CN113517874A - 用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其包括跨阻放大器、跨阻放大器复制电路及控制电压产生电路，跨阻放大器和跨阻放大器复制电路的输出端分别连接到控制电压产生电路的两个输入端，控制电压产生电路的输出端连接到跨阻放大器的增益控制端。本发明的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路在输入光功率发生变化时能够快速响应建立稳态，且在业务信号通过时能够使跨阻放大器保持稳定的增益和足够小的输出抖动，可用于突发模式；并且与现有技术相比，可以提供更大的跨阻增益调节范围，从而拓宽跨阻放大器的动态范围。

Description

用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路
技术领域
本发明涉及跨阻放大器技术领域，特别涉及一种用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路。
背景技术
在光纤通信***中，跨阻放大器(TIA,Trans-ImpedanceAmplifier)处于接收链路最前端，其功能是把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，并输出给后续的电路进行处理。TIA的性能极大地影响着整个接收链路的性能。
输入动态范围是TIA的一项重要指标，其定义为饱和输入光功率与接收光灵敏度的比值，也即在一定可允许误码率范围内的最大和最小输入光功率的比值。灵敏度主要由噪声性能决定，TIA的等效输入噪声越小，则灵敏度越好，而一般情况下采用较大的跨阻增益有利于减小等效输入噪声；而饱和输入光功率主要由输出信号的失真程度等因素所决定，跨阻越大，大信号时越容易发生饱和。
为了解决这一矛盾，TIA中通常需要加入自动增益控制(AGC,AutomaticGainControl)电路，即根据输入光功率的大小调节跨阻增益，在输入光功率较小时保持较大的跨阻，而在输入光功率较大时使跨阻减小，以改善输出电压信号的失真，从而拓宽TIA的动态范围。
AGC一般包含两部分功能，一是幅度检测，一是增益调节。由于TIA是单端输入单端输出的放大器，输入电流中的直流分量和交流分量被同比例地放大，因此监测输出电压直流分量变化，就可以反映出输入电流幅度的变化。传统的AGC通常采用低通滤波器取得TIA输出电压在时域上的平均值Vout,avg，如图1所示，采用一个输入电流为0的TIA复制电路产生参考电压，以及一个误差放大器，将TIA输出电压平均值与参考电压的误差进行放大，实现幅度检测功能。增益调节功能的实现则是将一个NMOS作为有源电阻与无源电阻并联，采用误差放大器的输出电压控制该NMOS的栅极。输入光功率变大时，TIA输出电压的平均值减小，误差放大器输出电压增大，使NMOS提供的有源电阻降低，从而降低了跨阻增益。
在上述AGC方法中，RC低通滤波器的截止频率ωLPF＝1/(RC)决定了AGC环路的带宽和响应时间。一方面，如果ωLPF偏大，数据信号中的低频交流分量不会被低通滤波器所衰减，叠加在Vout,avg上，使跨阻不能保持稳定，从而造成输出信号抖动；另一方面，大的RC决定了AGC环路需要较长的收敛时间才能建立稳态。在连续通讯模式中，AGC环路的低频截止频率一般设置在几十kHz，意味着当输入光功率发生变化时，需要几十us的时间AGC环路才能重新稳定。
在无源光网络(PON,PassiveOpticalNetwork)***的光线路终端(OLT,OpticalLineTerminal)，接收端处理的信号是突发(Burst-Mode)模式的，每次burst中接收到的光信号来自不同的光网络单元(ONU,OpticalNetworkUnit)，光功率会有所不同。根据通讯标准的不同，突发模式接收***一般需要在几十ns到几百ns内建立稳定的工作状态，意味着TIA需要快速的AGC响应，因此传统的AGC环路不能适用于突发模式。
为了实现快速的AGC响应，如图2所示，通过偏置电路产生直流电平Vgate，控制NMOS的栅极。当输入光功率为0或很小时，Vgate与输出电压Vout的压差没有达到NMOS的阈值电压Vth，NMOS处于截止区，TIA的跨导由无源电阻决定；当输入光功率增大时，流过无源电阻的电流增大，使输出电压Vout下降，NMOS的栅源电压Vgs增大；当Vgs超过Vth则NMOS导通，NMOS处于线性区，相当于有源电阻，TIA的跨导为无源电阻与有源电阻的并联，因而总的跨导降低；输入光功率越大，NMOS的Vgs就越大，TIA的跨导增益就越低。由于NMOS的导通电阻能够随其栅源电压即时变化，因而该方法可以实现很快的响应。
