体管等晶体管类型实现。

传统的差分共源共栅放大器通常需要四个晶体管、两个输出负载、两个DC电压源和一个DC电流源(例如，下文结合图2所述)。然而，图1仅示出了差分共源共栅放大器100的实现本发明的核心效果(即，调整所述差分共源共栅放大器100的通带频率响应)所需的组件。所述差分共源共栅放大器的任何其它组件，特别是将在下文中描述的组件，尤其是结合图2中所述的组件，都可以视为可选特征。现有技术中已知的共源共栅差分放大器的任何变形，尤其是图1所示的情形，都适合与本发明一起使用。

图2更详细地示出了根据本发明实施例的差分共源共栅放大器200。如下所述的差分共源共栅放大器200包括所述差分共源共栅放大器100的所有特征和功能。所述差分共源共栅放大器200的所有额外特征和功能均视为可选特征。图2的特征尤其涉及所述差分共源共栅放大器200的共源共栅配置。

所述差分共源共栅放大器200具体包括第一电压源201、第一输出端口202、第二输出端口203、第一电阻器204、第二电阻器205、第二电压源206、第一公共输入端口晶体管207、第二公共输入端口晶体管208、第一电流源209、第一输入端口210及第二输入端口211。

此外，所述第一公共控制端口晶体管103包括控制端口103c、输入端口103i及输出端口103o。所述第二公共控制端口晶体管104包括控制端口104c、输入端口104i及输出端口104o。所述第一公共输入端口晶体管207包括控制端口207c、输入端口207i及输出端口207o。所述第二公共输入端口晶体管208包括控制端口208c、输入端口208i及输出端口208o。

如图2所示，各组件相互连接。

换言之，与其他现有技术的共源共栅放大器一样，所述共源共栅放大器包括四个晶体管103、104、210及211(也可称为Q1、Q2、Q3及Q4)，两个输出负载202和203(也可称为R_L1和R_L2)，两个DC电压源201和206(也可称为V_DD和V_GG)，以及一个DC电流源209(也可称为I_E)。

所述差分共源共栅放大器的差分输入可以用V_in+和V_in-表示，并且可以由端口210和211传送。

所述差分共源共栅放大器的差分输出可以用V_out+和V_out-表示，并且可以由端口202和203传送。

所述两个DC电压源201和206(也可称为V_DD和V_GG)也可通过单个电压源提供，V_DD和V_GG均可从该电压源分接。

图3示出了可用于分析根据本发明的差分共源共栅放大器100或200的行为的晶体管的示意模型。图3的描述尤其涉及所述差分共源共栅放大100或200中除了用于实现所述第一可变电阻器101和/或所述第二可变电阻器102的晶体管之外的所有晶体管。

虽然可以通过任何类型的晶体管实现所述差分共源共栅放大器100或200的功能，但是此处通过已知的简化模型进行论证，在该模型中，假定晶体管为FET，如图3所示。图3的A部分示出了上述的通用晶体管的输出端口、控制端口及输入端口与FET的漏极端口、栅极端口及源极端口之间的相关性。

图3的B部分示出了由电压控制电流源(I_ds＝g_m·V_gs)和两个电容器(C_gs和C_gd)组成的FET的等效电路。

根据所述FET的等效电路，可以证明共源共栅放大器中传递函数的频率带宽受到共源极晶体管(即图2中的207和208)的限制，其上通带频率近似等于下述频率(f)：

上述等式可视为等式1，其中R_S是输入源的阻抗，Z_inCG是共栅极晶体管的输入阻抗。Z_inCG的值可以通过以下等式(等式2)进行估计：

其中，假设共源极晶体管和共栅极晶体管(即图2中的103和104)相等，则组成等效模型的组件(g_m、C_gs及C_gd)的值相等。

所述等式1和2表明，所述差分共源共栅放大器200的上通带频率取决于所述可变电阻器101和102的值。因此，可以通过调整所述可变电阻器101和102的值来调整所述差分共源共栅放大器200的通带频率响应。

