动态阻抗光电探测器接收器电路 |
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| 申请号 | CN200980158276.X | 申请日 | 2009-02-23 | 公开(公告)号 | CN102362449A | 公开(公告)日 | 2012-02-22 |
| 申请人 | 惠普开发有限公司; | 发明人 | K·H·邱; M·菲奥伦蒂诺; D·A·法塔勒; | ||||
| 摘要 | 一种用于光通信系统(100)的接收器 电路 (120)包括接收光 信号 (150)并且将其转换为 电流 的光学的光电探测器(115)。在一个示例性 实施例 中，接收器电路(120)包括使接收器电路(120)在高阻抗状态和低阻抗状态之间切换的动态阻抗电路(203)以及接收所述电流并且将所述电流转换为与数字电路(216)兼容的 电压 信号的 缓冲器 级(212)。一种用于接收 光信号 (150)的方法，包括接收所述光信号(150)并且将其转换为电脉冲串，使动态阻抗电路(200)在高阻抗状态和低阻抗状态之间切换，使用缓冲器级(212)将所述电脉冲串转换为 输出电压 信号，并且通过数字电路(216)接收所述输出电压信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光电探测器接收器电路(120)，用于光通信系统(16)，所述接收器电路(120， |
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| 说明书全文 | 动态阻抗光电探测器接收器电路背景技术[0002] 因此，光学技术在现代电子器件中起着显著作用，并且许多电子设备采用光学组件。这样的光学组件的示例包括但不限于诸如发光二极管和激光器的光学源或者光源、波导、光纤、透镜和其它光学设备、光电探测器和其它光学传感器、光敏半导体等等。 [0004] 光通信系统的接收端通常涉及包括光电探测器的接收器电路。可以是光电二极管的探测器将光信号转换为电流。接收器电路然后提取已经由光电探测器生成的电流并且将其放大到适合于标准数字逻辑电路的电压电平。 [0005] 接收器电路执行重要的放大和滤波操作以产生与数字逻辑电路兼容的电压信号。接收器电路通常由跨阻放大器或者感测放大器构成。尽管这些放大器可以执行期望的放大功能，但是它们消耗相当大量的功率并且通常会生成不期望的噪声、抖动(jitter)和延迟。理想地，接收器电路将比使用跨阻和感测放大器的实现方式消耗更少的功率并且产生明显少的噪声、抖动和延迟。 附图说明 [0007] 图1A和1B是根据在此描述的原理的一个实施例的示例性光通信系统的视图。 [0008] 图2是根据在此描述的原理的一个实施例的使用时钟信号以在高输入阻抗和低输入阻抗之间交替的示例性接收器电路的示意图。 [0010] 图4是根据在此描述的原理的一个实施例的表示在接收器电路中的各种点处的示例性电流和电压电平的一组曲线图，该接收器电路使用时钟信号以在阻抗模式之间切换。 [0011] 图5是根据在此描述的原理的一个实施例的使用电阻/电容(RC)延迟电路以在高输入阻抗状态和低输入阻抗状态之间交替的示例性接收器电路的示意图。 [0012] 图6是根据在此描述的原理的一个实施例的表示在示例性接收器电路中的各种点处的电压电平的曲线图，该示例性接收器电路使用RC延迟电路以在阻抗状态之间切换。 [0013] 图7是根据在此描述的原理的一个实施例的用于使用动态阻抗接收器电路来接收光信号的一个示例性方法的流程图。 [0014] 在整个附图中，相同的附图标记指代类似的、但是不必相同的元件。 具体实施方式[0015] 本说明书涉及用于光通信系统的接收器电路。由于该接收器电路不使用跨阻放大器或者感测放大器而与传统接收器电路不同。