然而在实际应用中，TIA的输出幅度一般需要在0.2V以内才能保证不出现明显的信号失真。而在光功率较低时，Vgate必须偏置在NMOS由截止到导通的临界点上，才能使NMOS在截止区和线性区之间切换。一方面，由于温度变化及工艺偏差等因素的存在，这一偏置电压的准确设置存在着很大的难度。另一方面，在整个动态范围内，NMOS的过驱动电压不超过0.2V，则很难在大输入功率下调整到足够小的跨阻增益，从而难以实现较大的TIA动态范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在输入光功率发生变化时能够快速响应建立稳态，且在业务信号通过时能够使跨阻放大器保持稳定的增益和足够小的输出抖动，可用于突发模式，且可以提供更大的跨阻增益调节范围，从而拓宽跨阻放大器的动态范围的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其包括：
跨阻放大器、跨阻放大器复制电路及控制电压产生电路，所述跨阻放大器和跨阻放大器复制电路的输出端分别连接到所述控制电压产生电路的两个输入端，所述控制电压产生电路的输出端连接到所述跨阻放大器的增益控制端；
所述控制电压产生电路包括带宽可调低通滤波器、跨导放大器、电流源Q1、电流源Q2、晶体管M2和电阻R0，带宽可调低通滤波器的输入端作为控制电压产生电路的一个输入端与跨阻放大器的输出端连接，带宽可调低通滤波器的输出端连接到跨导放大器的负向输入端，跨导放大器的正向输入端为直流参考电压Vref，电阻R0的一端作为控制电压产生电路的另一个输入端与跨阻放大器复制电路的输出端连接，电阻R0的另一端与跨导放大器的输出端连接，晶体管M2的源极连接到跨导放大器的输出端及电流源Q1的正端，栅极和漏极连接到电流源Q2的负端，晶体管M2的栅极和漏极电压作为控制电压产生电路的输出端。
作为本发明的进一步改进，所述跨阻放大器包括反相放大器-A、反馈电阻Rf0和晶体管M1，反相放大器-A的输入端为跨阻放大器的输入端，反相放大器-A的输出端为跨阻放大器的输出端，反相放大器-A的输入端和输出端分别连接反馈电阻Rf0的两端，反相放大器-A的输入端和输出端还分别连接晶体管M1的漏极和源极。
作为本发明的进一步改进，晶体管M1和晶体管M2均为NMOS。
作为本发明的进一步改进，所述跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref由跨阻放大器复制电路的输出电压通过电平偏移产生，或者通过额外的偏置电路产生。
作为本发明的进一步改进，用于实现电平偏移的射极跟随器与带宽可调低通滤波器中的射极跟随器相同，通过两个电阻分压实现电平偏移。
作为本发明的进一步改进，电流源Q1和电流源Q2具有相等的电流I0。
作为本发明的进一步改进，跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref低于跨阻放大器复制电路的输出电压。
作为本发明的进一步改进，跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压。
作为本发明的进一步改进，带宽可调低通滤波器具有高低两档截止频率；在输入光功率突发时具有较高的低通截止频率，增益稳定后，将带宽可调低通滤波器的低通截止频率调节到低档。
作为本发明的进一步改进，跨导放大器为线性的差分电压-单端电流放大器。
本发明的有益效果：
本发明的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路在输入光功率发生变化时能够快速响应建立稳态，且在业务信号通过时能够使跨阻放大器保持稳定的增益和足够小的输出抖动，可用于突发模式；并且与现有技术相比，可以提供更大的跨阻增益调节范围，从而拓宽跨阻放大器的动态范围。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是现有检测跨阻放大器输出电压直流分量的自动增益控制电路；
图2是现有快速响应自动增益控制电路；
图3是本发明优选实施例中用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路的结构图一；
图4是本发明优选实施例中用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路的结构图二；
