一种跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路
阅读说明：本技术 一种跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路 (Transimpedance amplifier with switchable transimpedance gain and single-ended-to-differential amplification circuit ) 是由 林少衡 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路,跨阻增益可切换跨阻放大器包括单端放大器、主反馈电阻、高速信号强度检测电路以及至少一个高速增益切换电路,单端放大器与主反馈电阻并联,高速信号强度检测电路检测单端放大器的输出信号强度；每个高速增益切换电路的输入端和输出端分别与单端放大器的输入端和输出端连接,高速增益切换电路的控制端与高速信号强度检测电路的输出端连接；单端转差分放大电路包括该跨阻增益可切换跨阻放大器。本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路适用于突发接收系统。(The invention discloses a trans-impedance gain switchable trans-impedance amplifier and a single-end differential amplifier circuit, wherein the trans-impedance gain switchable trans-impedance amplifier comprises a single-end amplifier, a main feedback resistor, a high-speed signal intensity detection circuit and at least one high-speed gain switching circuit, the single-end amplifier is connected with the main feedback resistor in parallel, and the high-speed signal intensity detection circuit detects the intensity of an output signal of the single-end amplifier; the input end and the output end of each high-speed gain switching circuit are respectively connected with the input end and the output end of the single-ended amplifier, and the control end of each high-speed gain switching circuit is connected with the output end of the high-speed signal intensity detection circuit; the single-ended to differential amplifier circuit comprises the transimpedance gain switchable transimpedance amplifier. The transimpedance gain switchable transimpedance amplifier and the single-end-to-differential amplifying circuit are suitable for a burst receiving system.)
技术领域
本发明涉及跨阻放大器领域，特别是指一种跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路。
背景技术
在现代高速光纤通信系统中，跨阻放大器TIA(Trans-Impedance Amplifier)用于将光电二极管生成的微弱光电流信号转化并放大为电压信号，然后再输出给后端电路进行处理。因此跨阻放大器TIA处于接收端最前沿，是光通信系统接收端的核心器件，其噪声、灵敏度、动态范围、灵敏度等核心指标基本决定了整个接收系统的性能。
跨阻放大器电路的输入动态范围是一项重要指标，其定义为饱和输入光功率与灵敏度的差值。饱和输入光功率和灵敏度分别定义为在一定可允许误码率范围内的最大和最小输入光功率。灵敏度主要由等效输入噪声决定，等效输入噪声越小，则灵敏度指标越高；而饱和输入光功率主要由输出信号的脉宽失真等因素决定。要取得比较良好的灵敏度指标，需要在带宽允许的前提下，将跨阻增益(即RFz值)尽量做大，而跨阻增益越大，则饱和输入光功率则越小。