因此，与其它接收器电路相比较，该接收器电路消耗更少的功率并且产生明显减少的噪声、抖动和延迟。根据一个实施例，在此描述的示例性接收器电路接受已经由入射在光电探测器上的光能生成的小的电信号。该示例性接收器电路随后使用动态阻抗和缓冲器级，以将该小的电信号转换为与数字逻辑兼容的电压摆动，而不需要传统的放大方法。2008年8月27日递交的申请No.PCT/US08/74492公开多个示例性光电二极管接收器电路并且在此以引用的方式结合其全部内容。 [0016] 在以下描述中，出于解释目的，阐述了各种具体细节以提供对本系统和方法的全面理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说明显的，可以在没有这些具体细节的情况下实施本装置、系统和方法。说明书中对“实施例”、“示例”或者类似语言的使用意味着结合该实施例或者示例描述的特定特征、结构或者特性至少包括在这个实施例中，但是不必包括在其它实施例中。说明书各处的短语“在一个实施例中”或者类似短语不必全部指代相同的实施例。 [0019] 图1A示出示例性光通信系统(100)的基本部件。光发射器(105)将电信号转换为光信号。然后这些光信号经过光学介质(110)传播。所发射的光信号可以包括选自红外、可见或者紫外光谱的一个或者多个光学频率。光学介质可以包括自由空间或者诸如光纤的各种光波导。具有接收器电路(120)的光电探测器(115)提取该光信号并且将其转换回到电信号。光电探测器是将来自光信号的能量转换为电能的光敏设备。根据一个示例性实施例，光电探测器(115)可以是包括p-n结的光电二极管，其吸收入射的光能并且生成成比例的电流。可以使用各种其它光电探测器，诸如光敏电阻器、光伏单元、热电探测器、电荷耦合设备或者其它适合设备。接收器电路(120)然后从光电探测器提取该电流并且将其转换为适合于数字逻辑电路(125)的电压信号。 [0020] 集成电路之间的光学互连(“芯片互连”)是可以包括接收器电路的光通信系统的一个示例。芯片互连在可以位于或者不位于同一电路板上的两个集成电路之间提供光通信通道。电路板的一部分可以包括光发射器，典型为激光器。电路板上的另一部分将包括光电探测器和接收器电路。电路板上的这两点可以从处理器向存储器模块或者从存储器模块向处理器传输数据。与电子地传输信号相比较，光学地传输信号具有若干优点。光信号能够实现更高的带宽。电子传输线路易于受到串扰并且受电容和电感效应的限制。然而，光学线路不受电子线路所经历的电容和电感效应的限制。在一些情形下，光通信通道可以消耗更少的功率。然而，增加光学系统中功率需求的一个因素是发射器的电光转换以及接收器的光电转换的效率。本说明书描述了改善光电转换效率并且降低驱动该转换所需功率的几个示例性实施例。 [0021] 图1b示出示例性光学芯片互连(160)。诸如处理器或者存储器模块的各种数字部件(130，132)安装在电路板(140，142)上。一个数字部件会需要向另一数字部件传输数据。发送数字部件(130)连接到发射器(135)，该发射器(135)提取数字电信号并且将其转换到光信号(150)，诸如形成光脉冲串的一系列激光能量的短猝发。接收数字部件(132)连接到探测器和接收器电路(145)。探测器从激光束中提取光子并且产生相对应的电脉冲串，接收器(145)将其放大到足以由数字逻辑电路(132)使用。 [0022] 在此描述的用于接收器电路的实施例涉及自由空间光学系统；然而，该电路也可以实施为使用各种光波导作为介质以承载从源到目的地的光信号的系统。 [0023] 图2是示例性动态阻抗接收器电路(200)的电路图，该示例性动态阻抗接收器电路(200)提取来自光电探测器的电信号并且对其进行调节以由数字逻辑电路使用。根据一个示例性实施例，接收器电路(200)包括光电探测器(202)、缓冲器级(212)和晶体管(210)。