CN109818257B

CN109818257B - 一种cmos工艺激光驱动电路

Info

Publication number: CN109818257B
Application number: CN201811581648.7A
Authority: CN
Inventors: 边强; 时飞; 李全利; 陈茂鑫; 赵伟; 宋小敬; 王佳
Original assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Current assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: CN109818257A

Abstract

本发明公开了一种CMOS工艺激光驱动电路，包括输入电流模逻辑(CML)电路、内嵌低电压差线性稳压器电路、负反馈钳位电路、共模反馈电路。该结构差分数字电压信号转化为开关电流信号，用于驱动激光二极管；同时接收外部设置的参考电流信号，采用负反馈的原理，调节外部输入的差分数字电压信号的电平，进而调节开关电流信号的大小，使之与参考电流信号成正比。本发明用于CMOS工艺的激光二极管驱动器电路中，其特点是通过电阻将输出电流和设置电流转化为电压形式，比较电压的大小，并通过共模反馈电路驱动输出电流管的输出电流，来达到设定的电流大小；在确保输出电流能力的同时，提高了CMOS工艺下激光驱动器的工作速率。

Description

一种CMOS工艺激光驱动电路

技术领域

本发明涉及一种CMOS工艺激光驱动电路，特别是在CMOS工艺下实现传输速率1Gbps以上大于50mA的调制电流，属于光电转换器件技术领域。

背景技术

随着通信数据业务量的快速增长，对光纤数据传输芯片的需求就越来越大。激光驱动器电路是光纤收发模块中的重要器件，其驱动输出信号的速度和信号质量影响着传输***的性能。目前，激光驱动器电路多采用先进的Gesi工艺来满足输出驱动高速大电流。传统的CMOS工艺的激光驱动电路是采用开关电流源来实现，因此尾电流源需要满足支持1毫安到几十毫安的电流变化，即便不考虑电流失配的影响，这种大电流范围变化的电流源实现起来也非常困难。且开关管还会引入大量的开关噪声，影响输出信号的质量，特别是在低电源电压下，很难保证输出速率为Gbps以上，电流大小为几十毫安的驱动电流。由于在CMOS下，尾电流源抬升了开关管的源端电压，在衬偏效应的作用下，开关管阈值电压升高，导致开关速率的降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种CMOS工艺激光驱动电路,该电路通过反馈控制的方式，将驱动电流调节与开关信号驱动整合在一起，在完成电流输出级的驱动电流设置调节的同时，实现了开关信号的传输，有效的提升电路的工作速度。

本发明的技术解决方案是：一种CMOS工艺激光驱动电路，该驱动电路结构包括共模反馈电路，该共模反馈电路，将差分数字电压信号转化为开关电流信号，用于驱动激光二极管，同时，接收外部设置的参考电流信号，采用负反馈的原理，调节外部输入的差分数字电压信号的电平，进而调节开关电流信号的大小，使之与参考电流信号成正比。

所述共模反馈电路包括电压调节级、缓冲驱动级、电流输出级、电压反馈级；

电压调节级，接收差分数字电压信号，比较参考电压和电压反馈级输出的反馈电压，根据比较结果调节差分数字电压信号电平，即当反馈电压大于参考电压时，升高差分数字信号的电平；否则，降低差分数字信号的电平，将调节后的差分数字电压信号发送至缓冲驱动级。

缓冲驱动级，降低调节后的差分数字电压信号的共模电平，得到驱动差分电压信号，驱动差分电压信号的低电平小于电流输出级的开启阈值电压。

电流输出级，将驱动差分电压信号正负两路信号分别转换为开关电流信号，开关电流信号的幅度与差分数字电压信号的大小成正比。

电压反馈级，将开关电流信号转化为反馈电压，反馈至电压调节级。

所述电压调节级包括运算放大器OPA_1、电流驱动管M10、NMOS管M1、M2、电阻R7、R8、R3。

运算放大器OPA_1的正极输入端连接参考电压，负极输入端连接反馈电压，输出端连接电流驱动管M10的栅极；电流驱动管M10的源极连接至内核电压，电流驱动管M10的漏极并联连接电阻R7、R8的一端；NMOS管M1和M2的栅极分别连接差分数字电压信号的正端和负端，NMOS管M1和M2的源极通过电阻R3接地，NMOS管M1和M2的漏极分别连接电阻R7、R8的另一端；NMOS管M1和M2的漏极的电压信号为调节后的差分数字电压信号。