在实际应用的跨阻放大器中通常都会加入自动增益控制(Automatic GainControl，AGC)电路来解决这个问题。即在较小输入光功率时，保持大跨阻增益；在较大输入光功率时，自动调节减小跨阻增益，使得输出信号不会产生过大的脉宽失真，从而拓宽动态范围。
传统的AGC电路通常采用一个可调的有源电阻Q与反馈电阻Rf并联来实现对跨阻增益的调节。有两种常用的方法来检测输入光功率是否会过大到导致输出产生过大的脉宽失真，第一种是检测跨阻放大器TIA的交流输出幅度，如图1所示；第二种是检测跨阻放大器TIA的输出直流电平变化，如图2所示。
这两种方法都需要在反馈环路中加入低通滤波器LPF以滤除高频分量，以保持跨阻增益的稳定而降低输出信号抖动。通常为了保证可接受的抖动特性，AGC环路的低频截止频率需要低至几十KHz。由于AGC环路存在低频截止频率，且低频截止频率又较低，因此AGC环路需要较长的稳定收敛时间，通常在几十us左右。因此这两种普通AGC电路仅适用于于连续通讯模式。
而在无源光网络(Passive Optical Network,PON)系统中，在OLT(Optical LineTerminal)端，接收端接收的信号是突发(BurstMode)的信号，即几十个的ONU(OpticalNetworkUnit)局端按照一定的时分轮流发送信号给OLT，每个ONU发送的光功率、传送距离不一，因此OLT端接收到的光信号具有时序突发、光功率突变的特点，如图3所示。
PON主要分为GPON和EPON，其中由于采用NRZ编码以及更严格的时序要求，GPON的实现难度远大于EPON。以GPON为例，一个典型的GPON突发数据包如图4所示，一个突发数据包packet由前导码preamble(0101编码，占空比50％)、有效数据data(NRZ编码)、安全间隙区guardtime(0信号)构成。当OLT的突发接收系统接收到一个突发数据包packet时，整个突发接收系统需要在前导码时序内建立稳定的工作状态，以正确处理后续的有效数据date。
不同的PON的前导码长度要求有些不同，如1.25G/10G EPON为512ns，GPON为12.8ns，XG-PON/XGS-PON为128ns，因此如果采用传统的AGC，则传统的AGC电路的收敛时序显然是无法满足要求的。同时，由于XGS/XG/GPON的信号编码为NRZ码，最长连线码(consequential identical digit,CID)达72bit，在传输这种编码信号时，整个信号通道的低频截止频率必须足够低(通常要求小于100KHz)，才能减小直流漂移(DC Wandering)效应，减小抖动。因此这种矛盾的存在，导致传统的AGC电路无法适用于突发接收系统上。
为了克服上述矛盾，配合图5和图6所示，一般的突发AGC电路利用一个与跨阻放大器TIA的反馈电阻RF并联的压控分流元件来钳制跨阻放大器TIA的输出幅度，配合图5所示，该压控分流元件可以为二极管D，配合图6所示，该压控分流元件也可以是采用二极管连接方式的MOS管Q；当输入信号的电流增大到一定程度，跨阻放大器TIA的输出节点电压下降，造成反馈电阻RF的压降增大到使得压控分流元件开启，压控分流元件分流掉部分输入信号的电流，从而使得跨阻放大器TIA的输出幅度不再急剧增大，从而将跨阻放大器TIA输出幅度钳制在一定范围内。但这种方式有一个缺点，典型的二极管的开启电压的阈值为0.7V左右，而采用二极管连接方式的MOS管，其开启电压的阈值基本上也都在0.4V以上；而一般跨阻放大器TIA输出幅度只有在0.2V以内才不会产生明显的失真，因此，一般压控分流元件只能采用特殊的低阈值(low threshold)器件来实现跨阻放大器的自动增益控制的快速响应，这样做的代价是工艺成本上升，并且需要特别工艺支持，很多商用工艺不支持这种特殊器件的工艺选项。
另外，常用的光通信系统在接收端接收到的光脉冲信号为单端非对称信号，光脉冲信号经过光电二极管转化为光电流信号后输入到跨阻放大器，经过核心跨阻放大器转换放大为单端电压信号。而在高速信号传输中，为了抑制共模噪声，需要将单端电压信号再进一步转换为差分电压信号以利于消除共模噪声；目前常用的两种单端转差分放大电路如图7和图8所示，但是现有的这两种单端转差分放大电路为了保持偏置端的稳定，需要进行低通滤波，这导致需要较长时间的收敛时间进行稳定，也无法应用到突发接收系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨阻增益可切换跨阻放大器及单端转差分放大电路，以克服现有技术中的不足。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种跨阻增益可切换跨阻放大器，其包括信号输入端、信号输出端、单端放大器、主反馈电阻、高速信号强度检测电路以及至少一个高速增益切换电路；所述单端放大器的输入端连接信号输入端和主反馈电阻的第一端，单端放大器的输出端连接主反馈电阻的第二端和信号输出端；所述高速信号强度检测电路的输入端连接信号输出端，高速信号强度检测电路用于检测信号输出端输出信号的强度；每个所述高速增益切换电路的输入端和输出端分别与单端放大器的输入端和输出端连接，高速增益切换电路的控制端与高速信号强度检测电路的输出端连接；所述高速增益切换电路在所述的跨阻增益可切换跨阻放大器每输入一个突发数据包时根据高速信号强度检测电路检测到的信号输出端输出信号的强度来控制其输入端和输出端之间导通与否，进而控制与单端放大器的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值，从而控制所述的跨阻增益可切换跨阻放大器的跨阻增益。
