JP6663397B2 - 発光ダイオード駆動回路および光送信機 - Google Patents
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Description
本発明は、特許請求項1のプリアンブルに記載されている種類の発光ダイオード駆動回路、および、特許請求項14のプリアンブルに記載の光送信機に関する。
したがって、本発明の目的は、光通信システムを改善するための手段を提供することである。たとえば、この目的は、光通信システムの性能と信頼性を改善することを含み得る。
本発明に従い、上記目的は、請求項1に記載の電子回路および請求項14に記載の光送信機によって達成される。好ましい実施形態およびさらなる発展形態が、従属請求項の主題である。
・発光ダイオードの線形変調のために入力電圧信号を出力信号たとえば出力電流信号に線形変換するように構成された高速トランスコンダクタンスアンプを含む高速信号経路と、
・入力信号の低周波成分に応じてトランスコンダクタンスを生成するように構成された低周波制御経路とを備える。
本明細書において、低周波という用語は、たとえば5kHzよりも低い周波数を意味し得る。一方、高速または高周波という用語は、たとえば100MHzよりも高い周波数を意味する。
VDIFF=GHS・(VIP−VIN)=GHS・VDIFF,IN
を生成するための、高速差動入力信号コンディショナをさらに含み得る。
さらに、それに加えてバイアス電流(IBIAS)がLEDを流れてもよく、そうすると、LEDを流れる総電流(ILED)は次のように定義できる。
上記バイアス電流(IBIAS)はたとえば次のように定義できる。
上記消光比(ER)はたとえばデシベル(dB)で測定することができ、次のように表わすこともできる。
低周波入力信号振幅推定器による、入力信号(VAMP,IN)の振幅に応じた信号(VAMP)の例示的な生成は、特に、以下を生成することを含み得る。
式中、kは低周波入力信号振幅推定器のゲインであり次のように定義される。
さらに、任意のプリエンファシスブロックを入力信号コンディショナと組合わせて1つのブロックにすることができ、高速差動入力信号コンディショナは高速プリエンファシスブロックと統合することができ、低周波入力信号振幅推定器は低速プリエンファシスレプリカブロックと統合することができる。
VGSはCMOSトランジスタのゲート−ソース電圧、
VTHはCMOSトランジスタのしきい値電圧、
IPOLAR,HSは高速入力信号コンディショナバッファのCMOSトランジスタを流れる分極電流、
μは電荷キャリアの移動度、
COXはCMOSトランジスタのゲート酸化膜容量、
WおよびLはそれぞれCMOSトランジスタの幅および長さである。
上記ゲインは下記の通りである。
gmは、CMOSトランジスタにおけるゲート−ソース電圧に関連する小信号トランスコンダクタンスであり、
gmbは、CMOSトランジスタにおけるバルク−ソース電圧に関連する小信号トランスコンダクタンスである。
言換えると、低周波入力信号振幅推定器におけるフィードバック抵抗器は、複製された高速差動入力信号コンディショナにおけるフィードバック抵抗器のfREPLICA倍になるように設計することができる。低周波入力信号振幅推定器についてより大きな構成要素の使用を選択することにより、低周波入力信号振幅推定器の精度およびマッチングを改善し消費電力を低減することができる。
低周波制御回路は、シングルエンドのまたは全差動低速トランスコンダクタンスアンプおよび比例積分コントローラを含み得る。
少なくとも1つの発光ダイオードと、
上記構成のうちのいずれかに従うおよび/または上記例示的な特徴のいずれかの可能な組合せに従う少なくとも1つの発光ダイオード駆動回路とを含み得る。
・十分に制御された消光比、
・入力信号振幅およびPVT変動の補償、
・高速信号経路のオフセット較正、
・一定のLED分極(一定のIBIAS)、
・プリエンファシス極/ゼロ周波数位置およびプリエンファシス高周波ゲインの制御、
・十分に制御された光クリッピングおよび信頼性が高い最大LEDピーク電流、および
・線形変調に基づく高速光通信に対応するための高帯域幅および高線形性
を、提供できる。
さらに、それに加えてバイアス電流(IBIAS)123がLED110を流れてもよく、そうすると、LEDを流れる総電流121(ILED)は、これも先に示したように次のように表わすことができる。
言換えると、示されている例示的な発光ダイオード駆動回路101のアーキテクチャは、入力信号106を受け高速差動入力信号コンディショナ111と低周波入力信号振幅推定器112とを含み得る入力信号コンディショナブロック104を含むと説明することもできる。
さらに、それに加えてバイアス電流(IBIAS)がLED310を流れてもよく、そうすると、LEDを流れる総電流121(ILED)は、これも先に示したように次のように表わすことができる。
示されている例示的な発光ダイオード駆動回路301のアーキテクチャは、入力信号306を受け高速差動入力信号コンディショナ311と低周波入力信号振幅推定器312とを含み得る入力信号コンディショナブロック304を含むと説明することもできる。
上記電圧は以下の通りである。
VGSはCMOSトランジスタのゲート−ソース電圧、
VTHはCMOSトランジスタのしきい値電圧、
IPOLAR,HSは高速入力信号コンディショナバッファのCMOSトランジスタを流れる分極電流、