所述缓冲驱动级包括两个由NMOS管和电流源构成的跟随器实现。

具体为：包括NMOS管M3、M4和电流源I1、I2；NMOS管M3和电流源I1构成第一跟随器，NMOS管M3的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号正端，源极为驱动差分电压信号的正端，通过电流源I1接地；NMOS管M4和电流源I2构成第二跟随器，NMOS管M4的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号负端，源极为驱动差分电压信号的负端，通过电流源I2接地。

所述电流输出级包括NMOS管M5、M6；

NMOS管M5、M6的栅极分别连接驱动差分电压信号的正端和负端，NMOS管M5的漏极为开关电流信号正端输出；NMOS管M6的漏极为开关电流信号负端输出，NMOS管M5、M6的源极并联连接至电压反馈级。

所述电流输出级还包括NMOS管M7和M8，NMOS管M7的栅极和源极共同连接至NMOS管M5的栅极，NMOS管M7的漏极连接至NMOS管M6的漏极；NMOS管M8的栅极和源极共同连接至NMOS管M6的栅极，NMOS管M8的漏极连接至NMOS管M5的漏极。

所述电压反馈级包括电阻R4，R4的一端接地，另一端共同连接NMOS管M5、M6的源极，将开关电流信号转化为反馈电压输出。

上述CMOS工艺激光驱动电路，还包括负反馈钳位电路，负反馈钳位电路包括运算放大器OPA_2、NMOS管M9、电阻Rmodset、R5、电流源I4、镜像电流源I3，运算放大器OPA_2的正向输入端口连接基准电平VB，运算放大器OPA_2的输出端口连接晶体管M9的栅极，NMOS管M9的源端连接至运算放大器OPA_2的负端，形成负反馈，同时通过调制电阻Rmodset连接到地,NMOS管M9的漏端通过电流源I4连接至IO电源Vdd1，镜像电流源I3一端与电流源I4同时连接至IO电源Vdd1，另一端通过电阻R5接地，镜像电流源I3与电流源I4呈镜像关系，产生镜像电流，镜像电流流经电阻R5产生参考电压，由于负反馈作用，调制电阻Rmodset上的电压大小等于电压VB，通过调制电阻Rmodset上的电流I4大小为Imodset。

所述调制电阻Rmodset为可调电阻。

所述共模反馈电路电源电压V3通过内嵌低电压差线性稳压器LDO提供。

与现有技术相比，本发明的技术效果为：

(1)本发明通过共模反馈电路将电流调节与开关信号驱动整合在一起，共模反馈电路调节差分开关信号的电平，使得高速开关信号的高电平在完成电流调节级开关管的开启的同时可设置决定输出电流的大小，在完成开关信号的传输的同时，实现了电流输出级的驱动电流设置调节；

(2)本发明采用了无尾电流源的电流输出级，避免了尾电流源造成的电流输出级开关管阈值升高问题，提高了CMOS工艺下激光驱动器的工作速率；

(3)本发明内嵌低电压差线性稳压器(LDO)为电流调节级供电，实现稳定的高速开关信号电平，确保了输出电流质量；

(4)本发明通过采用共模反馈电路实现电流调节，使用的电阻R4的阻值选取的很小，在驱动管M5、M6开关切换的过程中通过电阻R4引入的电压波动可以忽略不计，能够实现电流的精确输出；