位于第一虚线框(202)内的元件是描述光电探测器的输出特性的部件。在接收光脉冲时，通过探测器(202)生成电脉冲。来自光电探测器的电流在示意图中表示为电流源(204)。电子设备和电路中固有的是一定量的电阻和电容。例如，由于迹线(trace)的有限截面、材料杂质、接触电阻和其它问题，会产生电阻。由于两个相邻导体的邻近，电路中的杂散电容也是固有的。在示例性光电二极管(202)中，将该固有电阻建模为电阻器(206)并且将结电容建模为连接在输出端和地(226)之间的电容器(208)。因此，由电流源(204)生成的电信号通过电阻器(206)和电容器(208)改变，然后输出到外部电路元件。 [0024] 接收器(222)的主输入节点连接到动态阻抗模块(203)。即在动态阻抗模块(203)中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备(210)的一侧，该MOSFET设备(210)的另一侧连接到地(227)。该晶体管的精确沟道尺度和特性可由本领域普通技术人员确定以满足适合的设计要求。该晶体管设备(210)配置为用作主输入节点(222)和地(227)之间的开关。根据一个示例性实施例，在输入信号为低时，MOSFET将主输出节点(222)与地断开。在到MOSFET的输入信号为高时，MOSFET将主输出节点(222)连接到地，从而实现将电流从主输出节点(222)释放到地。 [0025] 根据一个示例性实施例，该MOSFET设备(210)的栅极经由线路(220)连接到时钟信号(218)。数字系统经常依赖于时钟信号以驱动各种电路元件。在接收器电路与其它数字电路嵌入在芯片上时，时钟信号(218)能够连接到晶体管(210)的栅极。MOSFET设备(210)用作根据高和低时钟信号接通和关断的开关。这使接收器电路(200)的输入阻抗在高阻抗模式和低阻抗模式之间改变。此外或者可选地，接收器电路可以包括其自身的时钟，其可以将该时钟同步到或者不同步到更大系统内的其它时钟。 [0026] 在来自该时钟的信号为高时，开关接通并且电流能够从输入节点流到地(227)。在这种状态下，接收器电路(120)具有允许光电探测器(202)内的电容(由电容器(208)表示)快速放电的低输入阻抗。理想地，电容器(208)将在光能的下一个脉冲撞击光电探测器(202)并且生成下一个电流脉冲之前基本放电。 [0027] 在时钟信号(218)为低时，晶体管(210)关断并且接收器电路(120)的输入阻抗为高。在该阶段，来自光电探测器(202)的电流脉冲施加在高阻抗两端并且能够经过接收器电路发送较大电压且由接收器(120)所连接到的数字逻辑电路(216)使用。处于关断状态的晶体管(210)的理想阻抗非常高(接近无限大)，因此阻抗由电容器主导。结果，通过将电容器的阻抗乘以电流并且采取简单的拉普拉斯变换，可以计算作为时间的函数的输入电压。 [0028] 在来自光电探测器的脉冲为意味着要传播到数字电路(216)的信号时，该信号首先由缓冲器级(212)接收。在该实施例中，缓冲器级是由两个MOSFET晶体管(214，215)构成的逻辑门反相器。晶体管设计为使得在高信号进入逻辑门反相器时，连接到电压源Vdd(217)的晶体管(214)关断并且连接到地(226)的晶体管(215)接通。在这种状态下，流入反相器的电流到达地并且输出信号为低。如果进入反相器的信号为低，则顶部的晶体管(214)接通并且底部的晶体管(215)关断。在这种状态下，由Vdd(217)供应的更高电压电平输出到数字电路。因而，缓冲器级时间移位该输入信号并且生成处于更合适电平的输出电压用于驱动数字逻辑电路(216)。可以调整缓冲器的精确特性和配置以适应系统的特定需要。 [0029] 图3A是示例性接收器电路(300)的简化示意图。有时，来自数字电路(304)的负载对于接收器电路会太重而不能利用仅由一个反相器构成的缓冲器级来驱动。