CN103457672A - 具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器和实现方法，包括：用于将光信号转换为电流信号的两个光电二级管；用于将电流信号转换为差分电压信号的差分跨阻放大器；用于放大差分电压信号的差分放大器；用于将放大后的差分电压信号转换为单端信号的放大器；用于将单端信号反向的反相器；用于将反向后的单端信号产生TTL信号输出的MOS开关管。本发明的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器及其实现方法，在电路结构上提出了双光电二极管差分输入，经过放大后转换成单端信号控制输出MOS开关管产生TTL控制信号，从而提高接收器的抗干扰能力。

Description

具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器和实现方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种塑料光纤接收器芯片的设计。

背景技术

塑料光纤的具有芯径大，耦合性好；易于加工，连接；重量轻，柔韧性好，弯曲性好；无电磁干扰和辐射，保密性，安全性及抗干扰性能力极强等特点，已经具备了良好的传输介质特性。因此接收器的性能对整套塑料光纤通信链路至关重要。

传统应用于工业控制的塑料光纤接收器，光信号转换为电信号后，经过单端放大后控制输出开关管产生TTL控制信号。

由于在工业环境下应用，电磁干扰严重，传统接收器电路的单端输入结构容易受到干扰，影响电路性能，甚至会造成后级误判，引发故障。应对电磁干扰的问题，传统的接收器采用导电塑料进行封装来解决这个问题，但是这增加了封装成本和复杂度。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器及其实现方法，用于解决塑料光纤接收器容易受到电磁干扰的技术问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，包括：

两个光电二级管，一个光电二极管负责接收光信号，并将光信号转换为电流信号后输入到差分跨阻放大器的一端；另一个光电二极管不接收光信号，用于将匹配的参数输入给差分跨阻放大器；如只用于给差分跨阻放大器的另一端提环境，工艺等的匹配输入，保证差分输入不受环境工艺等因素的影响，提高抗干扰能力。

差分跨阻放大器，用于将电流信号转换为差分电压信号；

差分放大器，用于放大差分电压信号；

放大器，用于将放大后的差分电压信号转换为单端信号；

反相器，用于将单端信号反向；

MOS开关管，用于将反向后的单端信号产生TTL信号输出。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，所述反相器为两级。

根据本发明的一个实施方案，所述差分跨阻放大器包括RGC输入结构和差分放大器部分。

根据本发明的一个实施方案，所述RGC输入结构包括：

电阻：R1、R2、R5、R6；

NMOS管：MN1、MN2、MN3、MN9、MN10、MN11；

反馈电阻：R7、R8；

所述差分放大器部分包括：

电阻：R3、R4；

三极管：Q1、Q2；

NMOS管：MN4、MN5、MN6、MN7、MN8；

其中，R1的一端接电源，另一端接MN1的漏端，以及另一端同时接MN2的栅端；MN1的源端接地，MN1的栅端与MN2的源端相接，以及MN1的栅端同时与MN3的漏端相接，该MN1的栅端与MN2的源端以及MN3的漏端之间的连接处形成节点1，该节点1作为差分的一个输入；

MN3的源端接地，MN3栅端接尾电流偏置电压VREF，R2的一端接电源电压，另一端与MN2的漏端相接，该R2与MN2的漏端之间形成节点2；

R6的一端接电源，另一端接MN11的漏端，以及该R6另一端同时接MN10的栅端，MN11的源端接地，MN11的栅端与MN10的源端相接，以及该MN11的栅端同时与MN9的漏端相接，该MN11的栅端与MN10的源端以及MN9的漏端之间的连接处形成节点3，该节点3作为差分的另一个输入；

MN9的源端接地，MN9栅端接尾电流偏置电压，R5的一端接电源电压，另一端与MN10的漏端相接，该R5另一端与MN10的漏端之间形成节点4；

R3的一端接电源，另一端与MN5的漏端相接，该R3另一端同时与Q1的基极相接，该R3另一端与Q1的基极之间形成节点5，该节点5作为差分输出的一端；

R4的一端接电源，另一端与MN6的漏端相接，该R4另一端同时与Q2的基极相接，该R4另一端与Q2的基极之间形成节点6，该节点6作为差分输出的另一端；

MN5的源端与MN6的源端相接，MN5的源端同时与MN7的漏端相接；Q1的集电极接电源，Q1的发射极与MN4的漏端相接，Q1的发射极同时与反馈电阻R7的一端相接；MN5的栅端与R7的另一端相接，该MN5的栅端并接入节点2；