(5)本发明采用负反馈嵌位电路生成参考电流Imodset，有效的钳位调制电阻Rmodset上的电压等于VBG，保证通过调制电阻Rmodset上的电流发生变化时，调制电阻Rmodset上的电压大小保持不变，隔离了通常位于电路外部Rmodset引入的对内部电路的干扰；

(6)本发明输入端口和共模反馈电路之间采用5级放大器(Amp1、Amp2、Amp3、Amp4、Amp5)级联组成的输入电流模(CML)电路(1)。能够保证输入高速低摆幅的信号时，经过5级放大器级联结构能够产生高速大摆幅的输出信号。采用5级放大器级联结构提升了电路能够处理输入信号的最大速度和输入信号的最小差模电压，降低信号的上升时间和下降时间，增大传输信号的速率。

附图说明

图1为本发明的CMOS工艺激光驱动电路图；

图2为本发明的CMOS工艺激光驱动电路共模反馈环路的交流(AC)仿真图；

图3为本发明的CMOS工艺激光驱动电路输出速度为1.25Gbps，电流为50mA的仿真波形图；

图4为本发明的CMOS工艺激光驱动电路的调制电阻Rmodset和输出电流的仿真波形图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种CMOS工艺激光驱动电路的结构图，该驱动电路基于3.3V电压CMOS晶体管和1.8V电压CMOS晶体管混合设计实现的。可以应用在光纤传输通讯***。该CMOS工艺激光驱动电路包括输入电流模(CML)电路1、低电压差线性稳压器2、负反馈钳位电路3、共模反馈电路4。

1、输入电流模(CML)电路

输入电流模(CML)电路1为由第一放大器Amp1、第二放大器Amp2、第三放大器Amp3、第四放大器Amp4、第五放大器Amp5级联连接的五级放大结构，第一放大器Amp1的输入端为输入电流模(CML)电路1的输入端接收外部输入的差分电压信号，同时第二放大器Amp2还接收外部输入的使能控制信号an、ap用于控制是否输入电流模(CML)电路输出信号，第五放大器Amp5的输出端输入电流模(CML)电路的输出端，为放大和经突发模式控制信号调理后的差分电压信号INP、INN，该差分电压信号INP、INN连接共模反馈电路3中的差分输入管M1、M2的栅极，控制差分输入管M1、M2漏端产生差分输出电压，经过缓冲驱动级驱动输出驱动管M5、M6产生调制电流。

由于激光驱动器差分输入信号的电平范围通常大于电路内核电压，放大器Amp1、Amp2由3.3V IO电压Vdd1供电；放大器Amp3、Amp4、Amp5的电源由1.8V内核电压Vdd2供电。

2、低电压差线性稳压器(LDO)电路

低电压差线性稳压器(LDO)电路2内嵌于CMOS工艺激光驱动电路，用于根据电源电压3.3V产生共模反馈电路4电源V3。

3、共模反馈电路

共模反馈电路4将输入电流模(CML)电路4输出的差分数字电压信号转化为开关电流信号，用于驱动激光二极管，同时，接收外部设置的参考电流信号，采用负反馈的原理，调节外部输入的差分数字电压信号的电平，进而调节开关电流信号的大小，使之与参考电流信号成正比。

如图1所示，共模反馈电路4包括电压调节级、缓冲驱动级、电流输出级、电压反馈级。

电压调节级，接收差分数字电压信号，比较参考电压和电压反馈级输出的反馈电压，根据比较结果调节差分数字电压信号电平，即当反馈电压大于参考电压时，升高差分数字信号的电平；否则，降低差分数字信号的电平，将调节后的差分数字电压信号发送至缓冲驱动级。该电压调节级包括运算放大器OPA_1、电流驱动管M10、NMOS管M1、M2、电阻R7、R8、R3；运算放大器OPA_1的正极输入端连接参考电压，负极输入端连接反馈电压，输出端连接电流驱动管M10的栅极；电流驱动管M10的源极连接至内核电压，电流驱动管M10的漏极并联连接电阻R7、R8的一端；NMOS管M1和M2的栅极分别连接差分数字电压信号的正端和负端，NMOS管M1和M2的源极通过电阻R3接地，NMOS管M1和M2的漏极分别连接电阻R7、R8的另一端；NMOS管M1和M2的漏极的电压信号为调节后的差分数字电压信号。NMOS管M1、M2、电阻R7、R8构成输入差分放大器。