图5是本发明优选实施例中带宽可调低通滤波器、电平偏移及跨阻放大器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图3所示，为本发明优选实施例中的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，该用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路包括跨阻放大器、跨阻放大器复制电路及控制电压产生电路，所述跨阻放大器和跨阻放大器复制电路的输出端分别连接到所述控制电压产生电路的两个输入端，所述控制电压产生电路的输出端连接到所述跨阻放大器的增益控制端。
所述控制电压产生电路包括带宽可调低通滤波器、跨导放大器、电流源Q1、电流源Q2、晶体管M2和电阻R0，带宽可调低通滤波器的输入端作为控制电压产生电路的一个输入端与跨阻放大器的输出端连接，带宽可调低通滤波器的输出端连接到跨导放大器的负向输入端，跨导放大器的正向输入端为直流参考电压Vref，电阻R0的一端作为控制电压产生电路的另一个输入端与跨阻放大器复制电路的输出端连接，电阻R0的另一端与跨导放大器的输出端连接，晶体管M2的源极连接到跨导放大器的输出端及电流源Q1的正端，栅极和漏极连接到电流源Q2的负端，晶体管M2的栅极和漏极电压作为控制电压产生电路的输出端。
在一些实施例中，所述跨阻放大器包括反相放大器-A、反馈电阻Rf0和晶体管M1，反相放大器-A的输入端为跨阻放大器的输入端，反相放大器-A的输出端为跨阻放大器的输出端，反相放大器-A的输入端和输出端分别连接反馈电阻Rf0的两端，反相放大器-A的输入端和输出端还分别连接晶体管M1的漏极和源极。
在一些实施例中，晶体管M1和晶体管M2均为NMOS；电流源Q1和电流源Q2具有相等的电流I0；跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref低于跨阻放大器复制电路的输出电压。
如图4所示，在其中一实施例中，所述跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref由跨阻放大器复制电路的输出电压通过电平偏移产生；在其他实施例中，所述跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref可通过额外的偏置电路产生。
其中，跨阻放大器复制电路是跨阻放大器的复制，包括反相放大器和反馈电阻，与跨阻放大器中的反相放大器-A和反馈电阻Rf0具有相同的拓扑和成比例的电路参数，因此，跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压。
在本发明中，带宽可调低通滤波器的输出信号Vout,avg为跨阻放大器输出信号Vout在时域上的平均。可选的，跨导放大器为线性的差分电压-单端电流放大器，具有跨导增益Gm，产生输出电流Iagc＝Gm*(Vref-Vout,avg)，该电流流过电阻R0，使晶体管M2的源极与跨阻放大器复制电路的输出端产生电势差，自动增益控制电路的输出电压为Vagc＝Vout,0+R0*Iagc+Vgs2，其中Vgs2为晶体管M2的栅源电压，由电流源Q1、Q2的电流I0及晶体管M2的尺寸和工艺参数所决定。
当输入光功率为0或很小时，Vout,avg>Vref，Iagc为负值，自动增益控制电路产生较低的控制电压Vagc，使晶体管M1的栅源电压为Vgs1＝Vagc-Vout＝Vout,0+R0*Iagc+Vgs2-Vout低于晶体管M1的导通阈值电压Vth，从而导致晶体管M1截止，使跨阻放大器的增益等于反馈电阻的阻值Rf0。
当输入光功率增大时，Vout,avg降低，Iagc变为正值，且随之成比例地增大，使Vagc升高，晶体管M1由截止区进入线性区，相当于有源电阻，其源漏电阻为Rmos＝1/[μnCox(W/L)(Vagc-Vout-Vth)]。因而随着输入光功率的增大，跨阻放大器的增益Rf0//Rmos下降，从而实现自动增益调控。与图2中的现有技术相比，由于有源电阻NMOS的栅极控制电压是变化的，可以提供更大的Rmos调节范围，因而运用本发明的自动增益调节电路，跨阻放大器可以实现很大的动态范围。
本发明实现快速响应的要点在于，带宽可调低通滤波器具有高低两档截止频率；在输入光功率突发时具有较高的低通截止频率，从而AGC环路建立的时间常数较小，可以在几十ns内建立到稳定的增益；增益稳定后，将带宽可调低通滤波器的低通截止频率调节到低档，则AGC环路的带宽也随之降低，使输入信号的低频分量通过时，跨阻增益能够保持稳定，从而保证跨阻放大器输出信号的抖动不会超出指标要求。