所述高速增益切换电路包括高速电压比较器、锁存器、高速电子开关以及增益调节电阻，其中高速电压比较器的第一输入端为高速增益切换电路的控制端，高速电压比较器的第二输入端用于接入切换阈值信号，高速电压比较器的输出端连接锁存器的输入端，锁存器的复位端用于接入复位信号，锁存器的输出端连接高速电子开关的控制端，高速电子开关的输入端连接增益调节电阻的第一端，高速电子开关的输出端即为高速增益切换电路的输出端，增益调节电阻的第二端为高速增益切换电路的输入端；当高速增益切换电路的数量为两个以上时，各高速增益切换电路的高速电压比较器的第二输入端接入的切换阈值信号的电压值各不相同，各高速增益切换电路的增益调节电阻的阻值也各不相同；所述复位信号在每个输入到信号输入端的突发数据包的包头阶段或包尾阶段输入到各高速增益切换电路的锁存器的复位端而使得锁存器复位。
每个所述高速增益切换电路还包括与增益调节电阻并联的调节电容。
一种单端转差分放大电路，其包括伪跨阻放大器、差分电压放大器以及如上所述的跨阻增益可切换跨阻放大器；所述差分电压放大器的两个输入端分别连接伪跨阻放大器的输出端和跨阻增益可切换跨阻放大器的信号输出端；所述伪跨阻放大器用于提供一个偏置信号给差分电压放大器，该偏置信号低于跨阻增益可切换跨阻放大器的信号输出端在其信号输入端没有信号输入时输出的信号的电压，且伪跨阻放大器的工艺、电源和温度变化特性与跨阻增益可切换跨阻放大器在其信号输入端没有信号输入时的工艺、电源和温度变化特性相同。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：
1、本发明的高速增益切换电路和高速信号强度检测电路具有高速响应性能，从而可以快速切换跨阻增益可切换跨阻放大器的跨阻增益，使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器可适用于突发接收系统；
2、本发明通过设置高速信号强度检测电路以及至少一个高速增益切换电路，使得与单端放大器的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值具有至少两档阻值切换档位，从而使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器具有至少两个跨阻增益档位，进而使得本发明可以根据信号输入端输入的信号强度来快速选择合适的跨阻增益档位进行切换；
3、在本发明中，复位信号在一个突发数据包的包头阶段(前导码阶段)或包尾阶段(安全间隙区阶段)输入到各高速增益切换电路的锁存器的复位端，这使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器可以在新的突发数据包的包头阶段自动根据每个突发数据包来切换到合适的跨阻增益档位并在下一个复位信号输入之前锁定该跨阻增益档位，使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器的增益可以在突发数据包的有效数据阶段保持稳定，避免增益波动带来的信号误码；
4、本发明的伪跨阻放大器可以提供无低通特性的偏置信号给差分电压放大器，从而可以使得本发明的单端转差分放大电路可以适用于突发接收系统。
附图说明
图1为检测跨阻放大器的交流输出幅度的自动增益控制电路的电路原理图。
图2为检测跨阻放大器的输出直流电平变化的自动增益控制电路的电路原理图。
图3为OLT端接收到的光信号的时序图。
图4为GPON突发数据包的时序图。
图5为现有的突发AGC控制电路的电路原理图(压控分流元件为二极管)。
图6为现有的突发AGC控制电路的电路原理图(压控分流元件为MOS管)。
图7为现有的第一种单端转差分电路的电路原理图。
图8为现有的第二种单端转差分电路的电路原理图。
图9为本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器实施例一的电路原理图。
图10为本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器实施例二的电路原理图。
图11为本发明的单端转差分放大电路实施例一的电路原理图。