μは電荷キャリアの移動度、
COXはCMOSトランジスタのゲート酸化膜容量、
WおよびLはそれぞれCMOSトランジスタの幅および長さである。
上記ゲインは以下の通りである。
gmは、CMOSトランジスタにおけるゲート−ソース電圧に関連する小信号トランスコンダクタンスであり、
gmbは、CMOSトランジスタにおけるバルク−ソース電圧に関連する小信号トランスコンダクタンスである。
言換えると、低周波入力信号振幅推定器904におけるフィードバック抵抗器は、高速差動入力信号コンディショナ903におけるフィードバック抵抗器のfREPLICA倍になるように設計することができる。
図13は、低周波制御回路(図示せず)によって制御される可能なトランスコンダクタンスアンプ1300の他の例示的なアーキテクチャを示す。
100 例示的な光送信機
101 例示的な発光ダイオード駆動回路
102 例示的な高速信号経路
103 例示的な低周波制御経路/例示的な低速制御経路
104 例示的な入力信号コンディショナ、例示的な入力信号コンディショナブロック
105 例示的なトランスコンダクタンスアンプ、例示的なトランスコンダクタンスアンプブロック
106 例示的な入力信号たとえば差動入力信号、差動電圧入力信号
107 例示的な第1の電圧入力
108 例示的な第2の電圧入力
109 例示的な出力信号たとえば発光ダイオードを駆動するための変調された電流
110 例示的な発光ダイオード(LED)
111 例示的な高速差動入力信号コンディショナ
112 例示的な低周波入力信号振幅推定器
113 例示的な低周波制御回路
114 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
115 例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
116 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
117 低周波入力信号振幅推定器によって生成された例示的な信号
118 高速差動入力信号コンディショナによって生成された例示的な信号
119 例示的な低速トランスコンダクタンスアンプ
120 低周波制御回路の例示的な比例積分コントローラ
121 LEDを流れる例示的な総電流
122 例示的な光強度出力
123 例示的なバイアス電流
200 例示的なプリエンファシス関数
201 例示的な周波数軸
202 例示的なゲイン軸
203 プリエンファシス関数の例示的なゼロ位置
204 プリエンファシス関数の例示的な極位置
205 ゼロ位置の前のプリエンファシス関数の例示的な値
206 極位置の後のプリエンファシス関数の例示的な値
300 例示的な光送信機
301 例示的な発光ダイオード駆動回路
302 例示的な高速信号経路
303 例示的な低周波制御経路/例示的な低速制御経路
304 例示的な入力信号コンディショナ、例示的な入力信号コンディショナブロック
305 例示的なトランスコンダクタンスアンプ、例示的なトランスコンダクタンスアンプブロック
306 例示的な入力信号、たとえば差動入力信号、差動電圧入力信号
307 例示的な第1の電圧入力
308 例示的な第2の電圧入力
309 例示的な出力信号、たとえば発光ダイオードを駆動するための変調された電流
310 例示的な発光ダイオード(LED)
311 例示的な高速差動入力信号コンディショナ
312 例示的な低周波入力信号振幅推定器
313 例示的な低周波制御回路
314 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
315 例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
316 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
317 低周波入力信号振幅推定器によって生成された例示的な信号
318 高速差動入力信号コンディショナによって生成された例示的な信号
319 例示的な低速トランスコンダクタンスアンプ
320 低周波制御回路の例示的な比例積分コントローラ
321 LEDを流れる例示的な総電流
322 例示的な光強度出力
323 例示的なプリエンファシスブロック
324 例示的な高速プリエンファシスブロック
325 例示的な低速プリエンファシスレプリカブロック
326 低速プリエンファシスレプリカブロックによって生成された例示的な信号
327 高速プリエンファシスブロックによって生成された例示的な信号
400 例示的な発光ダイオード駆動回路における例示的な信号の流れの挙動
401 例示的な時系列の例示的な差動入力信号
402a 低周波入力信号振幅推定器における例示的な時系列の電圧信号
402b 高速差動入力信号コンディショナにおける例示的な時系列の電圧信号
403a 低速プリエンファシスレプリカブロックにおける例示的な時系列の電圧信号
403b 高速プリエンファシスブロックにおける例示的な時系列の電圧信号
404a 低速/低周波制御回路における例示的な時系列のトランスコンダクタンス
404b 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的な時系列の出力信号
405 LEDを流れる例示的な時系列の電流
406 LEDの例示的な時系列の光強度出力
407 例示的な高速信号経路
408 例示的な低周波制御経路