缓冲驱动级，降低调节后的差分数字电压信号的共模电平，得到驱动差分电压信号，驱动差分电压信号的低电平小于电流输出级的开启阈值电压。该缓冲驱动级包括两个由NMOS管和电流源构成的跟随器。为具体为：该缓冲驱动级包括NMOS管M3、M4和电流源I1、I2；NMOS管M3和电流源I1构成第一跟随器，NMOS管M3的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号正端，源极为驱动差分电压信号的正端，通过电流源I1接地；NMOS管M4和电流源I2构成第二跟随器，NMOS管M4的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号负端，源极为驱动差分电压信号的负端，通过电流源I2接地。

电流输出级，将驱动差分电压信号正负两路信号分别转换为开关电流信号，开关电流信号的幅度与差分数字电压信号的大小成正比。所述电流输出级包括NMOS管M5、M6、M7、M8。NMOS管M5、M6的栅极分别连接驱动差分电压信号的正端和负端，NMOS管M5的漏极为开关电流信号正端输出；NMOS管M6的漏极为开关电流信号负端输出，NMOS管M5、M6的源极并联连接至电压反馈级；NMOS管M7的栅极和源极共同连接至NMOS管M5的栅极，NMOS管M7的漏极连接至NMOS管M6的漏极；NMOS管M8的栅极和源极共同连接至NMOS管M6的栅极，NMOS管M8的漏极连接至NMOS管M5的漏极。

电压反馈级，将开关电流信号转化为反馈电压，反馈至电压调节级。该电压反馈级包括电阻R4，R4的一端接地，另一端共同连接NMOS管M5、M6的源极，将开关电流信号转化为反馈电压输出。

4、负反馈钳位电路

负反馈钳位电路3包括运算放大器OPA_2、NMOS管M9、电阻Rmodset、R5、R6、电流源I4、镜像电流源I3，运算放大器OPA_2的正向输入端口连接基准电平VB，运算放大器OPA_2的输出端口连接晶体管M9的栅极，NMOS管M9的源端连接至运算放大器OPA_2的负端，形成负反馈，同时通过调制电阻Rmodset连接到地,NMOS管M9的漏端通过电流源I4连接至电源电压Vdd1，镜像电流源I3一端与电流源I4同时连接至电源电压，另一端通过电阻R5接地，镜像电流源I3与电流源I4呈镜像关系，产生镜像电流，镜像电流流经电阻R5产生参考电压。由于负反馈作用，调制电阻(Rmodset)上的电压大小等于电压VB，通过调制电阻Rmodset上的电流I4大小为Imodset。

上述电路的工作原理为：

负反馈钳位电路3通过设置调制电阻Rmodset产生大小为Imodset的电流I4，电流I3是通过电流I4镜像复制产生的。共模反馈电路4比较输出电流在电阻R4上产生的电压V1和电流I3在电阻R5上的电压V2的大小，来调整电流驱动管M10的电流，从而调整电流驱动管M10漏端电压，再经过差分输入管M1、M2和跟随器调整输出驱动管M5、M6的栅端控制电压，达到所需要的电流大小。