Q2的集电极接电源，Q2的发射极与MN8的漏端相接，该Q2的发射极同时与反馈电阻R8的一端相接；MN6的栅端与R8的另一端相接，该MN6的栅端并接入节点4；

MN4、MN7、MN8的栅端都相接，并与尾电流偏置电压VREF相接。

根据本发明的一个实施方案，所述反馈电阻R7上并联有补偿电容。

根据本发明的一个实施方案，所述反馈电阻R8上并联有补偿电容。

根据本发明的一个实施方案，所述差分放大器的电路结构包括：

放大器AMP以及

电阻：R31、R32、R33、R34；

其中，R31的一端接差分输入的正向端，另一端接AMP的正向端的同时接R33的一端，R33的另一端接AMP输出的负向端；R32的一端接差分输入的负向端，另一端接AMP的负向端的同时接R34的一端；R34的另一端接AMP输出的正向端。

根据本发明的一个实施方案，所述将差分信号转单端信号的放大器电路结构包括：

P型MOS管MP1、MP2以及

NMOS管：MN41、MN42、MN43、MN4；

三极管：Q41；

其中，MP1的源端接电源，漏端与栅端短接并与MN41的漏端相接，同时与MP2的栅端相接；MP2的源端与电源相接，漏端与MN42的漏端相接同时与Q41的基极相接；MN41与MN42的源端相接，同时接入MN43的漏端，MN43的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；Q41集电极接电源，发射极接MN44的漏端并形成节点1，节点1作为放大器的输出端，MN44的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；MN41的栅端作为放大器的负向输入端，MN42的栅端作为放大器的正向输入端。

本发明还可以是：

一种实现上述具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器的方法，包括：

光信号通过塑料光纤传导到接收器的光电二极管；

光电二极管将其转换为电流信号输入到差分跨阻放大器中放大并转换成差分电压信号；

经过差分放大器进一步放大后进入差分转单端的放大器进一步放大并转换成单端信号；

经反向后再通过MOS开关管产生TTL信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器及其实现方法，在电路结构上提出了双光电二极管差分输入，经过放大后转换成单端信号控制输出MOS开关管产生TTL控制信号，从而提高接收器的抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件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的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了根据本发明一个实施例的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器的框图。

图2示出了根据本发明一个实施例的差分跨阻放大器的框图。

图3示出了根据本发明一个实施例的差分放大器的电路结构的框图。

图4示出了根据本发明一个实施例的将差分信号转单端信号的放大器电路结构的框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1示出了根据本发明一个实施例的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器的框图。如图1所示的一种具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，包括两个光电二级管10、差分跨阻放大器20、差分放大器30、放大器40、反相器50和MOS开关管60；两个光电二级管10用于将光信号转换为电流信号；差分跨阻放大器20用于将电流信号转换为差分电压信号；差分放大器30用于放大差分电压信号；放大器40用于将放大后的差分电压信号转换为单端信号；反相器50，用于将单端信号反向，反相器50可以是如图串联的两级；MOS开关管60用于将反向后的单端信号产生TTL信号输出。采用双光电二极管10和差分跨阻放大器结构20，可以有效抑制电磁干扰。

具体的实现方法：光信号通过塑料光纤传导到接收器的光电二极管10，光电二极管10将其转换为电流信号输入到差分跨阻放大器20中放大并转换成差分电压信号，经过差分放大器30进一步放大后进入差分转单端的放大器40进一步放大并转换成单端信号，最后经过反向放大控制输出开关管（MOS开关管60）产生TTL信号。

对于双光电二极管10输入，一个光电二极管10负责接收光信号，并将光信号转换为电流信号后输入到差分跨阻放大器20的一端；另一个光电二极管10不接收光信号，用于将匹配的参数输入给差分跨阻放大器20；如只用于给差分跨阻放大器20的另一端提环境，工艺等的匹配输入，保证差分输入不受环境工艺等因素的影响，提高抗干扰能力。

差分跨阻放大器20可包括RGC输入结构和差分放大器部分，差分跨阻放大器采用RGC输入结构，可以降低光电二极管寄生电容对带宽的影响，从而提高塑料光纤的传输速率。

图2示出了根据本发明一个实施例的差分跨阻放大器的框图。如图2所示，RGC输入结构包括：

电阻：R1、R2、R5、R6；

NMOS管：MN1、MN2、MN3、MN9、MN10、MN11；

反馈电阻：R7、R8；

所述差分放大器部分包括：

电阻：R3、R4；

三极管：Q1、Q2；

NMOS管：MN4、MN5、MN6、MN7、MN8；

其中，R1的一端接电源，另一端接MN1的漏端，以及另一端同时接MN2的栅端；MN1的源端接地，MN1的栅端与MN2的源端相接，以及MN1的栅端同时与MN3的漏端相接，该MN1的栅端与MN2的源端以及MN3的漏端之间的连接处形成节点1，该节点1作为差分的一个输入；

