一种支持APD应用的平均光电流监控电路

摘要

本发明公开了一种支持APD应用的平均光电流监控电路，其特征在于：它包括一主电流回路，包括一正常偏置的光电二极管，该光电二极管阳极接入一跨阻放大器的输入端；以及一副电流回路，包括与跨阻放大器相同的一虚拟跨阻放大器、一个受控电流镜和一个差放模块；其中，所述跨阻放大器的输入端连接于该差放模块的负输入端，所述虚拟跨阻放大器的输入端连接于该差放模块的正输入端；该受控电流镜其虚拟输出端连接于该虚拟跨阻放大器的输入端，其控制端连接于该差放模块的差放输出端；本方案副电流回路可以使用低压电路来实现光电流监控作用，不受光电二极管本身偏置电压的影响；良好兼容不同偏置光电二极管，节省了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信领域、实现光电二极管平均光功率监控的电 路。

背景技术

如图1和图2所示，在光纤通信系统中，光脉冲信号经过光电二极管 （photodiode）转化为电流信号，再输入到跨阻放大器20（Trans-Impedance  Amplifier,TIA）放大并转化为电压信号，再传输到后续电路进行信号处理。 光电二极管分为两种，一种是PIN管，其特点是反向偏置电压低，可直接由TIA 芯片1提供反向偏置电压，与跨阻放大器一起封装在TO-CAN内部，但不具有倍 增效应，因此接收灵敏度指标较低；另一种是基于雪崩效应的APD管（Avalanche  Photo Diode,APD），APD管的特点是反向偏置电压高，并且无法由TIA芯片1 提供反向偏置电压，需要由另外的升压芯片提供高压偏置，设置于TO-CAN模块 2外，但具有倍增效应，因此灵敏度指标较高。

在光纤通信网络管理中，需要监控光纤传输网络中的光功率，包括发射及接 收端。在接收端可通过监控光电二极管的平均响应光电流，来推算接收平均光 功率。传统做法在光电二极管D的电压偏置端串接一个电流镜10来镜像监控流 过光电二极管的光电流，由于PIN管和APD管两种不同的偏置电压需要，因此 监控电路也分为两种实现方法。图1所示为适应PIN管的光电流监视电路，图2 为适应APD管的监视电路。

图1和图2这两种方法无法通用，因为电流镜10串接在光电二极管D的阴 极端，直接通过电流镜10的镜像功能监控光电二极管D的光电流。在PIN型的 光电二极管应用中，监控电路可以整合到TIA芯片1内，但APD类型的光电二 极管应用中，由于特殊的高压要求，无法集成到TIA芯片；同时在图2所示针 对APD管的应用中，由于APD管偏置在高压（一般为40-60V左右），因此所需 的电流镜10也是特殊的高压器件，成本较高。

发明内容

针对上述现有适用于PIN型和APD型光电二极管的监控电路无法实现兼容、 成本较高的缺陷，本发明提出一种支持APD应用的平均光电流监控电路，其技 术方案如下：

一种支持APD应用的平均光电流监控电路，它包括：

一主电流回路，包括一正常偏置的光电二极管，该光电二极管阳极接入一跨 阻放大器的输入端；以及

一副电流回路，包括一虚拟跨阻放大器、一个受控电流镜和一个差放模块；

其中，所述跨阻放大器的输入端连接于该差放模块的负输入端，所述虚拟跨 阻放大器的输入端连接于该差放模块的正入端；

该受控电流镜其虚拟输出端连接于该虚拟跨阻放大器的输入端，其控制端连 接于该差放模块的差放输出端，其镜像电流端作为整个装置的监控电流输出；

所述跨阻放大器和虚拟跨阻放大器其结构、电气参数和生成工艺保持一致；

在差放模块的控制下，该跨阻放大器和虚拟跨阻放大器的输入共模电压、输 入电流均保持一致。

本方案的优选者如下：

在较佳实施例中，所述跨阻放大器包括：MOS管M0，其栅极连接所述光电二 极管的阳极；其漏极连接电阻R1和电阻R0的一端；其源极接地；电阻R1的另 一端接M0栅极；电阻R0另一端接Vdd；

所述虚拟跨阻放大器包括：MOS管M1，其漏极连接电阻R2和电阻R3的一端； 其源极接地；电阻R2的另一端接M0栅极；电阻R3另一端接Vdd；

所述受控电流镜包括：MOS管M2和M3，两者栅极相连成为所述控制端；M2 的漏极为所述虚拟输出端，M3的漏极为所述镜像电流端；M2和M3的源极接Vdd；

所述差放模块包括一误差放大器，其引脚与该差放模块的所述正输入端、负 输入端和差放输出端一一对应。

在另一类较佳实施例中，所述跨阻放大器包括：MOS管M0和M4，二者漏极 源极同向相串联，M0栅极连接所述光电二极管的阳极；M4漏极连接电阻R1和 电阻R0的一端；M0源极接地；电阻R1的另一端接M0栅极；电阻R0另一端接 Vdd；

所述虚拟跨阻放大器包括：MOS管M1和M5，M5漏极连接电阻R2和电阻R3 的一端；M1源极接地；电阻R2的另一端接M0栅极；电阻R3另一端接Vdd；

其中MOS管M4和M5栅极相连成为一偏置设置端；

所述受控电流镜包括：MOS管M2、M3和M6，其中M2和M3栅极相连再连接 于M2漏极和M6源极；M6的栅极成为所述控制端；M6的漏极为所述虚拟输出端， M3的漏极为所述镜像电流端；M2和M3的源极接Vdd；

