一种光接收次模块中滤波电容的替代方法及电路.pdf

本发明公开了一种光接收次模块中滤波电容的替代方法及电路，涉及光接收次模块中的滤波电容技术领域。该方法包括：对PIN型光电二级管的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；对该交流信号进行同相单位放大，在放大过程中利用偏置电压和偏置电流进行稳定；对放大后的信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成负反馈交流信号输出。本发明能实现外接滤波电容的替代，使得ROSA的封装更加简单，提高生产效率，降低生产成本。

权利要求书1.  一种光接收次模块中滤波电容的替代方法，应用于具有PIN型光电二极管的光接收次模块，其特征在于，包括以下步骤：S1、对PIN型光电二级管的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；S2、对所述交流信号进行同相单位放大，在放大过程中利用偏置电压和偏置电流进行稳定；S3、对放大后的信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成负反馈交流信号输出。2.  如权利要求1所述的光接收次模块中滤波电容的替代方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：通过隔直电容对PIN型光电二级管的输出信号进行直流隔离和180°相位变换，形成交流信号。3.  如权利要求1所述的光接收次模块中滤波电容的替代方法，其特征在于：步骤S2所述偏置电压通过对电源进行分压得到，所述偏置电流通过对参考电流IREF进行镜像得到。4.  如权利要求1所述的光接收次模块中滤波电容的替代方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：通过隔直电容对放大后的信号进行直流隔离和180°相位变换，形成负反馈交流信号输出。5.  一种实现权利要求1至4中任一项所述方法的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：包括输入直流隔离电路(10)、同相单位放大电路(20)、静态偏置电路(30)和输出直流隔离电路(40)；输入直流隔离电路(10)的输入端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，输入直流隔离电路(10)的输出端与同相单位放大电路(20)的输入端连接；同相单位放大电路(20)的输出端与输出 直流隔离电路(40)的输入端连接，输出直流隔离电路(40)的输出端与PIN型光电二极管的PINK端连接；静态偏置电路(30)的输出端与同相单位放大电路(20)的输入端连接；所述输入直流隔离电路(10)用于：对PIN型光电二极管的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；所述同相单位放大电路(20)用于：对交流信号进行同相单位放大；所述静态偏置电路(30)用于：在放大过程中通过提供偏置电压和偏置电流，对同相单位放大电路(20)进行稳定，使其工作在稳定状态；所述输出直流隔离电路(40)用于：对同相单位放大电路(20)的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换。6.  如权利要求5所述的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：所述输入直流隔离电路(10)包括第一隔直电容(101)，所述第一隔直电容(101)的一端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，另一端与同相单位放大电路(20)的输入端连接。7.  如权利要求5所述的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：所述同相单位放大电路(20)包括第一NMOS管(201)、第二NMOS管(202)、第三NMOS管(203)、第四NMOS管(204)；第一NMOS管(201)的栅极分别与输入直流隔离电路(10)的输出端、静态偏置电路(30)的输出端连接，第一NMOS管(201)的漏极与电源连接，第一NMOS管(201)的源极分别与第二NMOS管(202)的栅极、第三NMOS管(203)的漏极连接；第二NMOS管(202)的漏极与电源连接，第二NMOS管(202) 的源极与第四NMOS管(204)的漏极连接；第三NMOS管(203)的栅极分别与第四NMOS管(204)的栅极、静态偏置电路(30)的输出端相连，第三NMOS管(203)的源极接地；第四NMOS管(204)的源极接地。8.  