MN3的源端接地，MN3栅端接尾电流偏置电压VREF，R2的一端接电源电压，另一端与MN2的漏端相接，该R2与MN2的漏端之间形成节点2；

R6的一端接电源，另一端接MN11的漏端，以及该R6另一端同时接MN10的栅端，MN11的源端接地，MN11的栅端与MN10的源端相接，以及该MN11的栅端同时与MN9的漏端相接，该MN11的栅端与MN10的源端以及MN9的漏端之间的连接处形成节点3，该节点3作为差分的另一个输入；

MN9的源端接地，MN9栅端接尾电流偏置电压，R5的一端接电源电压，另一端与MN10的漏端相接，该R5另一端与MN10的漏端之间形成节点4；

R3的一端接电源，另一端与MN5的漏端相接，该R3另一端同时与Q1的基极相接，该R3另一端与Q1的基极之间形成节点5，该节点5作为差分输出的一端；

R4的一端接电源，另一端与MN6的漏端相接，该R4另一端同时与Q2的基极相接，该R4另一端与Q2的基极之间形成节点6，该节点6作为差分输出的另一端；

MN5的源端与MN6的源端相接，MN5的源端同时与MN7的漏端相接；Q1的集电极接电源，Q1的发射极与MN4的漏端相接，Q1的发射极同时与反馈电阻R7的一端相接；MN5的栅端与R7的另一端相接，该MN5的栅端并接入节点2；

Q2的集电极接电源，Q2的发射极与MN8的漏端相接，该Q2的发射极同时与反馈电阻R8的一端相接；MN6的栅端与R8的另一端相接，该MN6的栅端并接入节点4；

MN4、MN7、MN8的栅端都相接，并与尾电流偏置电压VREF相接。

调节MN1、MN2、MN10、MN11的宽长比和R1、R2、R5、R6的阻值，使输入偏置点符合光电二极管的应用要求。

调节MN1、MN2、MN10、MN11的宽长比加大其跨导值，降低等效输入噪声电流，满足灵敏度的要求。

调节反馈电阻R7、R8的值，使其满足增益的同时满足电路稳定性的要求，必要时可在反馈上并联补偿电容，即在电阻R7、R8各并联一个补偿电容，以提高电路的相位裕度。

MN3、MN4、MN7、MN8和MN9按个数进行比例镜像，且在版图设计中需匹配放置，保证镜像电流的准确性，如图2中，以MN7为中心，左右两边对称。整个跨阻放大器的版图设计需要左右完全对称。

作为输入对管的MN5和MN6的宽和长都需取较大的值来减少器件带来的直流失调。

图3示出了根据本发明一个实施例的差分放大器的电路结构的框图。如图3所示，所述差分放大器的电路结构包括：

放大器AMP以及

电阻：R31、R32、R33、R34；

其中，R31的一端接差分输入的正向端，另一端接AMP的正向端的同时接R33的一端，R33的另一端接AMP输出的负向端；R32的一端接差分输入的负向端，另一端接AMP的负向端的同时接R34的一端；R34的另一端接AMP输出的正向端。

调节R33与R31的比例、R34与R32的比例，使差分放大器的增益符合要求。

AMP可以选择多种结构，要求一定的增益保证精度同时保证尽可能少的输入直流失调。

整个差分放大器的版图设计需要左右完全对称。

图4示出了根据本发明一个实施例的将差分信号转单端信号的放大器电路结构的框图。如图4所示的将差分信号转单端信号的放大器电路结构包括：

P型MOS管MP1、MP2以及

NMOS管：MN41、MN42、MN43、MN4；

三极管：Q41；

其中，MP1的源端接电源，漏端与栅端短接并与MN41的漏端相接，同时与MP2的栅端相接；MP2的源端与电源相接，漏端与MN42的漏端相接同时与Q41的基极相接；MN41与MN42的源端相接，同时接入MN43的漏端，MN43的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；Q41集电极接电源，发射极接MN44的漏端并形成节点1，节点1作为放大器的输出端，MN44的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；MN41的栅端作为放大器的负向输入端，MN42的栅端作为放大器的正向输入端。

MN41、MN42输入对管的尺寸需取较大来减少直流失调。

输出信号直流点应等于后级反相器的翻转阈值。

整个链路增益要保证差分信号转单端信号放大器的输出摆幅在工艺偏差和温度范围变化均能使后级反相器翻转。需要几级反相器可依据是需要同向放大还是反向放大而定。

整个放大链路的版图设计需要左右完全对称。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，包括：

两个光电二级管，一个光电二极管负责接收光信号，并将光信号转换为电流信号后输入到差分跨阻放大器的一端；另一个光电二极管不接收光信号，用于将匹配的参数输入给差分跨阻放大器；