图12为本发明的单端转差分放大电路实施例二的电路原理图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图9至图12所示，本发明揭示了一种跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC，其包括信号输入端IN、信号输出端OUT、单端放大器A、主反馈电阻Rmax、高速信号强度检测电路HST以及至少一个高速增益切换电路HGC；其中所述单端放大器A的输入端连接信号输入端IN和主反馈电阻Rmax的第一端，单端放大器A的输出端连接主反馈电阻Rmax的第二端和信号输出端OUT；而所述高速信号强度检测电路HST的输入端连接信号输出端OUT，高速信号强度检测电路HST用于检测信号输出端OUT输出信号的强度，信号输出端OUT输出信号的强度与信号输入端IN输入信号的强度正相关；而每个所述高速增益切换电路HGC的输入端和输出端分别与单端放大器A的输入端和输出端连接，高速增益切换电路HGC的控制端与高速信号强度检测电路HST的输出端连接。
在本发明中，所述高速增益切换电路HGC在所述的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC每输入一个突发数据包时根据高速信号强度检测电路HST检测到的信号输出端OUT输出信号的强度来控制其输入端和输出端之间导通与否，进而控制与单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻(此处的等效电阻是指所有与单端放大器A的输入端和输出端并联的电阻器件的总体等效电阻)的阻值，从而调节所述的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的增益。在本发明中，高速增益切换电路HGC和高速信号强度检测电路HST具有高速响应性能，从而可以快速调节跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的跨阻增益，使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC可适用于突发接收系统；其中高速增益切换电路HGC和高速信号强度检测电路HST的总响应时间可以小于25ns而使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC可以适用于10G PON系统。
配合图9和图10所示，所述高速增益切换电路HGC包括高速电压比较器Comparator、锁存器Latch、高速电子开关S以及增益调节电阻Rx，其中高速电压比较器Comparator的第一输入端为高速增益切换电路HGC的控制端，高速电压比较器Comparator的第二输入端用于接入切换阈值信号Ref，高速电压比较器Comparator的输出端连接锁存器Latch的输入端，锁存器Latch的复位端用于接入复位信号Reset，锁存器Latch的输出端连接高速电子开关S的控制端，高速电子开关S的输入端连接增益调节电阻Rx的第一端，高速电子开关S的输出端即为高速增益切换电路HGC的输出端，增益调节电阻Rx的第二端为高速增益切换电路HGC的输入端。其中高速电压比较器Comparator具有高速响应性能而能使得高速增益切换电路HGC具有高速响应功能，高速电子开关S可以选用高速开关管(如高速MOS管或高速三极管)构成的电子开关电路。
本发明的高速增益切换电路的工作原理为：在高速信号强度检测电路HST检测到的信号输出端OUT输出信号强度大于一个高速增益切换电路HGC接入的切换阈值信号Ref的电压值时，则该高速增益切换电路HGCHGC的高速电压比较器Comparator输出锁存开启信号给该高速增益切换电路HGC的锁存器Latch，使得锁存器Latch输出控制该高速增益切换电路HGC的高速电子开关S导通的导通信号且锁存器Latch进入锁存状态，高速电子开关S导通而使得该高速增益切换电路HGC的增益切换电阻Rx与主反馈电阻Rmax并联，此时与单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值小于主反馈电阻Rmax的阻值。
在本发明中，当高速增益切换电路HGC的数量为两个以上时，各高速增益切换电路HGC的高速电压比较器Comparator的第二输入端接入的切换阈值信号Ref的电压值各不相同，各高速增益切换电路HGC的增益调节电阻Rx的阻值也各不相同；这样在信号输出端OUT输出信号的强度使得不同的高速增益切换电路HGC的高速电子开关S导通时，与单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值也就各不相同。
而本发明在高速增益切换电路HGC的锁存器Latch复位后，若是高速信号强度检测电路HST检测到的信号输出端OUT输出信号强度均小于各高速增益切换电路HGC的接入的切换阈值信号Ref的电压值时，此时各高速增益切换电路HGC的锁存器Latch输出关闭高速电子开关S的关闭信号并进行锁存，这样各高速增益切换电路HGC的高速电子开关S断开，此时与单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻即为主反馈电阻Rmax，此时单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值最大。