500 例示的な較正関数
600 例示的な光送信機
601 例示的な発光ダイオード駆動回路
602 例示的な高速信号経路
603 例示的な低周波制御経路/例示的な低速制御経路
604 例示的な入力信号コンディショナ、例示的な入力信号コンディショナブロック
605 例示的なトランスコンダクタンスアンプ、例示的なトランスコンダクタンスアンプブロック
606 例示的な入力信号、たとえば差動入力信号、差動電圧入力信号
607 例示的な第1の電圧入力
608 例示的な第2の電圧入力
609 例示的な出力信号、たとえば発光ダイオードを駆動するための変調された電流
610 例示的な発光ダイオード(LED)
611 例示的な高速差動入力信号コンディショナ
612 例示的な低周波入力信号振幅推定器
613 例示的な低周波制御回路
614 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
615 例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
616 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的なトランスコンダクタンス、例示的なトランスコンダクタンス制御信号
617 例示的な信号によって生成された低周波入力信号振幅推定器
618 例示的な信号によって生成された高速差動入力信号コンディショナ
619 例示的な低速トランスコンダクタンスアンプ
620 低周波制御回路の例示的な比例積分コントローラ
621 LEDを流れる例示的な総電流
622 例示的な光強度出力
623 例示的なプリエンファシスブロック
624 例示的な高速プリエンファシスブロック
625 例示的な低速プリエンファシスレプリカブロック
626 例示的な信号によって生成された低速プリエンファシスレプリカブロック
627 例示的な信号によって生成された高速プリエンファシスブロック
628 例示的な較正ブロック/オフセット較正ブロック
629 例示的な比例積分(PI)コントローラ
700 例示的なデジタルアナログ変換器(DAC)
701 発光ダイオード駆動回路の例示的な入力終端/LEDドライバ入力終端インピーダンス
702 例示的な差動電圧入力信号(V_(AMP,IN))
800 例示的な入力信号コンディショナブロック
801 発光ダイオード駆動回路の例示的な入力終端/LEDドライバ入力終端インピーダンス
802 例示的な差動電圧入力信号(V_(AMP,IN))
803 例示的な高速入力信号コンディショナ/高速差動input
信号コンディショナ
804 例示的な低周波入力信号振幅推定器/DC入力信号振幅推定器
900 例示的な入力信号コンディショナブロック
901 発光ダイオード駆動回路の例示的な入力終端/LEDドライバ入力終端インピーダンス
902 例示的な差動電圧入力信号(V_(AMP,IN))
903 例示的な高速入力信号コンディショナ/高速差動入力信号コンディショナ
904 例示的な低周波入力信号振幅推定器/DC入力信号振幅推定器
905 例示的な高速オペアンプ
906 例示的な低速オペアンプ
907 高速入力信号コンディショナにおける例示的なコモンモードフィードバック(CMFB)回路
908 低周波入力信号振幅推定器における例示的なコモンモードフィードバック(CMFB)回路
1000 例示的なプリエンファシスブロック
1001 例示的な高速プリエンファシスブロック/高速プリエンファシス回路
1002 例示的な低速プリエンファシスレプリカブロック/DCプリエンファシスレプリカ回路/低速プリエンファシスレプリカブロック
1003 例示的な入力信号
1004 例示的な高速オペアンプ
1005 例示的な低速オペアンプ
1006 高速プリエンファシスブロックにおける例示的なコモンモードフィードバック(CMFB)回路
1007 低速プリエンファシスレプリカブロックにおける例示的なコモンモードフィードバック(CMFB)回路
1100 例示的なトランスコンダクタンスアンプブロック
1101 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
1102 例示的な低周波制御回路/直流(DC)消光比回路
1103 例示的な発光ダイオード(LED)
1104 例示的な電源VDD
1105 例示的な制御信号/トランスコンダクタンス制御信号/トランスコンダクタンス
1106 例示的な高直流(DC)ゲインアンプ
1107 例示的なキャパシタ
1108 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的なシングルエンド/シングル出力
1200 例示的なトランスコンダクタンスアンプブロック
1201 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
1202 例示的な低周波制御回路/直流(DC)消光比回路
1203 例示的な発光ダイオード(LED)
1204 例示的な電源VDD
1205 例示的な制御信号/トランスコンダクタンス制御信号/トランスコンダクタンス
1206 例示的な高直流(DC)ゲインアンプ
1207 例示的なキャパシタ
1208 高速トランスコンダクタンスアンプの例示的な全差動出力
1209 例示的なダミー抵抗
1300 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ
