一种用于光通信接收机的光输入前置放大器 【技术领域】
本发明涉及一种光通信接收领域，特别涉及一种用于光通信接收机的光输入前置放大器。
背景技术
通常，用于光通信接收机的光输入前置放大器在光通信系统中的作用是将光信号转变为电信号，它一般由一个光电二极管(PD)和一个跨阻放大器(TIA)组成，其中，光电二极管将接收到的光信号转变为电流信号，再经跨阻放大器转变为电压信号并放大输出。由于光输入前置放大器的跨阻增益和噪声特性是决定光接收机的接收灵敏度的重要技术指标，因而光输入前置放大器是光接收和光通信系统的核心构件之一。
传统的用于光通信接收机的光输入前置放大器，多数只适用于随机平衡码流(即输入光信号的幅度、相位相对稳定，且码流中“0”和“1”的数量统计平衡的码流)的接收放大，而不适用于突发信号(即输入光信号的幅度、相位和传号率——码流中“0”和“1”数量的比率，都随时间而快速变化的码流)的接收放大，比如：
1)申请号为20048003618.5的公开专利：光接收用前置放大器，其公开的放大器包括反相放大器和连接在该反相放大器的输入输出端子间的电流电压转换元件，上述反相放大器，包括第一晶体管，其栅极与上述反相放大器的输入端子连接；第二晶体管，其源极与上述第一晶体管的漏极连接、并且栅极被施加了预定的电压；以及负载，与上述第二晶体管的漏极连接，还包括第三晶体管，连接在上述反相放大器的输入端子与上述第二晶体管的源极之间。
2)申请号为93106421.X的公开专利：超动态范围光接收机前置放大器，该放大器的输入级采用有恒流源的成对场效应晶体管组成的差动式电路，增益级的总电流由恒流源控制，以此达到任何时间都不出现有源器件的饱和现象。
上述专利的光输入前置放大器由于其电路中存在响应时延和其较低的接收灵敏度，均难以应对突发信号的接收放大，然而，随着光通信技术和网络的发展，无源光网络(PON)、光突发交换(OBS)、光包交换(OPS)等新技术的开发和应用，相应要求光接收前置放大器能适用于突发光信号的接收放大，且尽可能提高光接收前置放大器的接收灵敏度。
因此，如何提供一种能够应对突发光信号且接收灵敏度较高的光输入前置放大器，已成为本领域技术人员需要解决的问题。
【发明内容】
本发明的所要解决的技术方案是提供一种用于光通信接收机的光输入前置放大器，以解决现有技术的不足。
为解决上述技术方案，本发明提供一种用于光通信接收机的光输入前置放大器，其特征在于包括：
光电转换电路，用于将接收的光信号转换为电流信号；
反馈电阻，与所述光电转换电路相连接，用于将所述光电转换电路输出的电流信号转换为电压信号；
与所述反馈电阻相连接的达林顿电路，其由场效应晶体管和双极型晶体管构成达林顿管，用于将所述电压信号转换为电流信号；
与所述达林顿电路相连接的基于电流驱动的共基极放大电路，用于将所述达林顿电路输出的电流信号转换为电压信号；
偏置电路，用于根据设计人员的需要提供预设的偏置电压；
两输入端分别与所述共基极放大电路和所述偏置电路相连接的差分放大电路，其输出端与所述反馈电阻相连接以使所述差分放大电路、反馈电阻、共基极放大电路和所述达林顿电路形成跨阻负反馈回路，所述差分放大电路用于将所述共基极放大电路输出的电压信号放大转换为互补差分信号；
与所述差分放大电路相连接的输出缓冲电路，用于根据后续电路的要求将所述差分放大电路输出的互补差分信号予以缓冲后输出。
较佳的，所述达林顿电路地场效应管采用恒流源作为负载。
较佳的，当所述达林顿电路的双极型晶体管的集电极静态工作点电流为3-5mA，所述恒流源的内阻在500-1000kΩ，所述双极型晶体管的基极-发射极结电阻在800Ω-1.5kΩ时，所述达林顿电路的等效跨导为150-200mA/V。