图3A示出作为缓冲器级(302)一部分的第二反相器(212)。尽管在缓冲器级中示出了两个反相器，但是可以使用本领域的普通技术人员认为合适的具有任意数量反相器的缓冲器。例如，可以调整反相器的数量以确定是否在输出节点(312)处将高输入信号转换为高或者低输出信号或者以改善比特误码率(BER)。 [0030] 图3B是在测试节点1(310)和测试节点2(312)处的电压信号的曲线图。垂直轴代表电压，水平轴代表时间。该曲线图说明了包括在缓冲器(302)中的逻辑门反相器如何将信号从低翻转到高或者从高翻转到低。顶部曲线(314)代表测试节点1(310)处的电压，并且底部曲线(316)代表测试节点2(312)处的电压。可以看出，在测试节点1(310)为高时，测试节点2(312)为低。相反，在测试节点1(310)为低时，测试节点2(312)为高。图3B中的曲线代表缓冲器(302)的理想行态。例如，该曲线示出了从低到高的即时升高和从高到低的即时下降，但是在实际中，存在相关联的上升时间和相关联的下降时间。 [0031] 图4是在图3A中示出的示例性接收器电路的各种位置处的电流和电压的曲线图表示。该曲线的垂直轴代表电压或者电流，水平轴代表时间。对准全部三幅曲线(400，410，420)以使得它们沿着水平轴共用相同的时间增量和标度。这提供了接收器操作的时间同步表示。顶部曲线(400)是来自光电探测器(204)的电流的测量值。垂直轴(402)表示电流，并且水平轴(404)代表时间。整体外观是方波。输入信号在上升沿(406)升高到高位置并且保持一时间量。然后该信号如由下降沿(408)所示快速降低到低位置并且保持一时间量。理想地，该电流将被转换为具有足够高幅度的电压信号以由数字电路(304)接受。 [0032] 中间曲线(410)表示时钟信号(218)的电压。与来自光电探测器(218)的输入电流类似，其也是方波。垂直轴(412)代表电压，并且水平轴(414)代表时间。再次，信号升高(416)到高位置并且保持；然后其下降(418)到低位置并且保持。对该电路定时以使得在输入信号(204)为高时，时钟信号(218)为低。而且，在输入信号(204)为低时，时钟信号(218)为高。尽管顶部曲线和中间曲线示出了信号电平从低到高的即时升高和信号电平从高到低的即时下降，但是实际上存在相关联的上升时间和相关联的下降时间。出于解释目的，图4中的曲线代表接收器电路(300)的理想行态。 [0033] 底部曲线(420)测量在接收器电路的主输入节点(222)处的电压。这也是表示由光电探测器和接收器电路之间的结产生的电容的电容器(208)两端的电压的测量值。垂直轴(422)代表电压而水平轴(424)代表时间。在施加电流时，电容器(208)将开始线性充电(426)。在未施加电流并且将电路的输入阻抗设置为低时，电容器将基于涉及由接收器电路的输入阻抗以及由于光电探测器和接收器之间的结的电容产生的时间常数的函数，呈指数地放电(428)。 [0034] 在来自光电探测器的输入为高并且时钟信号为低时，参照时间窗(430)，存在输入阻抗为高的阶段。时钟信号(218，图3A)为低，这将使晶体管(210，图3A)关断。来自光电探测器的电流正施加到高阻抗。假设来自电阻(206)的贡献可忽略，输入阻抗是电容器(208)的特性阻抗和MOSFET(210)的电阻的并联组合。由于来自(210)的电阻效应由其高幅度抹掉(smear out)，输入阻抗主要由电容确定。输入阻抗与电容(208)和进入信号的频率成反比。所产生的电压是电流与阻抗的乘积。如上所讨论的，具有非常小的输入电容(208)是重要的，因为对于节点(222)处的输入电压而言其减少了达到电源电压电平的时间。如上所讨论的，期望来自缓冲器(302，图3A)的输出电压应该处于足够高的电平以使得其与数字电路(304，图3A)兼容。