跨阻抗型電子裝置、具有此裝置的光纖通信系統(tǒng)及操作此裝置的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括跨阻抗型放大器的電子裝置、包括光電二極管及此類電子裝置的光纖通信系統(tǒng)以及操作此類裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]跨阻抗放大器(也稱為電流/電壓轉(zhuǎn)換器)將輸入電流轉(zhuǎn)換并放大成輸出電壓。如果跨阻抗放大器的輸入電流不包括直流(DC)分量，那么會實現(xiàn)跨阻抗放大器的最佳性能及高動態(tài)范圍?？缱杩剐头糯笃鹘?jīng)常在光纖通信系統(tǒng)中用于檢測及放大來自檢測光學(xué)數(shù)據(jù)信號的光電二極管的信號電流。光電二極管的輸出信號/輸出電流(其或多或少地與照射光功率成正比且因此或多或少地與光學(xué)數(shù)據(jù)信號成正比)被轉(zhuǎn)換成用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理步驟的電壓信號。光纖通信系統(tǒng)中的接收器的靈敏度及其動態(tài)范圍主要由跨阻抗放大器級決定。
[0003]通過圖1a的簡化電路圖來圖解說明光纖通信系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換的原理。存在接收具有功率Pot的光學(xué)數(shù)據(jù)信號S的光電二極管2。光電二極管2耦合到偏置供應(yīng)電壓BIAS，且光電二極管2的光電流Is耦合到放大器4的輸入。反饋電阻器RF耦合于放大器4的輸入與輸出之間。因此，存在耦合到放大器4的輸入的虛擬接地節(jié)點6。在跨阻抗放大器的輸出節(jié)點OUT處提供輸出電壓Us。如果跨阻抗放大器的增益顯著高于1，那么跨阻抗增益等于Rf的值且反饋電阻器R 的電流等于信號電流I s。
[0004]然而，為在最高動態(tài)范圍下實現(xiàn)最優(yōu)性能，輸入電流Is應(yīng)為雙向的。換句話說，輸入電流Is應(yīng)以優(yōu)選地相同振幅流進及流出放大器4。然而，光電二極管2提供單向電流，且因此，信號電流Is中存在DC電流分量。
[0005]圖1b圖解說明光纖通信系統(tǒng)中的光電二極管2的時間相依信號電流Is。信號電流Is在用位信息“O”識別的第一電流電平LO與用位信息“ I”識別的第二電流電平LI之間交替。電流電平LO大于零電流，因為如果傳送“零”位，那么應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠?通常為激光器)通常未被完全切斷。兩個電流電平L0、LI均大于零(電流)，且因此，信號電流Is中存在平均DC偏移電流I Ave。即使針對“零”位的電流電平LO被設(shè)定為零電流，也將存在等于峰值電流一半的平均DC偏移電流。
[0006]可通過引入額外電流源來減少光電二極管2的信號電流Is中的DC電流分量，所述額外電流源耦合到跨阻抗放大器的輸入且將從由光電二極管2遞送的信號電流Is減去平均DC電流IAve。在圖2a中，存在跨阻抗放大器的另一簡化電路圖，其中額外電流源8耦合到虛擬接地節(jié)點6以便從輸入信號13減去平均DC電流I Ave。在圖2b的時間相依簡化圖中展示等于跨越反饋電阻器Rf的電流的經(jīng)修改信號I s*。用位信息“O”識別的電流電平LO為負的(即，低于零電流)，且用位信息“I”識別的(經(jīng)修改輸入信號Is*的)電流電平LI高于零電流?，F(xiàn)在，輸入電流Is*的平均值非常接近于零電流。然而，引入用于從信號電流Is減去平均電流I Ave的額外電流源8會引入額外噪聲。如果在光纖通信系統(tǒng)內(nèi)使用跨阻抗放大器，那么這可顯著影響接收器的靈敏度。
[0007]在圖3中，存在光纖通信系統(tǒng)中的前置放大器10的更詳細簡化電路圖。前置放大器10包括具有虛設(shè)跨阻抗放大器12的偏移消除級。虛設(shè)跨阻抗放大器12類似于跨阻抗放大器14而配置，且其用于產(chǎn)生在存在零輸入電流的情況下等于跨阻抗放大器14的輸出電壓的參考電壓。虛設(shè)跨阻抗放大器12及跨阻抗放大器14兩者均包括放大器4及耦合于放大器4的輸出與其輸入之間的反饋電阻器Rf。虛設(shè)跨阻抗放大器12的輸出耦合到增益級16的非反相輸入，且跨阻抗放大器14的輸出耦合到增益級16的反相輸入。增益級16包括輸出OUT+及反相輸出OUT-。偏移消除級包括運算放大器18，運算放大器18以其輸入中的相應(yīng)一者耦合到增益級16的輸出OUT+及反相輸出OUT-。運算放大器18的輸出耦合到電流源20，電流源20用于產(chǎn)生被從信號電流Is減去的DC偏移電流。在前置放大器10的輸入節(jié)點IN處感測光電二極管2的信號電流Is。優(yōu)選地，由電流源20產(chǎn)生的偏移電流的值或多或少地等于光電二極管2的信號電流13中所包含的平均DC電流I Ave的值。