较佳的，所述偏置电路由两个双极型晶体管、三个电阻形成的串联稳压电路，且其输出端连接有电容以滤除输出电压的噪声。
较佳的，所述共基极放大电路与所述偏置电路相连接以便由所述偏置电路提供偏置电压。
较佳的，所述共基极放大电路包括：由第一双极型晶体管、第一电阻、输出电压信号的第二双极型晶体管、第二电阻、和电容形成的具有高频正相移特性的共基极放大器，其中，所述第一双极型晶体管的集电极连接第一电阻，所述第二双极型晶体管的集电极连接第二电阻，且所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值1个数量级或1个数量级以上，所述电容连接在所述第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的集电极之间。
较佳的，所述共基极放大电路还包括：由并联在所述第二电阻两端的开关管、及多个二极管形成的防过载电路，以便当所述共基极放大电路的输出电压幅度过载时，所述开关管导通以衰减所述共基极放大电路输出的电压信号。
较佳的，所述共基极放大电路还包括：与所述第二双极型晶体管的输出端相连接、且由电阻和恒流源构成的电平推移电路，其中，所述电平推移电路的电阻的阻值小于恒流源的内阻3个数量级或3个数量级以上。
较佳的，所述差分放大电路包括：由电压负反馈共射极电路、双极型晶体管、和射极电阻构成的恒流源电路，其中，所述电压负反馈共射极电路用于提供偏置电压，所述双极型晶体管由所述电压负反馈共射极电路提供偏置电压，所述射极电阻连接在所述双极型晶体管发射极。
较佳的，所述差分放大电路还包括：在连接输入信号的差分放大晶体管上串联一个级联晶体管，且所述级联晶体管通过一二极管与所述偏置电路相连接，以使所述级联晶体管的偏置电压高于所述预设的偏置电压，其中，所述差分放大晶体管为所述差分放大电路的差分放大对管中的一者。
较佳的，所述差分放大电路还包括分别与所述差分放大电路的差分放大对管的输出端相连接的两射极跟随器，且两射极跟随器各自都由双极型晶体管和恒流源构成。
较佳的，所述输出缓冲电路包括：与所述差分放大电路输出端相连接的电阻衰减网络、与所述电阻衰减网络相连接的具有电压负反馈的差分放大电路、和与所述具有电压负反馈的差分放大电路相连接的两射极跟随器。
较佳的，所述电阻衰减网络由3个电阻串联构成的串联电路，且所述串联电路的两端分别接入所述差分放大电路输出的互补差分信号，处于所述串联电路中间位置的电阻两端作为输出端与所述具有电压负反馈的差分放大电路两输入端相连接。
较佳的，所述具有电压负反馈的差分放大电路为电压增益小于或等于1的差分放大电路。
较佳的，所述输出缓冲电路的两射极跟随器各自由双极型晶体管及负载电阻构成。
本发明提供的用于光通信接收机的光输入前置放大器的有益效果之一在于具有高的开环增益和带宽，因而其与传统的光接收前置放大器相比，具有更高的光接收灵敏度，有益效果之二在于显著减小各种响应时延，例如自动增益控制相应时延、差分放大门限调整时延等，从而使其不但适用于随机平衡信号流的光接收放大，也适用于突发光信号的接收放大。
【附图说明】
图1为本发明提供的用于光通信接收机的光输入前置放大器的结构框图。
图2为上述用于光通信接收机的光输入前置放大器的电路图。
【具体实施方式】
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参照图1，本发明提供的用于光通信接收机的光输入前置放大器包括一个光电二极管1、一个反馈电阻(Rf)2、一个由场效应晶体管(FET)和双极型晶体管(BT)组成的达林顿电路3，一个基于电流驱动的共基极放大电路4、一个差分放大电路5、一个提供偏置电压的偏置电路6、以及具有电压负反馈的差分放大电路7。
