一种检测宽动态范围内接收光信号强度的电路及方法

摘要

本发明公开了一种检测宽动态范围内接收光信号强度的电路及方法，涉及光通信集成电路设计领域。该电路包括电源、光电二极管、缓冲器、阈值电流源、4个NMOS晶体管构成的共源共栅结构的光电流镜、4个PMOS晶体管构成的共源共栅结构的阈值电流镜；电源与光电二极管的负极相连，光电二极管的正极与光电流镜的输入端相连，光电流镜的输出端接地；电源还与阈值电流镜的输入端相连，阈值电流镜的输出端与阈值电流源的正极相连，阈值电流源的负极接地；光电流镜、阈值电流镜和缓冲器之间的共同节点为vcmp。本发明能够实现对宽动态范围内接收的光信号强度的进行检测的功能，不仅能够实现较高的检测精度，而且使用比较方便。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信集成电路设计领域，具体涉及一种检测宽动态 范围内接收光信号强度的电路及方法。

背景技术

在光通信中，光纤用来传输光信号的介质，光通信接收器中的光 电二极管用来感应光信号，并产生与光信号的强度(即光强)成正比 的电流I_ROP(即进行光电转换)。光纤送来的光强越强，光电二极管 输出的电流就越大(该电流通常为0.1uA～2mA)。当光纤被拔掉、 或者光强非常微弱时，光电二极管无电流输出。

为了保证光通信接收器的正常使用，光通信接收器需要对接收的 光强进行检测、并对I_ROP设定告警阈值，当I_ROP小于告警阈值时，产 生告警指示LOS＝1，当光强恢复、I_ROP大于告警阈值时，产生告警指 示信号LOS＝0。系统通过LOS指示信号能够有效监测光信道的状态， 进而在通信异常时及时对故障进行排查。

参见图1所示，目前对光强进行检测时，先将I_ROP经过一个接地 电阻R1，产生工作电压VROP；再通过CMP(比较器)将VROP与阈 值电压VTH进行比较，判断是否产生LOS告警。由于IROP的告警阈 值的设定范围一般为0.1uA～60uA，假设电阻R1为40KΩ，因此VROP 的范围为4mV～2400mV，其范围区间较宽，会产生以下不足：

(1)范围区间较宽的工作电压对后续的电压型比较器电路设计 困难，使用比较困难。

(2)后续的电压型比较器电路设计和集成电路制造工艺，均难 以保证4mV及以下的工作精度，进而使得后期工作难以进行。

与此同时，若将R1的阻值减小，虽然会缩小VROP的范围，但 是VROP的最小值也会变小，进而对工作精度要求更高，难以满足设 备的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种检测宽 动态范围内接收光信号强度的电路及方法；本发明能够实现对宽动态 范围内接收的光信号强度的进行检测的功能，不仅能够实现较高的检 测精度，而且使用比较方便。

为达到以上目的，本发明提供的检测宽动态范围内接收光信号强 度的电路，包括电源VDD、光电二极管、缓冲器和阈值电流源，所 述电路还包括4个N型金属氧化物半导体场效应NMOS晶体管构成 的共源共栅结构的光电流镜、4个PMOS晶体管构成的共源共栅结构 的阈值电流镜；

所述电源VDD与光电二极管的负极相连，光电二极管的正极与 光电流镜的输入端相连，光电流镜的输出端接地；

所述电源VDD还与阈值电流镜的输入端相连，阈值电流镜的输 出端与阈值电流源的正极相连，阈值电流源的负极接地；

所述光电流镜的输入端、阈值电流镜的输出端、缓冲器的输入端 两两相连，光电流镜、阈值电流镜和缓冲器之间的共同节点为vcmp。

在上述技术方案的基础上，所述光电流镜包括4个NMOS管： MN1、MN2、MN3和MN4；光电二极管的正极与MN3的漏极D相 连，外界的光电流直流偏置电压VBN接入至MN3和MN4的栅极G， MN3的源极S与MN1的漏极D相连；MN4的漏极D与节点vcmp 相连，MN4的源极S与MN2的漏极D相连；MN1和MN2的源极S 均接地。

在上述技术方案的基础上，所述阈值电流镜包括4个PMOS管： MP1、MP2、MP3和MP4；外界的阈值直流偏置电压VBP接入至 MP3和MP4的栅极G，MP3的漏极D与阈值电流源相连，MP3的 源极S与MP1的漏极D相连；MP4的漏极D与节点vcmp相连， MP4的源极S与MP2的漏极D相连；MP1、MP2的源极S均与电源 VDD相连。

在上述技术方案的基础上，所述缓冲器选用施密特触发器。

本发明提供的基于上述电路的检测宽动态范围内接收的光信号 强度的方法，包括以下步骤：

S1：在阈值电流源上设定检测阈值电流ITH_，转到S2；

S2：将光电二极管接收的光电流IROP经过光电流镜后，光电流 镜从节点vcmp下拉1个与IROP电流强度相同的光镜像电流IROP_M； 阈值电流源输出检测阈值电流ITH至阈值电流镜，得到1个与ITH电 流强度相同的阈值镜像电流I_{TH_M}，转到S3；