如权利要求7所述的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：所述同相单位放大电路(20)的交流放大倍数Av为：Av=gm_201r201gm_201r201+1·gm_202r202gm_202r202+1]]>式中，gm_201为第一NMOS管(201)的跨导，r201为第一NMOS管(201)的输出电阻，gm_202为第二NMOS管(202)的跨导，r202为第二NMOS管(202)的输出电阻。9.  如权利要求5所述的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：所述静态偏置电路(30)包括电源分压电路和电流镜像电路；所述电源分压电路包括第一电阻(301)、第三电阻(303)、第二电容(302)和第四电容(304)，第一电阻(301)与第二电容(302)并联后，第一电阻(301)的一端与电源连接，另一端分别与第三电阻(303)、第四电容(304)的一端连接，第三电阻(303)、第四电容(304)的另一端均接地；所述电流镜像电路包括第五NMOS管(305)，所述第五NMOS管(305)的栅极与同相单位放大电路(20)连接，第五NMOS管(305)的漏极与参考电流IREF连接，第五NMOS管(305)的源极接地。10.  如权利要求5所述的光接收次模块中滤波电容的替代电路，其特征在于：所述输出直流隔离电路(40)包括第二隔直电容(401)，所述第二隔直电容(401)的一端与同相单位放大电路(20)的输出端连接，另一端与PIN型光电二极管的PINK端连接。

说明书一种光接收次模块中滤波电容的替代方法及电路
技术领域
本发明涉及光接收次模块中的滤波电容技术领域，具体来讲是一种光接收次模块中滤波电容的替代方法及电路。
背景技术
在光通信领域中，现有的ROSA(Receiver Optical Subassembly，光接收次模块)一般包括PIN(光电二极管的一种类型)型光电二极管和跨阻放大器TIA，其典型应用示意电路参见图1所示。从图1可以看出，现有的ROSA中，为了使内部的跨阻放大器的性能达到应用要求(即实现PIN型光电二极管的电源电压稳定)，在PIN型光电二极管的PINK端外接了一个对地的滤波电容C1，其容值为470pF。
由于现有的ROSA需要外接滤波电容C1，所以使得ROSA的封装工序复杂，降低了ROSA的生产率；而且470pF的滤波电容C1价格昂贵，增加了ROSA的生产成本。
因此，如何在保证跨阻放大器性能的前提下，避免使用外接的470pF滤波电容C1，是ROSA技术中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种光接收次模块中滤波电容的替代方法及电路，能实现外接滤波电容的替代，使得ROSA的封装更加简单，提高生产效率，降低生产成本。
为达到以上目的，本发明提供一种光接收次模块中滤波电容的替代方法，包括以下步骤：
S1、对PIN型光电二级管的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；
S2、对所述交流信号进行同相单位放大，在放大过程中利用偏置电压和偏置电流进行稳定；
S3、对放大后的信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成负反馈交流信号输出。
在上述技术方案的基础上，步骤S1具体包括以下步骤：通过隔直电容对PIN型光电二级管的输出信号进行直流隔离和180°相位变换，形成交流信号。
在上述技术方案的基础上，步骤S2所述偏置电压通过对电源进行分压得到，所述偏置电流通过对参考电流IREF进行镜像得到。
在上述技术方案的基础上，步骤S3具体包括以下步骤：通过隔直电容对放大后的信号进行直流隔离和180°相位变换，形成负反馈交流信号输出。
本发明还提供一种实现上述方法的光接收次模块中滤波电容的替代电路，包括输入直流隔离电路、同相单位放大电路、静态偏置电路和输出直流隔离电路；
输入直流隔离电路的输入端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，输入直流隔离电路的输出端与同相单位放大电路的输入端连接；同相单位放大电路的输出端与输出直流隔离电路的输入端连接，输出直流隔离电路的输出端与PIN型光电二极管的PINK端连接；静态偏置电路的输出端与同相单位放大电路的输入端连接；
所述输入直流隔离电路用于：对PIN型光电二极管的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；
所述同相单位放大电路用于：对交流信号进行同相单位放大；
所述静态偏置电路用于：在放大过程中通过提供偏置电压和偏置电流，对同相单位放大电路进行稳定，使其工作在稳定状态；
所述输出直流隔离电路用于：对同相单位放大电路的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换。