由上可知，本发明通过设置高速信号强度检测电路HST以及至少一个高速增益切换电路HGC，使得与单端放大器A的输入端和输出端并联的等效电阻的阻值具有至少两档阻值切换档位，从而使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC具有至少两个跨阻增益档位，进而使得本发明可以根据信号输入端IN输入的信号强度来快速选择合适的跨阻增益档位进行切换。其中主反馈电阻Rmax的阻值、高速增益切换电路HGC的数量、各高速增益切换电路HGC的增益切换电阻Rx的阻值以及各高速增益切换电路HGC接入的切换阈值信号Ref的电压值可以根据实际应用需要进行设定。配合图9所示，在本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器实施例一中，高速增益切换电路HGC的数量为一个，这样本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC具有两个跨阻增益档位；配合图10所示，在本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器实施例二中，高速增益切换电路HGC的数量为两个，这样本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC具有三个跨阻增益档位。
在本发明中，所述复位信号Reset应在输入到信号输入端IN的突发数据包的包头阶段(前导码阶段)或包尾阶段(安全间隙区阶段)输入到各高速增益切换电路HGC的锁存器Latch的复位端而使得锁存器Latch复位，这样每个高速增益切换电路HGC在输入到信号输入端IN的新突发数据包的包头阶段都会重新根据高速信号强度检测电路HST检测到的信号输出端OUT输出信号强度来控制各自的锁存器Latch的输出电平而相应控制各自的高速电子开关S的导通与否，从而使得本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC可以在新的突发数据包的包头阶段自动根据每个突发数据包来切换到合适的跨阻增益档位，从而便于使用。另外，在本发明中，复位信号Reset在一个突发数据包的包头阶段(前导码阶段)或包尾阶段(安全间隙区阶段)输入到各高速增益切换电路HGC的锁存器Latch的复位端，这使得高速增益切换电路HGC锁存器Latch会在突发数据包的包头阶段进入锁存状态而锁定跨阻增益档位，从而保证本发明的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的跨阻增益可以在突发数据包的有效数据阶段保持稳定，避免增益波动带来的信号误码。
配合图9和图10所示，每个所述高速增益切换电路HGC还可包括与增益调节电阻Rx并联的调节电容C，通过控制每个高速增益切换电路HGC的调节电容C的电容值可以使得每个跨阻增益档位获得合适的带宽。
配合图11和图12所示，本发明还揭示了一种单端转差分放大电路，其包括伪跨阻放大器Dummy TIA、差分电压放大器DiffAmp以及如上所述的跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC；其中所述差分电压放大器DiffAmp的两个输入端分别连接伪跨阻放大器DummyTIA的输出端和跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的信号输出端OUT。
在本发明中，所述伪跨阻放大器Dummy TIA用于提供一个偏置信号给差分电压放大器DiffAmp，该偏置信号低于跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的信号输出端OUT在其信号输入端没有信号输入时输出的信号的电压，且伪跨阻放大器Dummy TIA的工艺、电源和温度变化特性与跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC在其信号输入端没有信号输入时的工艺、电源和温度变化特性相同。本发明通过伪跨阻放大器Dummy TIA来给差分电压放大器DiffAmp提供偏置信号，偏置信号可用于抵消跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC的工艺、电源和温度变化所带来的负面影响，该偏置信号无低通特性而无突发收敛时间问题，从而可以使得本发明的单端转差分放大电路可以适用于突发接收系统。其中伪跨阻放大器Dummy TIA可以采用和跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC相同的电路结构和电路参数，且伪跨阻放大器Dummy TIA没有信号输入，从而保证伪跨阻放大器Dummy TIA的工艺、电源和温度变化特性与跨阻增益可切换跨阻放大器TIA_AGC在其信号输入端没有信号输入时的工艺、电源和温度变化特性相同。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
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