光接收器前端及接收光信号的方法与流程

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种适用于宽输入范围下的光接收器前端及接收光信号的方法。

背景技术：

目前，随着4g通信的发展和5g时代的到来，尤其以光纤通信的应用越来越多的应用，光通信技术将极大的发展，其中光接收器为重要的通信器件，其中，光接收器从电路结构分为光接收器前端和光接收器后端。

相关技术的光接收器前端一般包括光电检测级和信号放大级等，其中核心部分为信号放大级，是光接收器前端能否准确接收光信号的关键。在有宽输入范围要求的应用场合，即光信号的平均光功率有很大变化的应用环境，一般的光接收器前端中，在信号放大级都采用了自动增益控制技术(英文为automaticgaincontrol，简称agc)。

然而，目前的使用的自动增益控制技术，增加了系统的复杂度及相应功耗，也增加了芯片的面积成本；性能优良的自动增益控制技术需要快的响应速度和宽的动态范围，这也增加了光接收器前端设计的难度，且含有低通滤波的技术无法很好的工作在低频甚至直流条件下。

因此，实有必要提供一种新的光接收器前端和方法来解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述技术问题，提供一种具有接收的光信号的光强范围宽、且对输入端噪声的抑制能力强、电路简单且易于实现、版图面积小且系统功耗低以及成本低的光接收器前端及接收光信号的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种光接收器前端，包括：

光电检测器，用于接收光信号并将其转换为电流信号；

信号放大级，用于将所述电流信号转换为电压信号后进行信号优化处理并输出；

所述信号放大级包括：

第一电流源，用于产生恒定的失调电流并输出；

第一跨阻放大器，用于接收所述失调电流，将所述失调电流转换为第一电压信号，且将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号；

电流补充网络，用于将所述电流信号中大于预设的阈值电流的部分进行补偿；

第二跨阻放大器，用于接收所述电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号；

第一二极管，用于连接所述第一跨阻放大器和所述电流补充网络并确保经过的信号单向；

第二二极管，用于连接所述第二跨阻放大器和所述电流补充网络并确保经过的信号单向；

第二级放大级，用于将所述第一放大电压信号与所述第二放大电压信号作为差分输入信号进行进一步放大输出；

所述第一电流源的负极端连接至接地，所述第一电流源的正极端连接至所述第一跨阻放大器的输入端；

所述第一跨阻放大器的输出端分别连接至所述第一二极管的负极端和所述第二级放大级的负输入端；

所述电流补充网络的第一端口连接至所述第一二极管的正极端，所述电流补充网络的第二端口连接至所述第二二极管的正极端；

所述光电检测器的正极端连接至接地，所述光电检测器的负极端分别连接至所述第二跨阻放大器的输入端和所述第二二极管的负极端；

所述第二跨阻放大器的输出端连接至所述第二级放大级的正输入端；

所述第二级放大级的第一输出端和第二输出端均作为所述光接收器前端的差分信号输出端。

更优的，所述第一跨阻放大器与所述第二跨阻放大器为相同的跨阻放大器。

更优的，所述第一跨阻放大器包括：

电阻网络，用于将所述电流信号转换为电压信号并调整该电压信号的电压幅度；

反馈网络，用于隔离所述光电检测器寄生电容对电路的影响，且辅助所述电阻网络完成其功能。

更优的，所述电阻网络包括电阻和第二电流源；所述反馈网络包括运算放大器和反馈电路；所述电阻的第一端与所述第二电流源的正极端均连接至电源电压；所述电阻的第二端分别连接至所述第二电流源的负极端、所述运算放大器的输出端以及所述反馈电路的输入端，并作为所述第一跨阻放大器的输出端；所述运算放大器的输入端连接至所述反馈电路的输出端，并作为所述第一跨阻放大器的输入端。

更优的，所述反馈电路为nmos型晶体管。

更优的，所述电流信号的电流值大于预设的阈值电流的电流值时，所述电流补充网络发挥作用，所述第二电流信号为所述阈值电流。

更优的，所述第二级放大级为差分放大器。

更优的，所述光电检测器为光电二极管。

本发明还提供一种接收光信号的方法，该方法应用于如上中任意一项的所述光接收器前端，该方法包括以下步骤：

步骤s1、光电检测器接收光信号并将其转换为电流信号；

步骤s2、信号放大级将所述电流信号转换为电压信号后进行信号优化处理并输出，该过程包括如下：

步骤s21、第一跨阻放大器将第一电流源产生的失调电流转换为第一电压信号，将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号；