如图5所示，在其中一实施例中，用于实现电平偏移的射极跟随器与带宽可调低通滤波器中的射极跟随器完全相同，通过电阻Re1和Re2的分压实现电平偏移，则在输入光功率为0或很小时，Vref＝α(Vout,0-Vbe)，其中α＝Re2/(Re1+Re2)<1，而Vout,avg＝Vout-Vbe，因而Vref<Vout,avg。低通滤波器中的电阻R1<<R2，在输入光功率突发时，开关闭合，R1和R2的并联电阻约等于R1，低通截止频率为ωLPF1＝1/(R1C0)，使AGC环路具有快速响应；在增益稳定后，开关断开，低通截止频率变为ωLPF1＝1/(R2C0)，使AGC环路具有较小的环路带宽。R1和R2的取值分别由跨阻放大器的响应时间指标和低频截止频率指标所决定。可选的，跨导放大器为差分电压-单端电流放大器，可以由如图中所示的带有射极退化电阻的差分放大器实现，在Vout,avg的变化范围内具有较高的线性度。在本发明的其他实施例中，带宽可调低通滤波器、电平偏移及跨阻放大器可以采用其他结构，在此不多赘述。
本发明提供的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路中，有源电阻NMOS作为跨阻增益的一部分，其栅极控制电压与跨阻放大器输出电压的时域平均值呈线性关系，可以提供更大的增益调节范围，因而运用本发明的自动增益调节电路，跨阻放大器可以实现很大的动态范围。
本发明的自动增益控制电路中采用具有高低两档截止频率的低通滤波器，使AGC环路在输入光功率突发时能够快速响应，同时保证在业务信号通过时，切换到较低的低频截止频率，使跨阻放大器能够保持稳定的增益和足够小的输出抖动。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，包括：
跨阻放大器、跨阻放大器复制电路及控制电压产生电路，所述跨阻放大器和跨阻放大器复制电路的输出端分别连接到所述控制电压产生电路的两个输入端，所述控制电压产生电路的输出端连接到所述跨阻放大器的增益控制端；
所述控制电压产生电路包括带宽可调低通滤波器、跨导放大器、电流源Q1、电流源Q2、晶体管M2和电阻R0，带宽可调低通滤波器的输入端作为控制电压产生电路的一个输入端与跨阻放大器的输出端连接，带宽可调低通滤波器的输出端连接到跨导放大器的负向输入端，跨导放大器的正向输入端为直流参考电压Vref，电阻R0的一端作为控制电压产生电路的另一个输入端与跨阻放大器复制电路的输出端连接，电阻R0的另一端与跨导放大器的输出端连接，晶体管M2的源极连接到跨导放大器的输出端及电流源Q1的正端，栅极和漏极连接到电流源Q2的负端，晶体管M2的栅极和漏极电压作为控制电压产生电路的输出端。
2.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，所述跨阻放大器包括反相放大器-A、反馈电阻Rf0和晶体管M1，反相放大器-A的输入端为跨阻放大器的输入端，反相放大器-A的输出端为跨阻放大器的输出端，反相放大器-A的输入端和输出端分别连接反馈电阻Rf0的两端，反相放大器-A的输入端和输出端还分别连接晶体管M1的漏极和源极。
3.如权利要求2所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，晶体管M1和晶体管M2均为NMOS。
4.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，所述跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref由跨阻放大器复制电路的输出电压通过电平偏移产生，或者通过额外的偏置电路产生。
5.如权利要求4所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，用于实现电平偏移的射极跟随器与带宽可调低通滤波器中的射极跟随器相同，通过两个电阻分压实现电平偏移。
6.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，电流源Q1和电流源Q2具有相等的电流I0。
7.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，跨导放大器正向输入端的直流参考电压Vref低于跨阻放大器复制电路的输出电压。
8.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，跨阻放大器复制电路的输出电压Vout,0等于跨阻放大器输入电流为0时的输出电压。
9.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，带宽可调低通滤波器具有高低两档截止频率；在输入光功率突发时具有较高的低通截止频率，增益稳定后，将带宽可调低通滤波器的低通截止频率调节到低档。
10.如权利要求1所述的用于跨阻放大器的快速响应自动增益控制电路，其特征在于，跨导放大器为线性的差分电压-单端电流放大器。
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