[0008]然而，圖3中的前置放大器10包括對系統(tǒng)的功率消耗具有負面影響的虛設(shè)放大器12。此外，偏移消除環(huán)路不僅消除由輸入信號Is中的DC電流產(chǎn)生的偏移，而且消除環(huán)路中存在的所有偏移。由電流源20從耦合到輸入IN的信號減去的DC電流可未必等同于光電二極管2的平均DC輸入電流。效果可由于分量失配所導(dǎo)致的偏移而在各部分間變化。此夕卜，接收器的靈敏度受電流源20的噪聲貢獻影響。因此，圖3的電路對于高靈敏度接收器來說并非優(yōu)選電路。
[0009]在圖4中，存在用于光纖通信系統(tǒng)的另一前置放大器10。前置放大器10包括低通濾波器，所述低通濾波器包括串聯(lián)耦合于供應(yīng)電壓線VCC與接地之間的電阻器Rl及電容器Cl。電阻器Rl與電容器Cl之間的節(jié)點向光電二極管2提供供應(yīng)電壓。前置放大器10在輸入IN處接收輸入信號電流Is。輸入信號電流Is耦合到跨阻抗放大器14?？缱杩狗糯笃?4包括放大器4及反饋電阻器Rf。此外，存在包括運算放大器5、電阻器R2及電容器C2的單位增益緩沖器。所述單位增益緩沖器耦合于增益級16的非反相輸入與反相輸入之間。跨阻抗放大器14的輸出耦合到增益級16的非反相輸入。單位增益緩沖器使用不同于跨阻抗放大器14的放大器5。單位增益緩沖器與RC濾波器(其包括電阻器R2及電容器C2) —起提取并緩沖跨阻抗放大器14的輸出30處的共模電壓。單位增益緩沖器為后面的增益級(電壓放大器)16提供參考。
[0010]根據(jù)圖4，前置放大器10利用如下事實:用于光電二極管2的偏置電壓是通過芯片上低通濾波器(R1，Cl)而提供的。光電二極管2的平均DC電流將流動穿過電阻器R1，因此跨越電阻器Rl形成電壓降。存在與電阻器Rl匹配的另一電阻器R3。偏移消除級進一步包括用于控制充當(dāng)電流源的第一晶體管22及第二晶體管24的運算放大器26。運算放大器26感測跨越電阻器Rl的電壓降與跨越所匹配電阻器R3的電壓降之間的電壓差。因此，其感測偏置電流(即，穿過光電二極管2的DC電流分量)。運算放大器26的輸出耦合到兩個晶體管22、24的柵極。電流源是受控制的，因為跨越兩個晶體管R2、R3的電壓降為等同的。如果兩個電流源(即，兩個晶體管22、24)是匹配的裝置，那么晶體管22將從虛擬接地節(jié)點6減去等同電流且因此從輸入電流Is減去DC電流分量。根據(jù)圖4的簡化電路圖，在前置放大器級10中，不需要虛設(shè)放大器。然而，需要根據(jù)芯片上低通濾波器(R1，Cl)來對光電二極管2進行偏置，且因此，所述電路對于從外部偏置的光電二極管來說并不有效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種具有跨阻抗型放大器的經(jīng)改進電子裝置。還提供一種包含所述電子裝置的經(jīng)改進光纖通信系統(tǒng)。
[0012]在一個方面中，提供一種包括具有跨阻抗級的跨阻抗型放大器的電子裝置。所述跨阻抗級包括放大器，所述放大器與所述電子裝置的輸入節(jié)點串聯(lián)耦合。此外，存在反饋電阻器，其串聯(lián)耦合于所述放大器的輸出節(jié)點與所述放大器的輸入節(jié)點之間以便在所述輸入處提供虛擬接地節(jié)點。所述虛擬接地節(jié)點耦合到所述電子裝置的所述輸入節(jié)點、所述放大器的所述輸入節(jié)點及所述反饋電阻器。所述電子裝置包括電流源，其耦合到所述虛擬接地節(jié)點以便補償耦合到所述電子裝置的所述輸入節(jié)點的輸入信號中(優(yōu)選地輸入電流中)的DC電流分量。根據(jù)本發(fā)明的方面，所述電子裝置進一步包括偏移消除級，其用于消除所述輸入信號中的DC偏移電流分量。所述偏移消除級經(jīng)配置以根據(jù)穿過所述反饋電阻器的電流而控制所述電流源。優(yōu)選地，所述偏移消除級經(jīng)配置以根據(jù)跨越所述反饋電阻器的電壓降而控制由所述電流源產(chǎn)生的電流的值。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的方面，所述電子裝置感測跨越所述反饋電阻器的DC電流。所述偏移消除級調(diào)整所述電流源，因為跨越所述反饋電阻器的所得DC電流等于零。所述電子裝置不需要額外虛設(shè)放大器，且此外，其可應(yīng)用于任何種類的光電二極管(內(nèi)部偏置及外部偏置的光電二極管兩者)。
[0014]根據(jù)一實施例，存在耦合于所述跨阻抗放大器級與所述電流源之間的低通濾波器。優(yōu)選地，偏移消除源包括所述低通濾波器。所述低通濾波器可包括耦合到所述反饋電阻器的第一側(cè)或第二側(cè)的電阻器及進一步耦合到接地的電容器。優(yōu)選地，所述低通濾波器包括耦合到所述反饋電阻器的第一側(cè)及所述跨阻抗級的放大器的輸出的第一電阻器。第一電阻器的相對側(cè)可耦合到偏移消除級的運算放大器的輸入。此外，所述低通濾波器可包括耦合到所述反饋電阻器的第二側(cè)及所述跨阻抗級的放大器的輸入的第二電阻器。所述第二電阻器的相對側(cè)可耦合到偏移消除環(huán)路的運算放大器的不同輸入。舉例來說，第一電阻器耦合到運算放大器的反相輸入，且第二電阻器耦合到所述運算放大器的非反相輸入。所述低通濾波器進一步包括優(yōu)選地耦合于運算放大器的輸出與接地之間的電容器。然而，代替耦合到所述運算放大器的輸出