而且在该时间期间，电容器(208，图3A)作为时间的函数被线性充电。不期望将电荷维持在电容器(208，图3A)内，因此对于电容器而言需要在来自探测器的脉冲之间放电的方式。在第二窗(432)期间，不再存在来自光电探测器的电流。对时钟信号(218，图3A)定时以使得其在该时间窗期间为高。在时钟信号为高时，晶体管(210)接通，并且接收器电路的输入阻抗实质上降低。电容器放电的速率取决于时间常数。 如上所讨论的，通过将MOSFET(210)的电阻乘以电容来计算该时间常数。时间常数越小，电容器放电和准备来自探测器(204，图3A)的下一个脉冲所花费的时间量就越短。结果，在该时间窗期间，期望具有低阻抗并且因而具有低时间常数。 [0035] 在一个示例性实施例中，可以将附加部件插入在时钟(218，图3A)和晶体管(210，图3A)之间以将时钟信号操控为更加期望的形式。例如，可以将数字计时器插入在时钟和晶体管(210)之间。该数字计时器可以用于各种功能，诸如改变晶体管在开和关之间切换的频率。例如，如果时钟以4Ghz运行，并且需要以2Ghz传输数据，则可以使用计时器来调节来自时钟的信号的频率以使其满足接收器电路的需要。可以使用各种其它设备以改变接收器电路相对于时钟信号操作的频率。 [0036] 在一些情形中，可能期望使用无法容易接入到时钟信号的接收器电路。根据一个示例性实施例，延迟电路可以代替时钟信号并且用于改变接收器电路的输入阻抗。图5是示例性接收器电路(500)的电路示意图，该示例性接收器电路(500)使用电阻/电容(RC)延迟电路(504)作为到使输入阻抗在高和低之间切换的晶体管(210)的反馈的一部分。在图5中，示出了缓冲器链(502)以代表用于缓冲器级的任意数量的反相器。在缓冲器链的一端，线路在节点(508)处分开，其进入数字电路(304)并且还进入RC延迟电路(504)。 [0037] RC延迟电路(504)包括被选择用来产生期望的时间常数的电容器和电阻器。通过将以欧姆为单位的电阻和以法拉为单位的电容相乘来计算时间常数。进入RC延迟电路的信号在与时间常数成正比的延迟之后离开。对于通常处理数据的速度，该时间通常在纳秒范围内。在脉冲经过节点(508)到达数字电路时，晶体管(210)将接通，使电路处于高输入阻抗。如上所讨论的，高输入阻抗和来自探测器的电流的组合产生馈送到缓冲器链(502)的合适的电压信号。在该信号经过缓冲器链离开时，RC延迟电路将向晶体管(210)发送回高信号，使其关断。信号延迟需要足够长以使得数字电路(304)能够从缓冲器链(502)合适地接收信号。该信号也不能延迟太长，否则其将无法及时地使晶体管(210)接通。晶体管需要被接通以使得电容器(208)将正确放电，从而使所积累的电荷不会干扰来自光电探测器(204)的下一个脉冲。 [0038] 此外，可以期望在RC延迟电路(504)和晶体管(210)之间布置反相器缓冲器级(506)。该反相器缓冲器级(506)可以用于进一步操控反馈信号以使得晶体管在必要时接通和关断，因而在合适时在高和低输入阻抗之间切换。 [0039] 图6是表示在接收器电路(500，图5)中的各点处的电压电平的一组曲线图，该接收器电路(500，图5)使用RC延迟电路(504，图5)来在阻抗模式之间切换。顶部曲线(600)是使用RC延迟电路(504，图5)的接收器电路的输出节点(508，图5)处电压的测量值。垂直轴表示电压并且水平轴表示时间。电压输出可以具有各种特性和变化但是出于说明目的将其表示为方波。输出信号正在驱动与接收器电路(500，图5)相关联的数字电路(304，图5)。信号升高(606)并且保持一时间量，然后下降(608)并且保持一时间量。 [0040] 中间曲线(610)表示在来自输出曲线的信号经过RC延迟电路(504，图5)之后的电压电平。同样，垂直轴表示电压，水平轴表示时间。