1301 例示的な較正ブロック(オフセット較正ブロック)
1302 例示的な高速トランスコンダクタンスアンプ入力
1303 例示的なキャパシタ
1304 例示的な高直流(DC)ゲインアンプ
1400 例示的な光通信システム
1401 例示的な光送信機
1402 例示的な光ファイバリンク
1403 例示的な光受信機
1404 例示的な発光ダイオード駆動回路
1405 例示的な入力信号、たとえば電圧信号
1406 例示的な発光ダイオード
1407 例示的な受光素子、たとばフォトダイオード
1408 例示的なトランスインピーダンスアンプ(TIA)
1409 例示的な出力信号、たとえば光通信システムの電圧出力信号
Claims (14)
- 光送信機(100,300,600)において使用される発光ダイオード駆動回路(101,301,601)であって、
発光ダイオード(110,310,610,1203)の線形変調のために入力信号(106,306,606)を出力電流信号(109,309,609)に線形変換するように構成された高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)を含む高速信号経路(102,302,602)と、
入力信号(106,306,606)の低周波成分に応じて第1のトランスコンダクタンス(115,315,615)を生成するように構成された低周波制御経路(103,303,603)とを備え、
前記低周波制御経路(103,303,603)は、前記第1のトランスコンダクタンス(115,315,615)に基づいて、前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)の第2のトランスコンダクタンス(116,316,616)を制御するように構成されている、発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記入力信号(106,306,606)は差動入力信号であり、
前記高速信号経路(102,302,602)は、ゲインを前記差動入力信号に与えるおよび/または前記入力信号(106,306,606)のコモンモードに適合させた信号を、前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)に出力するための高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記低周波制御経路(103,303,603)は、
前記入力信号(106,306,606)の振幅に応じて信号(117,317,617)を生成するように構成された低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)と、
前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)によって生成された前記信号(117,317,617)に応じて第1のトランスコンダクタンス(115,315,615)を生成するように構成された低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)とをさらに含み、
前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)は、前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)によって生成された前記信号(117,317,617)に応じて前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)によって生成された前記第1のトランスコンダクタンス(115,315,615)に基づいて、前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)の前記第2のトランスコンダクタンス(116,316,616)を制御するように構成されている、請求項2に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)は、前記信号(117,317,617)を入力する低速トランスコンダクタンスアンプ(119,319,619)と、前記低速トランスコンダクタンスアンプ(119,319,619)の出力を受けて前記第1のトランスコンダクタンス(115,315,615)を出力する比例積分コントローラ(120,320,620)とを含む、請求項3に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 前記発光ダイオード駆動回路(101,301,601)は、不変分極電流によって前記発光ダイオード(110,310,610,1103,1203)の消光比および分極を一定に保つように構成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- プリエンファシスブロック(323,623,1000)をさらに備え、
前記プリエンファシスブロック(323,623,1000)は、
前記高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)と前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)との間に接続され、前記入力信号(106,306,606)に対し高速ゲインを用いてプリエンファシスを与えるための高速プリエンファシスブロック(324,624,1001)と、