步骤s22、电流补充网络将所述电流信号中大于预设的阈值电流的部分进行补偿；

步骤s23、第二跨阻放大器接收所述电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号；

步骤s3、第二级放大级将第二跨阻放大器输出的电压信号和所述第一跨阻放大器输出的电压信号之差进行二次放大后作为差分信号输出。

更优的，所述第一跨阻放大器与所述第二跨阻放大器为相同的跨阻放大器。

与现有技术相比，本发明的光接收器前端及接收光信号的方法通过设置第一跨阻放大器与第二跨阻放大器均为相同跨阻放大器，通过第一跨阻放大器将第一电流源产生的失调电流转换为第一电压信号，且将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号；第二跨阻放大器接收光电检测器输出的电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号；第二级放大级将第二跨阻放大器输出的第二放大电压信号和所述第一跨阻放大器输出的第一放大电压信号之差进行二次放大后作为差分信号输出。该电路使第一跨阻放大器提取无光信号时带有固定失调的静态量，从而使第一跨阻放大器的输出作为静态参考；并通过电流补充网络与第二跨阻放大器将补偿电流给光电检测器，即所述电流信号的电流值大于预设的阈值电流的电流值时，所述电流补充网络发挥作用，所述第二电流信号为所述阈值电流。从而使光电检测器产生的光电流变化较大时，输出的电压幅度仍然比较恒定，而且更优的是，该电路具有接收光信号的光强范围宽、且对输入端噪声的抑制能力强、电路简单且易于实现、版图面积小且系统功耗低以及成本低；并由第二级放大级将信号从单端向差分转换，以便后续电路做进一步的处理提供条件。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明一种光接收器前端的电路结构框图；

图2为本发明一种光接收器前端的跨阻放大器的电路结构框图；

图3为本发明一种接收光信号的方法的流程框图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参图1所示，图1为本发明一种光接收器前端的电路结构框图。本发明提供一种光接收器前端100，所述光接收器前端100包括光电检测器pd和信号放大级sd。

所述光电检测器pd，用于接收光信号并将其转换为电流信号。在本实施方式中，所述光电检测器pd为光电二极管。所述光电检测器pd为现有技术中的常用器件，实际中设计者可以根据需求采用合适的型号和参数指标的器件。

所述信号放大级sd用于将所述电流信号转换为电压信号后进行信号优化处理并放大输出。

所述信号放大级sd包括第一电流源i1、第一跨阻放大器tia1、电流补充网络ic、第二跨阻放大器tia2、第一二极管d1以及第二二极管d2以及第二级放大级amp。

所述第一电流源i1用于产生恒定的失调电流并输出。所述第一电流源i1为电流源器件，为现有技术中的常用器件，实际中设计者可以根据需求采用合适的型号和参数指标的器件。

所述第一跨阻放大器tia1用于接收所述失调电流，将所述失调电流转换为第一电压信号，且将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号。

所述电流补充网络ic用于将所述电流信号中大于预设的阈值电流的部分进行补偿。所述补偿根据所述电流补充网络ic预设的阈值电流大小，将所述电流信号中大于该阈值电流的部分进行分流或消耗掉，而当所述电流信号中小于预设的阈值电流时，所述电流补充网络ic不影响所述电流信号的大小。所述电流补充网络ic为现有技术中的模拟电路，为本领域技术人员容易想到的，在此不再详细描述具体电路结构。

所述第二跨阻放大器tia2用于接收所述电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号。

所述第一二极管d1用于连接所述第一跨阻放大器tia1和所述电流补充网络ic并确保经过的信号单向。

所述第二二极管d2用于连接所述第二跨阻放大器tia2和所述电流补充网络ic并确保经过的信号单向。其中，所述第一二极管d1和所述第二二极管d2均为现有技术中的常用器件，实际中设计者可以根据需求采用合适的型号和参数指标的器件。

所述第二级放大级amp用于将所述第一放大电压信号与所述第二放大电压信号之差作为差分输入信号进行进一步放大输出。在本实施方式中，所述第二级放大级amp为差分放大器。所述第二级放大级amp为现有技术中的常用器件，实际中设计者可以根据需求采用合适的型号和参数指标的器件。

在本实施方式中，所述第一跨阻放大器tia1与所述第二跨阻放大器tia2为相同的跨阻放大器tia。

其中，所述第一跨阻放大器tia包括电阻网络和反馈网络，所述电阻网络用于将所述电流信号转换为电压信号并调整该电压信号的电压幅度。所述反馈网络用于隔离所述光电检测器pd寄生电容对电路的影响，且辅助所述电阻网络完成其功能。同样，所述第二跨阻放大器tia2也为同样的电路结构。所述电阻网络和所述反馈网络现有技术中的模拟电路。