所述差放模块包括一误差放大器，其引脚与该差放模块的所述正输入端、负 输入端和差放输出端一一对应。

所述跨阻放大器和副电流回路集成于一同一芯片。

本方案带来的有益效果有：

通过使用一个虚拟的跨阻放大器，以及结合用来模拟光电二极管的受控电流 镜，以副电流回路的形式映射了光电二极管的监控电流，因而不受光电二极管 本身偏置电压的影响；实现了不同偏置光电二极管的良好兼容性。其优势在于， 副电流回路可以使用低压电路来实现光电流监控作用，同时可以被集成在跨阻 放大器IC芯片的产品中，构成通用模块，也避免了高压器件的高昂成本。

附图说明

以下结合附图实施例对本发明作进一步说明：

图1是传统适用于PIN型光电二极管D的监控电路结构示意图；

图2是传统适用于APD型光电二极管D的监控电流结构示意图；

图3是本发明实施例一的模块示意图；

图4是本发明实施例二的模块示意图；

图5是本发明实施例三的模块示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，本发明一个实施例的结构示意图。本领域的技术人员在该结构 披露之后可以立刻获得具体的实施方案。

本实施例一种用于高速光通信的支持APD应用的平均光电流监控电路，它总 共具有两个电流回路，分别是主电流回路和副电流回路；其中，主电流回路包 括一正常偏置的光电二极管D，可以是APD型也可以是PIN型；该光电二极管D 阳极接入一跨阻放大器20的输入端21；其光电流输出就直接进入跨阻放大器 20实现信号读取。副电流回路包括一虚拟跨阻放大器30、一个受控电流镜40 和一个差放模块50。

跨阻放大器20的输入端还连接于差放模块50的正输入端，虚拟跨阻放大器 30的输入端连接于该差放模块50的负输入端；受控电流镜40其虚拟输出端41 连接于虚拟跨阻放大器30的输入端31，其控制端42连接于差放模块50的差放 输出端，其镜像电流端43作为整个装置的监控电流输出；跨阻放大器20和虚 拟跨阻放大器30其结构、电气参数和生成工艺保持一致，使二者的输入输出性 能、温度特性等均对称。

在差放模块50的控制下，跨阻放大器20和虚拟跨阻放大器30的输入共模 电压、输入电流均保持一致。

可见，本方案通过使用一个虚拟的跨阻放大器30，以及结合用来模拟光电 二极管的受控电流镜40，以副电流回路的形式映射了光电二极管D的监控电流， 同时该电流实现了与光电二极管D所在主电流回路的电压分离，因而不受光电 二极管D本身偏置电压的影响；通过差放模块50的反馈作用，使得镜像电流端 43得到与光电二极管D同步变化的镜像电流。本方案实现了不同偏置光电二极 管D的良好兼容性。其优势在于，副电流回路可以使用低压电路来实现光电流 监控作用，同时可以被集成在跨阻放大器IC芯片的产品中，构成通用模块。

实施例二：

如图4所示，本发明实施例二的电路示意图。

本实施例的主要结构与实施例一类似。跨阻放大器包括：MOS管M0，其栅极 连接光电二极管D的阳极，D已经处于正常偏置的状态；M0漏极连接电阻R1和 电阻R0的一端；其源极接地；电阻R1的另一端接M0栅极；电阻R0另一端接 Vdd；虚拟跨阻放大器30包括：MOS管M1，其漏极连接电阻R2和电阻R3的一 端；其源极接地；电阻R2的另一端接M0栅极；电阻R3另一端接Vdd；受控电 流镜40包括：MOS管M2和M3，两者栅极相连成为控制端42；M2的漏极为虚拟 输出端41，M3的漏极为镜像电流端43；M2和M3的源极接Vdd；差放模块50包 括一误差放大器，其引脚与该差放模块的正输入端、负输入端和差放输出端一 一对应。

可见，本方案采用十分简洁的结构实现了主、副电流回路，其跨阻放大器20 和虚拟跨阻放大器30也容易实现结构、工艺的对称，故一致性较好，易于在实 现在跨阻放大器集成芯片中。

实施例三：

如图4所示，本发明实施例三的示意图。本实施例基本结构与实施例一类似。 跨阻放大器20包括MOS管M0和M4，二者漏极源极同向相串联，M0栅极连接光 电二极管D的阳极；M4漏极连接电阻R1和电阻R0的一端；M0源极接地；电阻 R1的另一端接M0栅极；电阻R0另一端接Vdd；虚拟跨阻放大器30包括：MOS 管M1和M5，M5漏极连接电阻R2和电阻R3的一端；M1源极接地；电阻R2的另 一端接M0栅极；电阻R3另一端接Vdd；其中MOS管M4和M5栅极相连成为一偏 置设置端，可便利实现偏置可调的功能。

受控电流镜40包括：MOS管M2、M3和M6，其中M2和M3栅极相连再连接于 M2漏极和M6源极；M6的栅极成为控制端42；M6的漏极为虚拟输出端41，M3 的漏极为镜像电流端43；M2和M3的源极接Vdd；差放模块50与实施例二相同， 包括一误差放大器，其引脚与该差放模块的正输入端、负输入端和差放输出端 一一对应。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范 围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发 明涵盖的范围内。