前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)と前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)との間に接続され、前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)によって生成された信号に低周波ゲインを与える低速レプリカブロック(325,625,1002)とを含み、
前記高速ゲインの値は、前記低周波ゲインの値にマッチングまたは比例する、請求項3または4に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記プリエンファシスブロック(323,623,1000)は、前記高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)および前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)を含む入力信号コンディショナ(104,304,604)と、前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)および前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)とを含むトランスコンダクタンスアンプ(105,305,605)とが組合わされて1つのブロックを形成し、
前記高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)は前記高速プリエンファシスブロック(324,624,1001)と統合され、前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)は前記低速レプリカブロック(325,625,1002)と統合されている、請求項6に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記高速信号経路(102,302,602)において生じ得るオフセットを補正するための較正ブロック(628)をさらに備え、前記較正ブロック(628)は、前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)内で実現されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 前記高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)はユニティバッファと2つの抵抗器とを含み、および/または前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)はユニティバッファと2つの抵抗器とを含む、請求項3、4、6および7のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 前記高速差動入力信号コンディショナ(111,311,611,803,903)は負のフィードバックを伴う少なくとも1つのオペアンプ(905)を含み、および/または前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)は負のフィードバックを伴う少なくとも1つのオペアンプ(906)を含む、請求項3、4、6および7のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 前記プリエンファシスブロック(323,623,1000)は負のフィードバックを伴う少なくとも1つのオペアンプ(1004)を含む、請求項6または7に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 前記発光ダイオード(110,310,610,1203)を流れる電流と値は同じであるが方向が逆の電流がダミー抵抗(1209)にも流れるように構成された、シングルエンドの前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)または全差動の前記高速トランスコンダクタンスアンプ(114,314,614,1101,1201)と、
シングルエンドの低速トランスコンダクタンスアンプおよび比例積分コントローラを含む前記低周波制御回路(113,313,613,1102,1202)とを備える、請求項3、4、6、7および9〜11のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。 - 前記低周波入力信号振幅推定器(112,312,612,804,904)は、エンベロープ検出器および/または二乗平均平方根値検出器および/またはコモンモード電圧検出器を含む、請求項3、6、7、9および10のいずれか一項に記載の発光ダイオード駆動回路(101,301,601)。
- 少なくとも1つの発光ダイオード(110,310,610,1103,1203)と、
請求項1〜13のいずれか一項に記載の少なくとも1つの発光ダイオード駆動回路(101,301,601)とを備える、光通信システムにおいて使用される光送信機。
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