S3：将IROP和ITH进行比较，若IROP＞ITH，即IROP_M>ITH_M， 转到S4，若IROP＜ITH，即IROP_M小于ITH_M，转到S5；

S4：vcmp节点的电压降低，降低后的电压经过缓冲器整形后， 缓冲器产生告警指示信号LOS＝0(即不发出告警)，结束；

S5：vcmp节点的电压升高，升高后的电压经过缓冲器整形后， 缓冲器产生告警指示信号LOS＝1(即发出告警)，结束。

在上述技术方案的基础上，S3中所述将IROP和ITH进行比较时， 若IROP＝ITH_，即IROP_M＝ITH_M，判断是否存在上一次的告警指示信 号，若是，缓冲器显示上一次的告警指示信号，结束；否则缓冲器显 示预先默认设置的告警指示信号，结束。

在上述技术方案的基础上，S1还包括以下步骤：预先设置光电 流镜直流偏置电压VBN、以及阈值电流镜直流偏置电压VBP。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明包括由4个NMOS晶体管构成的共源共栅结构的光 电流镜、以及4个PMOS晶体管构成的共源共栅结构的阈值电流镜。 本发明检测光信号强度时，若为共源共栅结构的电流镜选取合适的偏 置电压VBN和VBP，则容易使得电流镜的工作电流为0.1uA～2mA， 进而实现对宽动态范围内接收的光信号强度的进行检测的功能。

(2)本发明的光电流镜和阈值电流镜均为共源共栅结构，因为 共源共栅结构的电流镜自身具有很大的输出电阻、以及较好的电压拉 偏性能和电流镜像比例等特性；所以当光电流大于或小于与阈值电流 (即发生微弱差别)，光电流镜和阈值电流镜会使得vcmp节点产生 足够的电压变化、并经过缓冲器整形，触发LOS告警指示信号翻转。 因此，本发明不仅能够保证较高的检测精度(经验证得出，本发明的 检测精度可达到0.1uA以下)，而且不需要电压型比较器电路，使用 比较方便。

附图说明

图1为现有技术中检测光信号强度的电路图；

图2为本发明实施例中检测宽动态范围内接收光信号强度的电 路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中的检测宽动态范围内接收光信号强度的电路，包 括电源VDD、光电二极管、缓冲器(本实施例中的缓冲器选用施密 特触发器)、阈值电流源、4个NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor， N型金属氧化物半导体场效应)晶体管构成的共源共栅结构的光电流 镜、4个PMOS晶体管(positive channel Metal Oxide Semiconducto， n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS晶体管)构成的 共源共栅结构的阈值电流镜。

参见图2所示，电源VDD与光电二极管的负极相连，光电二极 管的正极与光电流镜的输入端相连，光电流镜的输出端接地VSS。

电源VDD还与阈值电流镜的输入端相连，阈值电流镜的输出端 与阈值电流源的正极相连，阈值电流源的负极接地VSS。

光电流镜的输入端、阈值电流镜的输出端、缓冲器的输入端两两 相连，光电流镜、阈值电流镜和缓冲器之间的共同节点为vcmp。

参见图2所示，光电流镜包括4个NMOS管：MN1、MN2、MN3 和MN4；光电二极管的正极与MN3的漏极D相连，外界的光电流 直流偏置电压VBN接入至MN3和MN4的栅极G，MN3的源极S 与MN1的漏极D相连。MN4的漏极D与节点vcmp相连，MN4的 源极S与MN2的漏极D相连，MN1和MN2的源极S均接地VSS。

参见图2所示，阈值电流镜包括4个PMOS管：MP1、MP2、 MP3和MP4；外界的阈值直流偏置电压VBP接入至MP3和MP4的 栅极G，MP3的漏极D与阈值电流源相连，MP3的源极S与MP1 的漏极D相连。MP4的漏极D与节点vcmp相连，MP4的源极S与 MP2的漏极D相连；MP1、MP2的源极S均与电源VDD相连。

本发明实施例中的基于上述电路的检测宽动态范围内接收的光 信号强度的方法，包括以下步骤：

S1：预先设置光电流镜直流偏置电压VBN、以及阈值电流镜直 流偏置电压VBP，在阈值电流源上设定检测阈值电流ITH_，转到S2。

S2：将光电二极管接收的光电流IROP经过光电流镜后，光电流 镜从节点vcmp下拉1个与IROP电流强度相同的光镜像电流IROP_M； 阈值电流源输出检测阈值电流ITH至阈值电流镜，得到1个与ITH电 流强度相同的阈值镜像电流I_{TH_M}，转到S3。

S3：将IROP和ITH进行比较，若IROP＞ITH，即IROP_M>ITH_M， 转到S4，若IROP＜ITH，即IROP_M小于ITH_M，转到S5，若IROP＝ITH_，即IROP_M＝ITH_M，转到S6。

S4：vcmp节点的电压降低，降低后的电压经过缓冲器整形后， 缓冲器产生告警指示信号LOS＝0(即不发出告警)，结束。

S5：vcmp节点的电压升高，升高后的电压经过缓冲器整形后， 缓冲器产生告警指示信号LOS＝1(即发出告警)，结束。

S6：判断是否存在上一次的告警指示信号，若是，缓冲器显示上 一次的告警指示信号，结束；否则缓冲器显示预先默认设置的告警指 示信号，结束。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细 描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。