请参图2所示，以一种具体的电路结构为例来说明所述第一跨阻放大器tia1与所述第二跨阻放大器tia2。以所述第一跨阻放大器tia1为例，具体的，所述第一跨阻放大器tia1包括电阻rf、第二电流源i2、运算放大器op以及反馈电路fbc。其中，所述电阻网络包括电阻rf和第二电流源i2；所述反馈网络包括运算放大器op和反馈电路fbc。电阻rf、第二电流源i2、运算放大器op以及反馈电路fbc均为集成于所述第一跨阻放大器tia1的内部电路元器件。

该跨阻放大器tia的内部电路连接关系为：

所述电阻rf的第一端与所述第二电流源i2的正极端均连接至电源电压vdd；所述电阻rf的第二端分别连接至所述第二电流源i2的负极端、所述运算放大器op的输出端以及所述反馈电路fbc的输入端，并作为所述第一跨阻放大器tia1的输出端；所述运算放大器op的输入端连接至所述反馈电路fbc的输出端，并作为所述第一跨阻放大器tia1的输入端。其中，所述反馈电路fbc为nmos型晶体管。所述nmos型晶体管的参数和版图根据具体应用的指标设计和调整。

在该电路结构中，所述电阻rf与第二电流源i2形成所述电阻网络。而所述运算放大器op与所述反馈电路fbc形成所述反馈网络。

所述光接收器前端100的内部电路连接关系为:

所述第一电流源i1的负极端连接至接地gnd，所述第一电流源i1的正极端连接至所述第一跨阻放大器tia1的输入端；所述第一跨阻放大器tia1的输出端分别连接至所述第一二极管d1的负极端和所述第二级放大级amp的负输入端；所述电流补充网络ic的第一端口连接至所述第一二极管d1的正极端，所述电流补充网络ic的第二端口连接至所述第二二极管d2的正极端；所述光电检测器pd的正极端连接至接地gnd，所述光电检测器pd的负极端分别连接至所述第二跨阻放大器tia2的输入端和所述第二二极管d2的负极端；所述第二跨阻放大器tia2的输出端连接至所述第二级放大级amp的正输入端；所述第二级放大级amp的第一输出端out1和第二输出端out2均作为所述光接收器前端100的差分信号输出端。

所述光接收器前端100的工作原理为:

所述光电检测器pd把接收到的光信号转换为电流信号给所述第二跨阻放大器tia2，所述第二跨阻放大器tia2将输入的电流信号转换并输出第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号va；

所述第一电流源i1产生恒定的失调电流，该失调电流定义为ioffset。

所述第一跨阻放大器tia1接收所述失调电流ioffset，将所述失调电流ioffset转换为第一电压信号，且将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号vb。其中，所述失调电流ioffset为恒定值，从而使所述第一跨阻放大器tia1产生一个静态的电压vb。由于，所述第一跨阻放大器tia1与所述第二跨阻放大器tia2为相同的跨阻放大器tia，所述第一跨阻放大器tia1的电路成为所述第二跨阻放大器tia2的电路的静态参考，从而使所述第一跨阻放大器tia1提取无信号时的带有固定失调的静态量(即电压vb)。

其中，所述电流补充网络ic将所述电流信号中大于预设的阈值电流ith的部分进行补偿，补偿电流给所述光电检测器pd，即所述电流信号的电流值大于预设的阈值电流ith的电流值时，所述电流补充网络ic发挥作用，所述第二电流信号为所述阈值电流ith。使其在光信号强度变化时，所述第二跨阻放大器tia2的输出幅度(即电压va)基本保持恒定。所述电流补充网络ic分别与所述第一跨阻放大器tia1与所述第二跨阻放大器tia2相接处使用的所述第一二极管d1和所述第二二极管d2，保证了单向作用，防止相互影响，提高了电流补偿机制的有效性。

所述光接收器前端100将电压va和电压vb分别输入所述第二级放大级amp的正输入端和负输入端，所述第二级放大级amp将电压va和电压vb的电压差值在所述第二级放大级amp内部进一步放大，成为差分信号输出，以便后续电路处理。该电路结构实现了将信号由单端向差分的转换，便于后续处理。

综合上述信号处理机制，所述光接收器前端100通过将带有一定失调电流ioffset的所述第一跨阻放大器tia1做为主信号通路(即所述第二跨阻放大器tia2)的参考，放大两者间的差值，来识别有效信号，一定程度上抑制了来自输入端的噪声的干扰。