光电二极管1将接收到的光信号转变为电流信号，该电流信号通过反馈电阻2转换为电压信号。FET-BT达林顿电路3将上述电压信号以极高的跨导转换为电流信号，并将该电流信号注入到电流驱动的共基极放大器4，其将该电流信号转换为电压信号。上述基于电流驱动的共基极放大电路4输出的电压信号经差分放大电路5放大，从5的负相输出端信号经反馈电阻2反馈到FET-BT达林顿电路3的输入端，从而构成本发明的跨阻光接收前置放大器回路。偏置电路6为差分放大电路5另一个输入端提供一个设定的偏置电压。缓冲输出电路7主要包括电压增益小于或等于0dB的具有电压负反馈的差分放大电路，作为本发明跨阻光接收前置放大器的缓冲输出电路。
光电二极管仅为一较佳方案，可以其他任何公知公用的光电转换电路替代。
请参照图2，其为上述用于光通信接收机的光输入前置放大器的电路图。
光电二极管PD的负极通过电阻R0连接到供电电压源VCC，以此为PD提供反向偏置电压，C1为滤波电容器。
PD的正极与场效应晶体管Q1的栅极以及反馈电阻Rf的一个端点连接，PD将接收到的光信号转化为电流信号，该电流信号通过反馈电阻Rf转变为电压信号，并将该电压信号送至Q1的栅极。
上述场效应晶体管Q1与一个恒流源S1构成一个源极跟随器，显然，该源极跟随器具有零密勒效应，因而有很宽的频率响应带宽。
一个双极型晶体管Q2，其发射极接地，其基极与上述源极跟随器的输出即源极连接，其集电极输出电流信号。
那么，上述双极型晶体管Q2集电极输出的电流信号为ic，并且：
is+iBE＝(Vi-iBE·γBE)·gm1
is·γs＝iBE·γBE
ic＝β·iBE
可以得出：
ic=(Vi-iBEγBE)·gm1·β1+γBEγs·········(1)]]>
式(1)中：
Vi为输入光信号经上述PD和Rf转换的电压信号；
gm1为上述场效应晶体管Q1的跨导，其大约为10～20mA/V；
β为上述双极型晶体管的电流放大系数，其值约为100～200；
γs为上述恒流源S1的内阻，其大约为500kΩ～1000kΩ。
iBE为上述晶体管Q2的基极电流；
γBE为上述双极型晶体管Q2的基极——发射极结电阻，并且有：
γBE=βgm2·········(2)]]>
式(2)中：gm2为上述晶体管Q2的跨导，在设定上述ic静态工作点为3～5mA时，γBE约为800Ω～1.5kΩ，gm2约为150～200mA/V；在上述设定条件下，由于ic＝β*iBE以及γs＞＞γBE，以及γBE*gm1＞＞1，那么式(1)经简化运算可变为：
ic≈Vi·gm2........................................................................(3)
由式(3)可见，由上述场效应晶体管Q1，恒流源S1和双极型晶体管Q2构成了一个接近理想的达林顿电路，其等效跨导为gm，并且：
gm=icVi≈gm2·········(4)]]>
由上述计算可得出上述达林顿电路的跨导可达150～200mA/V，既具有场效应晶体管的高输入阻抗优点，又克服了硅基场效应晶体管跨导较低的缺点，根据跨阻前置放大器的理论分析，上述高输入阻抗和高的gm使得本发明的光接收前置放大器具有良好的低噪声特性，因而具有高的接收灵敏度。
晶体管Q3、Q4，电阻器R1，R2和R3构成一个串联稳压电路，从晶体管Q3的发射极输出一个稳定的设定电压、其为后述多级电路提供所需的设定偏置电压，即，所述串联稳压电路为一偏置电路，用于根据需要提供偏置电压。晶体管Q3的发射极与电阻器R1和R2串连接地。晶体管Q4的基极与电阻器R1和R2的串联连接点连接。晶体管Q3的集电极和电阻器R3的一端连接到电源VCC，R3的另一端与晶体管Q3的基极以及晶体管Q4的集电极连接。晶体管Q3的发射极通过一个电容器接地，以此滤去该点输出设定电压的噪声。