由差分放大电路(即：Q₁≠Q₂≠Q₃≠Q₄和/或R_L1≠R_L2，也即：103≠104≠210≠211和/或202≠203)和可变电阻器(R_var1≠R_var2，即：101≠102)在所述差分共源共栅放大器中引入的任何不对称性均能改变所述差分共源共栅放大器100或200的实际行为，但不会影响本发明所依据的工作原理。

图4示出了根据本发明实施例的另一个差分共源共栅放大器400。将两个晶体管401和402插入所述第一公共控制端口晶体管103和所述第二公共控制端口晶体管104的控制端口支路中。因此，所述两个晶体管401和402实现了可变电阻器101和102。所述差分共源共栅放大器400还包括控制电压源403，其提供控制电压以控制晶体管401和402，从而进一步实现所述可变电阻器101和102。

图4所示的实施例提供一种将本发明完全集成在MMIC设备中的优选方式。

组成所述差分共源共栅放大器的晶体管(即103、104、210及211)的配置与图2中相同。所述晶体管401和402，即，实现所述可变电阻器101和102的FET，的输入端子和输出端子(即源极端口和漏极端口)是可互换的。因此，可以采用以下任意组合：两个输入端口均与所述第一电压源201连接，两个输出端口均与所述第一电压源201连接，或一个输入端口和一个输出端口与所述第一电压源201连接。

图5示出了根据本发明实施例的另一个差分共源共栅放大器500。所述差分共源共栅放大器500包括如上所述的差分共源共栅放大器的所有特征和功能。在所述差分共源共栅放大器500中，所述可变电阻器101和102分别通过电位计501和502实现。

图6示出了根据本发明实施例的另一个差分共源共栅放大器。所述差分共源共栅放大器600包括如上所述的差分共源共栅放大器的所有特征和功能。在所述差分共源共栅放大器600中，所述可变电阻器101和102分别通过电位计602和602实现。

虽然未在图1至图6的任何一个图中示出，但可能存在图1至图6中任一个图中的第一可变电阻器和图1至图6中任一个图中的第二可变电阻器的任意组合。例如，可能存在第一可变电阻器101和第二可变电阻器102的以下组合：

所述第一可变电阻器101通过晶体管401实现，所述第二可变电阻器102通过电位计502实现。

所述第一可变电阻器101通过晶体管401实现，所述第二可变电阻器102通过可切换电阻器602实现。

所述第一可变电阻器101通过电位计501实现，所述第二可变电阻器102通过晶体管402实现。

所述第一可变电阻器101通过电位计501实现，所述第二可变电阻器102通过可切换电阻器602实现。

所述第一可变电阻器101通过可切换电阻器601实现，所述第二可变电阻器102通过晶体管402实现。

所述第一可变电阻器101通过可切换电阻器601实现，所述第二可变电阻器102通过电位计502实现。

图7示出了一种用于操作差分共源共栅放大器100以进行光通信的方法700的概述图，其中，所述差分共源共栅放大器100包括与第二可变电阻器102连接的第一可变电阻器101，所述第一可变电阻器101还与所述共源共栅放大器100的第一公共控制端口晶体管103的控制端口103c连接，所述第二可变电阻器102还与所述共源共栅放大器100的第二公共控制端口晶体管104的控制端口104c连接，且所述方法700与图1的所述差分共源共栅放大器100对应，因此可用于操作所述差分共源共栅放大器100。所述方法700包括步骤：通过所述第一可变电阻器101和所述第二可变电阻器102调整701所述差分共源共栅放大器100的通带频率响应。

已结合作为实例的不同实施例以及实施方式描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请求保护的发明，研究附图、本公开以及独立权项能够理解并获得其它变型。在权利要求以及描述中，术语“包括”但不排除其它元件或步骤，且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的组合不能在有利的实现方式中使用。