当电阻R4上的电压V1大于电阻R5上的电压V2时，运算放大器OPA_1的输出电压增加，使得电流驱动管M10的栅源电压|Vgs|减小，漏源电压|Vds|增加，共模反馈电路4中C点电压降低，则经过输入差分管M1、M2、负载电阻R7、R8和缓冲驱动级控制输出驱动管M5、M6的栅端电压降低，减少输出电流，使得电阻R4上的电压V1减小，直到电压V1和电压V2相等，则共模反馈电路4中C点的电压不变。当电阻R4上的电压V1小于电阻R5上的电压V2时，运算放大器OPA_1的输出电压减小，使得电流驱动管M10的栅源电压|Vgs|增加，漏源电压|Vds|减小，共模反馈电路4中C点电压升高，则经过输入差分管M1、M2、负载电阻R7、R8和缓冲驱动级M3、M4、I1、I2控制输出驱动管M5、M6的栅端电压升高，增加输出电流，使得电阻R4上的电压V1增加，直到电压V1和电压V2相等。

例如：运算放大器OPA_1的输入正端连接到NMOS管M5、M6源极连接的电阻R4上，R4上实际产生调制电流大小为I_mod，则电阻R4上产生电压V1大小为I_mod×R₄。运算放大器的输入负端连接到电阻R5上，电阻R5的另一端连接地，电阻R5相连的一端通过电流源I3注入大小为K×I_modset的电流，则电压V2＝K×I_modset×R₅。通过运算放大器OPA_1、电流驱动管M10形成的负反馈，比较运算放大器OPA_1两端的电压V1、V2。当运算放大器OPA_1的差分输入端电压V1与V2不相等时，运算放大器OPA_1会调整NMOS管M10的栅端(A点)控制电压，使NMOS管M10的电流发生改变，从而影响NMOS管M10漏端(C点)的共模电平变化。电流驱动管M10的漏端(C点)电位的变化，会通过缓冲驱动级NMOS管M3、M4控制NMOS管M5、M6的栅极电压，调整输出的调制电流I_mod，直到与NMOS管M5、M6相连的电阻R4上的电压V1与电阻R5上的电压V2相等时，NMOS管M10的漏端(C点)电压不再改变，通过NMOS管M5、M6产生的输出驱动电流I_mod将不再发生变化，其大小为I_mod＝K×I_modset×R₅/R₄。

如图2所示，为本发明的CMOS工艺激光驱动电路中共模反馈电路(4)中的交流仿真结果，图中电源电压为3.3V。通过仿真波形2可以看出，在环路增益下降到0dB时，共模反馈环路的相位裕度为80.81度，能够满足***的稳定性要求。在共模反馈电路(4)中，为满足几十mA输出电流能力，电流驱动管(M10)晶体管存在一个很大的寄生电容Cgd，可以等效成米勒电容的效果，将第一主极点和第二主极点分离，使***稳定。

如图3所示，为本发明的CMOS工艺激光驱动电路的瞬态仿真结果。输入信号的传输速率为1.25Gbps，突发控制信号的速度为50MHz。从图中仿真结果能够看出，在输入信号1.25Gbps时，能够输出50mA的电流，并且能够保证关闭电流为0mA，保证电路不漏电。由于在仿真过程中加入了对电源、对地寄生电感，以及在输出驱动端口加入了封装寄生参数模型(RCL)，使得输出电流会有一定的上冲和下冲。

如图4所示，为本发明CMOS工艺激光驱动电路的直流仿真结果，通过调整调制电阻Rmodset的大小，改变共模反馈电路中电阻(R4)上的电压(V1)的值，调整共模反馈电路4中C点的直流工作点，经过输入差分放大器(M1、M2、R7、R8)和缓冲驱动级(M3、M4、I1、I2)后，调整输出驱动管M5、M6的栅压，改变输出电流的大小。通过图4的仿真结果，可以看出，调整调制电阻Rmodset从0K～100K，在流经二极管d0的电流为157.73uA时，二极管d1的输出电流为50.33mA。在二极管d1输出最大电流达到50mA时，二极管d0能够很好的关断。