在上述技术方案的基础上，所述输入直流隔离电路包括第一隔直电容，所述第一隔直电容的一端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，另一端与同相单位放大电路的输入端连接。
在上述技术方案的基础上，所述同相单位放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管；
第一NMOS管的栅极分别与输入直流隔离电路的输出端、静态偏置电路的输出端连接，第一NMOS管的漏极与电源连接，第一NMOS管的源极分别与第二NMOS管的栅极、第三NMOS管的漏极连接；第二NMOS管的漏极与电源连接，第二NMOS管的源极与第四NMOS管的漏极连接；第三NMOS管的栅极分别与第四NMOS管的栅极、静态偏置电路的输出端相连，第三NMOS管的源极接地；第四NMOS管的源极接地。
在上述技术方案的基础上，所述同相单位放大电路的交流放大倍数Av为：
Av=gm_201r201gm_201r201+1·gm_202r202gm_202r202+1]]>
式中，gm_201为第一NMOS管的跨导，r201为第一NMOS管的输出电阻，gm_202为第二NMOS管的跨导，r202为第二NMOS管的输出电阻。
在上述技术方案的基础上，所述静态偏置电路包括电源分压电路和电流镜像电路；所述电源分压电路包括第一电阻、第三电阻、第二电容和第四电容，第一电阻与第二电容并联后，第一电阻的一端与电 源连接，另一端分别与第三电阻、第四电容的一端连接，第三电阻、第四电容的另一端均接地；所述电流镜像电路包括第五NMOS管，所述第五NMOS管的栅极与同相单位放大电路连接，第五NMOS管的漏极与参考电流IREF连接，第五NMOS管的源极接地。
在上述技术方案的基础上，所述输出直流隔离电路包括第二隔直电容，所述第二隔直电容的一端与同相单位放大电路的输出端连接，另一端与PIN型光电二极管的PINK端连接。
本发明的有益效果在于：本发明通过负反馈机制使得跨阻放大器的性能达到应用要求(即实现PIN型光电二极管的电源电压稳定)，完全替代了外接滤波电容，使得ROSA的封装工序更加简单、生产效率高；另外，本发明的电路集成于跨阻放大器内，不但结构简单小巧，利于工业化生产，而且所采用的内部集成隔直电容的容值为fF级，比外接滤波电容低3个数量级，相较于容值为470pF的滤波电容来说，价格更加低廉，生产成本低，适合批量生产。
附图说明
图1是背景技术中现有光接收次模块的示意图；
图2是本发明实施例中应用的光接收此模块的示意图；
图3是本发明实施例中替代电路的示意图；
图4是本发明实施例中替代电路的电路原理图；
图5是本发明实施例中替代电路的开环交流分析图；
图6是采用外接滤波电容后PINK端的输出瞬态图；
图7是采用本发明替代电路后PINK端的输出瞬态图。
附图标记：
10-输入直流隔离电路，101-第一隔直电容；
20-同相单位放大电路，201-第一NMOS管，202-第二NMOS管， 203-第三NMOS管，204-第四NMOS管；
30-静态偏置电路，301-第一电阻，302-第二电容，303-第三电阻，304-第四电容；
40-输出直流隔离电路，401-第二隔直电容。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种光接收次模块中滤波电容的替代方法，应用于具有PIN型光电二极管的光接收次模块，目的是避免使用外接的470pF滤波电容，使得光接收次模块仅包括PIN型光电二极管和跨阻放大器(参见图2所示)，能简化封装工序，提高生产率，降低生产成本。该替代方法包括以下步骤：
S1、对PIN型光电二级管的输出信号PINA进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成交流信号；其中，步骤S1中，通过隔直电容对PIN型光电二级管的输出信号PINA进行直流隔离和180°相位变换。
S2、对当前形成的交流信号进行同相单位放大，在放大过程中利用偏置电压和偏置电流进行稳定；
步骤S2中，通过对电源进行分压得到偏置电压；通过对参考电流IREF进行镜像得到偏置电流；其中，所述电源可为供电电源或内置专用电源。
步骤S2中，对当前形成的交流信号进行同相单位放大的主要功能是：改变同相单位放大的输入和输出两节点之间的直流阻抗，使其无限大，从而有效隔离直流信号；同时由于增益小于等于1，所以对滤波环路不会形成正反馈，使得PIN型光电二极管的PINK端的PINK信号不会发生振荡。
S3、对放大后的信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成负反馈交流信号输出；其中，步骤S3中，通过隔直电容对放大后的信号进行直流隔离和180°相位变换。
参见图3所示，本发明实施例还提供一种实现上述方法的光接收次模块中滤波电容的替代电路，该替代电路集成于跨阻放大器内部，包括输入直流隔离电路10、同相单位放大电路20、静态偏置电路30和输出直流隔离电路40；输入直流隔离电路10的输入端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，输入直流隔离电路10的输出端与同相单位放大电路20的输入端连接；同相单位放大电路20的输出端与输出直流隔离电路40的输入端连接，输出直流隔离电路40的输出端与PIN型光电二极管的PINK端连接，静态偏置电路30的输出端与同相单位放大电路20的输入端连接。