设置在信号经过RC延迟电路(504，图5)之前该信号的升高部分的时刻，使得在信号离开RC延迟电路时，其大致与进入延迟电路(504)之前的信号的下降部分大致对齐。通过箭头(618)示出缓冲器输出信号的上升沿(614)和RC延迟输出信号的上升沿(616)之间的延迟。根据一个示例性实施例，该RC延迟电路(504，图5)已被设计为具有合适的时间常数以将该信号延迟缓冲器输出信号(604)中的脉冲宽度。如上所讨论的，缓冲器输出信号(604)和RC延迟输出信号(614)中表示的方波是出于解释目的使用的理想波形。 [0041] 底部曲线(620)测量接收器电路的输入节点(222)和地(226)之间的电压。这也是表示由光电探测器和接收器电路之间的结产生的电容的电容器(208)两端的电压的测量值。垂直轴(622)代表所测量的电压并且水平轴(624)代表时间。在施加电流时，电容器(208，图5)将开始线性充电(626)。在未施加电流并且将电路的输入阻抗设置为低时，电容器将基于涉及时间常数的函数放电(628)，该时间常数与光电探测器电路(202，图5)内的电容(208，图5)和接收器电路(500)的输入阻抗相关。 [0042] 第一时间窗(630)示出了来自光电探测器(202，图5)的输入为高并且来自RC延迟电路(504，图5)的信号为低的时间段。在第一时间窗(630)期间，输入阻抗为高。来自延迟电路(504，图5)的信号为低，这将使晶体管(210，图5)关断。结果，来自光电探测器(202，图5)的信号正被施加到高阻抗。而且在该第一时间窗期间，电容器(208，图5)作为时间的函数被线性充电。不期望将该电荷维持在电容器(208)内。 [0043] 在第二时间窗(632)期间，不再存在来自探测器(202，图5)的电流。对RC延迟电路(504，图5)进行定时以使得在第二时间窗(632)期间为高。在延迟电路(504，图5)信号为高时，晶体管(210，图5)接通，并且接收器电路(500)的输入阻抗更低。如上所讨论的，电容器(208，图5)放电的速率是涉及与光电探测器电路(202，图5)内的电容(208，图5)和MOSFET(210)的电阻相关的时间常数的函数。在第二时间窗(632)期间，期望具有最低的可能时间常数。时间常数越低，电容器(208)将放电越快。 [0044] 图7是用于使用动态阻抗接收器电路来接收光信号的一个示例性方法的流程图。在第一步骤中，通过光电探测器接收光信号并且将其转换为电脉冲串(700)。如上所讨论的，该光信号可以包括具有不同频率、脉冲长度和信号幅度的光能的脉冲。根据一个示例性实施例，光电探测器仅接收一个频率的光能并且将该光能转换为相对应的电脉冲串。电脉冲串可以包括具有不同脉冲长度和强度的电能的脉冲。 [0045] 在第二步骤中，生成控制信号并且将其传输到动态阻抗模块(步骤710)。如上所讨论的，可以通过时钟、RC延迟电路或者其它适合的电路来生成控制信号。动态阻抗模块内的各种附加部件可以静态或者动态地改变控制信号的特性，包括频率、时段、幅度和其它特性。响应于控制信号，动态阻抗模块将动态阻抗接收器电路的输入阻抗在高阻抗状态和低阻抗状态之间切换。在低阻抗状态期间，由光电探测器内的结电容维持的能量释放到地(步骤730)。在高阻抗状态期间，将更高的能量脉冲通过缓冲器级转换为电压信号(步骤740)。通过数字电路接收并处理这些电压信号(步骤750)。 [0046] 总之，动态阻抗接收器电路比跨阻放大器或者感测放大器消耗更少的功率。其也允许该电路检测低功率的光信号并且获得足够高的电压摆动以运行接收器所连接到的数字电路。 [0047] 前述说明书仅说明和描述了所描述原理的实施例和示例。本说明书并不旨在是穷尽的或者将这些原理限制在所公开的任何精确形式。在以上教导下，许多变型和变化都是可能的。 |
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