晶体管Q5、Q6、电阻器R4、R5以及电容器C3构成一个基于电流驱动的共基极放大电路。Q5、Q6的基极与上述设定的偏置电压连接。Q5、Q6的发射极与上述Q2的集电极连接，Q5、Q6的集电极分别通过电阻器R4和R5连接电源VCC，电容器C3的两端分别与Q5、Q6的集电极连接。
按上述连接，由第一双极型晶体管Q5、第二双极型晶体管Q6、第一电阻R4、第二电阻R5和C3构成的基于电流驱动的共基极放大电路，将上述Q2集电极输出的电流信号转变为电压信号，该电压信号从Q6的集电极输出。由于其中R4的电阻值较R5的电阻值至少大一个数量级，C3为一个小电容，则上述结构的共基极放大电路具有高频正相移特性，即电阻R4上的电压信号中的高频分量经过C3耦合到Q6的集电极和电阻R5上，从而使上述共基极放大电路输出的电压信号产生一个相位前移，以此进一步提高其响应速度。并且，由于共基极放大电路具有负密勒效应，所以上述结构的共基极放大电路具有很高的增益带宽乘积，有利于提高本发明光接收前置放大器的跨阻增益和降低电路噪声，提高光接收灵敏度。
共基极放大电路还包括有一个晶体管Q7、电阻器R6及两个二极管D1、D2构成的防过载电路，晶体管Q7的发射极和集电极与上述电阻器R5并联。电阻器R6的一端与两个二极管D1、D2相互串联，R6的另一端接电源VCC，D2的负极与上述设定偏置电压连接，Q7的基极与二极管D1的正极连接，二极管D1、D2仅为抬高偏置电压用，其数量不局限于2个。
按照上述连接，当输入光信号幅度小时，电阻器R5上相应的电压信号幅度也小，晶体管Q7不导通，R5与Q7的并联阻抗等于R5，上述共基极放大器的电压增益为设定最大值。当输入光信号幅度大时，电阻器R5上相应的电压信号幅度也大，晶体管Q7导通，R5与Q7的并联阻抗降低，因而上述共基极放大器的输出电压信号被衰减，以此避免后续放大器输入过载。
一个电阻器R7，其一端与晶体管Q6的集电极连接，其另一端与一个接地的恒流源S2串联连接。
按照上述连接电阻器R7与恒流源S2构成一个电平推移电路。恒流源S2提供一个恒定电流流经R7产生一个电压降。从电阻器R7与恒流源S2的串联节点导出从上述共基极放大电路输出的电压信号，使其与后续放大电路的输入工作点匹配。由于电阻器R7的阻值比恒流源S2的内阻至少小3个数量级，所以上述电压信号经过R7后不会被衰减。用上述方法实现电平推移，较之通常用射极跟随器推移电平的方法，其特征是附加噪声小，有利于改善本发明光接收前置放大器的噪声特性，从而提高光接收灵敏度。
晶体管Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、电阻器R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14以及一个二极管D3构成一个差分放大电路。其中Q8、Q9的发射极与Q10的集电极连接，Q10的发射极通过电阻器R8接地。Q11的发射极与Q8的集电极连接，Q11的集电极通过电阻R9连接电源VCC。Q11的基极与电阻器R10的一端以及二极管D3的正极连接。电阻器R10的另一端接电源VCC。二极管D3的负极与上述设定偏置电压连接。Q9的集电极通过电阻器R11连接电源VCC。Q9的基极连接上述设定的偏置电压。Q10的基极与Q12的集电极连接。Q12的集电极通过电阻器R12连接电源VCC。Q12的基极通过电阻R14和Q12的集电极连接。Q12的发射极通过电阻R13接地。晶体管Q8的基极和晶体管Q9基极分别作为该差分放大器的两个输入端。其中Q8的基极作为信号输入端与上述R7和恒流源S2的串联连接节点连接，Q9的基极连上述设定的偏置电压。按上述连接构成的差分放大电路，有以下优点：