下面以光信号的情况具体说明所述光接收器前端100的工作原理：

当无光信号时，所述光电检测器pd中无光电流，va<vb，系统最终输出逻辑0；当所述光电检测器pd中有光电流但此电流小于所述失调电流ioffset时，电压va<电压vb，系统最终仍输出逻辑0；当所述光电检测器pd中有光电流且此电流大于所述失调电流ioffset时，电压va>电压vb，系统最终输出逻辑1。其中，定义低电平为逻辑0；定义高电平为逻辑1。

当光信号的光强较弱时，也即所述光电检测器pd产生的光电流在大于所述失调电流ioffset但小于阈值电流ith时，所述电流补充网络ic未发挥作用。

当光信号的光强较强时，也即所述光电检测器pd产生的光电流在大于阈值电流ith时，所述电流补充网络ic开始发挥作用，将所述光电检测器pd产生的光电流中大于ith的部分，通过所述第二跨阻放大器tia2中的反馈网络补偿掉，使其不流过所述第二跨阻放大器tia2中的电阻网络，从而使电压va的电压值不会再随着所述光电检测器pd电流的增加而增大。所述光接收器前端100的电流补偿机制，在信号光强过大的情况下，将所述光电检测器pd产生的多余的光电流补偿掉，使其不流过所述第二跨阻放大器tia2的电阻网络，从而有效避免了在强光下所述第二跨阻放大器tia2输出信号的摆幅过大而造成失真问题，有效拓宽了输入光强范围。也就是说所述光电检测器pd的光电流越大，补偿过去的电流越多，这部分电流未经过所述第二跨阻放大器tia2中的电阻网络，所以在不产生额外的压降，也即不增加跨阻放大器输出的信号幅度，从而达到了能处理宽输入范围光信号的目的。

综合上述，所述光接收器前端100的由于电流补偿机制简单，只使用一级放大器，所以在需要补偿时有较快的响应速度。由于此机制过程中未使用任何低通滤波，也能很好地处理低频甚至直流控制信号。其中，信号处理过程中，不存在rc低通滤波，使电路能在低频甚至直流控制情况下准确识别信号，并稳定工作。

请参图3所示，本发明还提供一种接收光信号的方法，该方法应用于所述光接收器前端100，该方法包括以下步骤：

步骤s1、光电检测器pd接收光信号并将其转换为电流信号。

步骤s2、信号放大级sd将所述电流信号转换为电压信号后进行信号优化处理并输出，该过程包括如下：

步骤s21、第一跨阻放大器tia1将将第一电流源i1产生的失调电流转换为第一电压信号，将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号。

步骤s22、电流补充网络ic将所述电流信号中大于预设的阈值电流ith的部分进行补偿。其中，所述第一跨阻放大器tia1与所述第二跨阻放大器tia2为相同的跨阻放大器。

步骤s23、第二跨阻放大器tia2接收所述电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号。

步骤s3、第二级放大级amp将第二跨阻放大器tia2输出的第二放大电压信号和所述第一跨阻放大器tia1输出的第一放大电压信号之差进行二次放大后作为差分信号输出。

所述接收光信号的方法达到了与使用自动增益控制技术agc相同的效果，但大大降低了系统的复杂度。

与现有技术相比，本发明的光接收器前端及接收光信号的方法通过设置第一跨阻放大器与第二跨阻放大器均为相同跨阻放大器，通过第一跨阻放大器将第一电流源产生的失调电流转换为第一电压信号，且将该第一电压信号进行放大处理并输出第一放大电压信号；第二跨阻放大器接收光电检测器输出的电流信号，将所述电流信号经过所述电流补充网络补偿后的第二电流信号转换为第二电压信号，且将该第二电压信号进行放大处理并输出第二放大电压信号；第二级放大级将第二跨阻放大器输出的第二放大电压信号和所述第一跨阻放大器输出的第一放大电压信号之差进行二次放大后作为差分信号输出。该电路使第一跨阻放大器提取无光信号时带有固定失调的静态量，从而使第一跨阻放大器的输出作为静态参考；并通过电流补充网络与第二跨阻放大器将补偿电流给光电检测器，即所述电流信号的电流值大于预设的阈值电流的电流值时，所述电流补充网络发挥作用，所述第二电流信号为所述阈值电流。从而使光电检测器产生的光电流变化较大时，输出的电压幅度仍然比较恒定，而且更优的是，该电路具有接收光信号的光强范围宽、且对输入端噪声的抑制能力强、电路简单且易于实现、版图面积小且系统功耗低以及成本低；并由第二级放大级将信号从单端向差分转换，以便后续电路做进一步的处理提供条件。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。