差分跨阻放大器，用于将电流信号转换为差分电压信号；

差分放大器，用于放大差分电压信号；

放大器，用于将放大后的差分电压信号转换为单端信号；

反相器，用于将单端信号反向；

MOS开关管，用于将反向后的单端信号产生TTL信号输出。

2.根据权利要求1所述的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述反相器为两级。

3.根据权利要求1或2所述的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述差分跨阻放大器包括RGC输入结构和差分放大器部分。

4.根据权利要求3所述的具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述RGC输入结构包括：

电阻：R1、R2、R5、R6；

NMOS管：MN1、MN2、MN3、MN9、MN10、MN11；

反馈电阻：R7、R8；

所述差分放大器部分包括：

电阻：R3、R4；

三极管：Q1、Q2；

NMOS管：MN4、MN5、MN6、MN7、MN8；

其中，R1的一端接电源，另一端接MN1的漏端，以及另一端同时接MN2的栅端；MN1的源端接地，MN1的栅端与MN2的源端相接，以及MN1的栅端同时与MN3的漏端相接，该MN1的栅端与MN2的源端以及MN3的漏端之间的连接处形成节点1，该节点1作为差分的一个输入；

MN3的源端接地，MN3栅端接尾电流偏置电压VREF，R2的一端接电源电压，另一端与MN2的漏端相接，该R2与MN2的漏端之间形成节点2；

R6的一端接电源，另一端接MN11的漏端，以及该R6另一端同时接MN10的栅端，MN11的源端接地，MN11的栅端与MN10的源端相接，以及该MN11的栅端同时与MN9的漏端相接，该MN11的栅端与MN10的源端以及MN9的漏端之间的连接处形成节点3，该节点3作为差分的另一个输入；

MN9的源端接地，MN9栅端接尾电流偏置电压，R5的一端接电源电压，另一端与MN10的漏端相接，该R5另一端与MN10的漏端之间形成节点4；

R3的一端接电源，另一端与MN5的漏端相接，该R3另一端同时与Q1的基极相接，该R3另一端与Q1的基极之间形成节点5，该节点5作为差分输出的一端；

R4的一端接电源，另一端与MN6的漏端相接，该R4另一端同时与Q2的基极相接，该R4另一端与Q2的基极之间形成节点6，该节点6作为差分输出的另一端；

MN5的源端与MN6的源端相接，MN5的源端同时与MN7的漏端相接；Q1的集电极接电源，Q1的发射极与MN4的漏端相接，Q1的发射极同时与反馈电阻R7的一端相接；MN5的栅端与R7的另一端相接，该MN5的栅端并接入节点2；

Q2的集电极接电源，Q2的发射极与MN8的漏端相接，该Q2的发射极同时与反馈电阻R8的一端相接；MN6的栅端与R8的另一端相接，该MN6的栅端并接入节点4；

MN4、MN7、MN8的栅端都相接，并与尾电流偏置电压VREF相接。

5.根据权利要求4所述的双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述反馈电阻R7上并联有补偿电容。

6.根据权利要求4所述的双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述反馈电阻R8上并联有补偿电容。

7.根据权利要求1或2所述的双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述差分放大器的电路结构包括：

放大器AMP以及

电阻：R31、R32、R33、R34；

其中，R31的一端接差分输入的正向端，另一端接AMP的正向端的同时接R33的一端，R33的另一端接AMP输出的负向端；R32的一端接差分输入的负向端，另一端接AMP的负向端的同时接R34的一端；R34的另一端接AMP输出的正向端。

8.根据权利要求1或2所述的双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器，其特征在于，所述将差分信号转单端信号的放大器电路结构包括：

P型MOS管MP1、MP2以及

NMOS管：MN41、MN42、MN43、MN4；

三极管：Q41；

其中，MP1的源端接电源，漏端与栅端短接并与MN41的漏端相接，同时与MP2的栅端相接；MP2的源端与电源相接，漏端与MN42的漏端相接同时与Q41的基极相接；MN41与MN42的源端相接，同时接入MN43的漏端，MN43的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；Q41集电极接电源，发射极接MN44的漏端并形成节点1，该节点1作为放大器的输出端，MN44的源端接地，栅端接尾电流偏置电压VBIAS；MN41的栅端作为放大器的负向输入端，MN42的栅端作为放大器的正向输入端。

9.一种实现如权利要求1所述具有双光电二极管差分输入的塑料光纤接收器的方法，其特征在于，包括：

光信号通过塑料光纤传导到接收器的光电二极管；

光电二极管将其转换为电流信号输入到差分跨阻放大器中放大并转换成差分电压信号；

经过差分放大器进一步放大后进入差分转单端的放大器进一步放大并转换成单端信号；

经反向后再通过MOS开关管产生TTL信号。

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