该差分放大电路的恒流源部分包括一个恒流输出晶体管Q10、其射极串联电阻R8，作为射极电阻，以及一个由晶体管Q12、电阻器R12、R13、R14组成的电压负反馈共射极电路组成。其中上述电压负反馈共射极电路专门为晶体管Q10提供适当的偏置电压以保证Q10稳定的为上述差分放大电路提供恒定电流。上述结构的差分放大恒流源具有良好的环境温度补偿特性和抗工艺偏差能力。
差分放大电路中，差分放大晶体管Q8及差分放大晶体管Q9构成了差分放大对管，其中，晶体管Q8与级联晶体管Q11串联，构成一个级联电路。通过二极管D3将上述设定的偏压提高约0.8V作为级联晶体管Q11的基极偏置电压。该级联电路有效克服晶体管Q8基极输入的密勒效应，从而提高了上述差分放大电路响应速度，也就是提高了该差分放大电路的增益带宽乘积。该差分放大电路的高增益带宽乘积进一步提高本发明光接收前置放大器的跨阻增益，并改善其噪声特性，从而提高其光接收灵敏度。
上述共基极放大电路输出的单相电压信号经上述晶体管Q8的基极输入至上述差分放大电路，经上述差分放大电路再次放大后，转变为互补差分电压信号，并分别从Q11和Q9的集电极输出。其中从Q11集电极输出正相电压信号。从Q9集电极输出反向电压信号，在此所指的电压信号相位，其参考点为上述场效应晶体管Q1栅极输入电压信号的相位，即与其相位相同为正相，与其相反为负相。
一个晶体管Q13，其发射极与一个接地的恒流源S3串联，其集电极连接电源VCC，其基极与Q9的集电极连接，构成一个射极跟随器。则上述差分放大器输出的负相电压信号经过该射极跟随器后从Q13的发射极输出。上述反馈电阻Rf的一端与该射极跟随器的输出即Q13的发射极连接。Rf的另一端与上述场效应晶体管Q1的栅极连接。至此，构成了本发明光输入前置放大器的跨阻负反馈回路的连接。
在上述跨阻负反馈回路的作用下，上述差分放大器的信号输入端即晶体管Q8的基极静态电压工作点自动调整到与晶体管Q9的基极电压相等，即调整到上述设定偏置电压，并快速响应输入信号。因此上述差分放大电路具有良好的平衡特性，克服了通常单相信号转变为差分互补双相信号所产生的差分放大门限调整时延。也就是说，上述跨阻回路，不但适用于传统的随机平衡信号流的接收放大，也适用于输入信号流能量随机剧烈波动的突发信号的接收放大。
另一个晶体管Q14，其发射极与一个接地的恒流源S4串联，其集电极连接电源VCC，其基极与上述晶体管Q11的集电极即上述差分放大器的正相输出点连接。则由Q14和恒流源S4构成一个射极跟随器，上述差分放大电路输出的正相电压信号经过该射极跟随器后从Q14与恒流源S4的串联连接点输出。
晶体管Q15、Q16、Q17、Q18、Q19和电阻器R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27构成本发明光输入前置放大器的缓冲输出电路。该缓冲输出电路包括一个电阻衰减网络、一个具有电压负反馈的差分放大电路和两个射极跟随器。其中电阻器R15、R16和R17依次串联连接，R15的另一端与上述晶体管Q13和恒流源S3构成的射极跟随器的输出点即Q13的发射极连接，R17的另一个端与上述晶体管Q14和恒流源S4构成的射极跟随器的输出点即Q14的发射极连接。那么，由R15、R16和R17构成一个电阻衰减网络，将上述两个射极跟随器输出的差分互补电压信号衰减后在电阻器R16的两端引出。晶体管Q15、Q16的基极分别与电阻器R16的两端连接，其发射极与晶体管Q17的集电极连接，Q17的发射极通过电阻器R21接地。电阻器R18、R19的一端分别于晶体管Q15、Q16的集电极连接，R18、R19的另一端相互连接，并通过电阻器R20连接电源VCC。