参见图4所示，输入直流隔离电路10，用于对光电二级管的输出信号PINA进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换。该输入直流隔离电路10包含第一隔直电容101，该第一隔直电容101的一端与PIN型光电二极管的PINA信号输出端连接，另一端与同相单位放大电路20的输入端连接。
参见图4所示，同相单位放大电路20，用于对交流信号进行同相单位放大。该同相单位放大电路20包括第一NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)管201、第二NMOS管202、第三NMOS管203、第四NMOS管204；第一NMOS管201的栅极分别与输入直流隔离电路10的输出端、静态偏置电路30的电源分压电路的输出端连接，第一NMOS管201的漏极与电源连接，第一NMOS管201的源极分别与第二NMOS管202的栅极、第三NMOS管203的漏极连接；第二NMOS管202的漏极与 电源连接，第二NMOS管202的源极与第四NMOS管204的漏极连接；第三NMOS管203的栅极分别与第四NMOS管204的栅极、静态偏置电路30的电流镜像电路的输出端相连，第三NMOS管203的源极接地；第四NMOS管204的源极接地。
本实施例中，同相单位放大电路20的交流放大倍数Av为：
Av=1gmb_201//r201//r2031gmb_201//r201//r203+1gm_201·1gmb_202//r202//r2041gmb_202//r202//r204+1gm_202]]>
式中，gm_201为第一NMOS管201的跨导，gmb_201为第一NMOS管201的体效应跨导，r201为第一NMOS管201的输出电阻，r203为第三NMOS管203的输出电阻，gm_202为第二NMOS管202的跨导，gmb_202为第二NMOS管202的体效应跨导，r202为第二NMOS管202的输出电阻，r204为第四NMOS管204的输出电阻。由于第二NMOS管202、第四NMOS管204为有源负载，其输出电阻较大，而且第一NMOS管201、第三NMOS管203的体效应跨导远小于自身的跨导，所以交流放大倍数可以简化为：
Av=gm_201r201gm_201r201+1·gm_202r202gm_202r202+1]]>
由简化式可知，该同相单位放大电路20的放大倍数最大为1，其相位不变，能有效满足：改变直流阻抗，使其无限大；同时增益小于等于1，使得PIN型光电二极管的PINK端的PINK信号不会发生振荡的要求。
参见图4所示，静态偏置电路30，用于在放大过程中通过提供偏置电压和偏置电流，对同相单位放大电路20进行稳定，使其工作在稳定状态。该静态偏置电路30包括电源分压电路和电流镜像电路。其中，电源分压电路用于为同相单位放大电路20提供偏置电压，包 括第一电阻301、第三电阻303、第二电容302和第四电容304，第一电阻301与第二电容302并联后，第一电阻301的一端与电源连接，另一端分别与第三电阻303、第四电容304的一端连接，第三电阻303、第四电容304的另一端均接地；电流镜像电路用于为同相单位放大电路20提供偏置电流，包括第五NMOS管305，该第五NMOS管305的栅极与同相单位放大电路20连接，漏极与参考电流IREF连接，源极接地。
参见图4所示，输出直流隔离电路40，用于对同相单位放大电路20的输出信号进行直流隔离，并对隔离后的信号进行180°相位变换，形成负反馈交流信号反馈到PIN型光电二极管的PINK端。该输出直流隔离电路40包括第二隔直电容401，该第二隔直电容401的一端与同相单位放大电路20的输出端连接，另一端与PIN型光电二极管的PINK端连接。
参见图5所示，对本发明的替换电路经过开环交流电路分析可知，本电路实现了环路的交流负反馈，即令PIN型光电二极管的PINK交流信号的极性出现了负反馈。又参见图6所示，现有的光接收次模块在采用外接470pF滤波电容后，PIN型光电二极管的PINK端的输出信号在峰峰光电流为100nA时，PIN型光电二极管的电源电压波动幅度为70uV。而采用本发明后(参见图7所示)，在没有外接470pF滤波电容的情况下，PIN型光电二极管的PINK端的输出信号在峰峰光电流为100nA时，PIN型光电二极管的电源电压波动幅度为100uV。
由此可见，本发明通过负反馈机制使得跨阻放大器的性能达到应用要求(即实现了PIN型光电二极管的电源电压稳定)，完全可以替代外接滤波电容。
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。