本发明有一点需要注意：

如图4所示，在共模反馈电路4中，当输出电流超出50mA时，会将共模反馈电路4中电流驱动管M10的栅端(C点)电压抬高，经过差分输入和跟随器后，控制输出驱动管M5、M6的栅端差分电压也被抬高，当控制输出驱动管M5、M6的栅端电压超过输出驱动管M5、M6的阈值电压时，会引起输出驱动管M5、M6漏电。但是输出驱动电流控制在50mA以内时，最大漏电流小仅为157.73uA，可以忽略。

本说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：包括共模反馈电路(4)，该共模反馈电路(4)，将差分数字电压信号转化为开关电流信号，用于驱动激光二极管，同时，接收外部设置的参考电流信号，采用负反馈的原理，调节外部输入的差分数字电压信号的电平，进而调节开关电流信号的大小，使之与参考电流信号成正比；

共模反馈电路(4)包括电压调节级、缓冲驱动级、电流输出级、电压反馈级；

电压调节级，接收差分数字电压信号，比较参考电压和电压反馈级输出的反馈电压，根据比较结果调节差分数字电压信号电平，即当反馈电压大于参考电压时，升高差分数字信号的电平；否则，降低差分数字信号的电平，将调节后的差分数字电压信号发送至缓冲驱动级；

缓冲驱动级，降低调节后的差分数字电压信号的共模电平，得到驱动差分电压信号，驱动差分电压信号的低电平小于电流输出级的开启阈值电压；

电流输出级，将驱动差分电压信号正负两路信号分别转换为开关电流信号，开关电流信号的幅度与差分数字电压信号的大小成正比；

2.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述电压调节级包括运算放大器OPA_1、电流驱动管M10、NMOS管M1、M2、电阻R7、R8、R3；

3.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述缓冲驱动级包括两个由NMOS管和电流源构成的跟随器实现；具体为：所述缓冲驱动级包括NMOS管M3、M4和电流源I1、I2；NMOS管M3和电流源I1构成第一跟随器，NMOS管M3的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号正端，源极为驱动差分电压信号的正端，通过电流源I1接地；NMOS管M4和电流源I2构成第二跟随器，NMOS管M4的漏极连接内核电压，栅极连接电压调节级输出信号负端，源极为驱动差分电压信号的负端，通过电流源I2接地。

4.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述电流输出级包括NMOS管M5、M6；

5.根据权利要求4所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述电流输出级还包括NMOS管M7和M8，NMOS管M7的栅极和源极共同连接至NMOS管M5的栅极，NMOS管M7的漏极连接至NMOS管M6的漏极；NMOS管M8的栅极和源极共同连接至NMOS管M6的栅极，NMOS管M8的漏极连接至NMOS管M5的漏极。

6.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述电压反馈级包括电阻R4，R4的一端接地，另一端共同连接NMOS管M5、M6的源极，将开关电流信号转化为反馈电压输出。

7.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：还包括负反馈钳位电路(3)，负反馈钳位电路(3)包括运算放大器OPA_2、NMOS管M9、电阻Rmodset、R5、电流源I4、镜像电流源I3，运算放大器OPA_2的正向输入端口连接基准电平VB，运算放大器OPA_2的输出端口连接晶体管M9的栅极，NMOS管M9的源端连接至运算放大器OPA_2的负端，形成负反馈，同时通过调制电阻Rmodset连接到地,NMOS管M9的漏端通过电流源I4连接至IO电源Vdd1，镜像电流源I3一端与电流源I4同时连接至IO电源Vdd1，另一端通过电阻R5接地，镜像电流源I3与电流源I4呈镜像关系，产生镜像电流，镜像电流流经电阻R5产生参考电压，由于负反馈作用，调制电阻Rmodset上的电压大小等于电压VB，通过调制电阻Rmodset上的电流I4大小为Imodset。

8.根据权利要求7所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述调制电阻Rmodset为可调电阻。

9.根据权利要求1所述的一种CMOS工艺激光驱动电路，其特征在于：所述共模反馈电路(4)电源电压V3通过内嵌低电压差线性稳压器LDO(2)提供。