电阻器R22的两端分别与晶体管Q15的集电极和基极连接，电阻器R23的两端分别于晶体管Q16的集电极和基极连接。晶体管Q18的集电极接电源VCC，其发射极通过电阻器R27接地，其基极与晶体管Q16的集电极连接。晶体管Q19的集电极连接电源VCC，其发射极通过电阻R26接地，其基极与晶体管Q15的集电极连接。电阻器R24的两端分别与晶体管Q17的基极和晶体管Q19的发射极连接。电阻器R25的两端分别与晶体管Q17的基极和晶体管Q18的发射极连接。按照上述连接构成缓冲输出电路，具有以下优点：
上述跨阻反馈回路输出的互补差分电压信号，经由电阻器R15、R16、R17组成的衰减网络传送至由晶体管Q15、Q16、Q17以及电阻器R18、R19、R20、R21、R22、R23等组成的具有电压负反馈的差分放大电路。衰减后的信号电平保证后续差分放大器更好的工作在线性范围。
电阻R22和R23为负反馈电阻，通过负反馈以降低缓冲电路中差分放大电路的增益，进一步改善该放大电路线性和平衡特性。
通过电阻器R24和R25连接输出射极跟随器与晶体管Q17的基极，其中R24与R25阻值相等，构成一个直流负反馈网络为Q17的基极提供偏置电压，从而稳定Q17的集电极输出电流。
通过合理选择上述电阻器R15、R16、R17、R18、R19、R22、R23和晶体管Q17的集电极电流等参数，使该缓冲输出电路的电压增益小于或等于1(0dB)，以此保证该电路输出互补差分信号的增益对称特性，减少互补输出的直流电压偏差，并能有效改善输出信号的信噪比。
晶体管Q18、Q19及其两个射极对地串联的负载电阻R26、R27分别构成互补差分信号的正负相输出射极跟随器，其中Q18的发射极输出正相电压信号OP，Q19的发射极输出负相电压信号ON。
通过电阻器R20，适当降低电路输出端的静态电压工作点，以此减少晶体管Q18、Q19的静态工作电流，避免其电流过载，同时可实现输出端直流耦合对地低阻抗(例如50Ω，75Ω)连接，从而提高了本发明光接收前置放大器对后续电路的驱动能力，方便测试和使用，尤其是适用于突发信号的接收放大。
综上所述，在本发明提供的一种新型结构的跨阻光输入前置放大器中，一个光电二极管将输入光信号转变为电流信号，该电流信号流经跨阻Rf产生一个电压信号。由一个增强型场效应晶体管FET、一个恒流源和一个双极型晶体管构成一个达林顿电路，该达林顿电路将跨阻上产生的电压信号转换为电流信号，其电压电流转换效率(即跨导)gm达到150～200mA/V。达林顿电路输出的电流信号经过一个电流驱动的共基极电路转换为电压信号，该电压信号再经过一个差分放大电路进行放大。差分放大电路的负相输出信号经跨阻Rf反馈到上述达林顿电路的输入端即FET的栅极。于是，由上述达林顿电路，电流驱动的共基极放大电路、差分放大电路和反馈电阻Rf就组成一个新型结构的跨阻光接收前置放大器回路；其特点是开环增益可大于200倍，输入等效跨导达到150～200mA/V。其各级电路的合理设计，利用零密勒效应和负密勒效应达到最佳的开环带宽。其响应时延小到可以忽略不计。由于该跨阻前置放大器回路的上述特点，使得本发明提供的新型结构的光输入前置放大器得以实现提高光接收灵敏度和快速响应输入光信号流变化的目标。也就是说，与传统的跨阻光输入前置放大器相比，本发明提供的新型结构的跨阻光输入前置放大器具有更高的光接收灵敏度。而且，其不但适用于随机平衡光信号流(即输入光信号流能量时域分布统计平稳的信号流)的接收放大，也适用于输入光信号流能量时域分布统计快速波动的突发光信号的接收放大。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。