[发明专利]光接收机

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种光接收机的设计。

技术背景

光纤通信是光电子技术在通信领域的重要应用，光纤通信的出现和发展，在通信发展史上具有深远意义，被认为是通信史上一次根本性的变革。光接收机是光纤通信系统中不可缺少的重要组成部分，它的功能是把从光纤线路输出、产生畸变的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后生成可供后续电路的电信号。光接收机由同光纤耦合的半导体光电探测器(例如PIN光电二极管或MSM-PD二极管)、前置放大电路和相关电路组成。而随着单片光电集成电路（Opoelectronic Integrated Circuit，OEIC）技术的发展和应用市场的需求，光接收机发展方向与大规模集成电路一样，实现从简单到复杂、从少数元件到更多元件的集成，最终集光电子器件、前置放大器以及主放大器等在一起的高度集成组件。

跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)、自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）电路位于整个光接收系统的最前端，其功能是将微弱的光电流信号转为适当幅度的电压信号。跨阻放大器是最接近光电探测器的组件，对光电流的响应也最原始，因此跨阻放大器的性能对于整个光通信系统有决定性的影响。近几年TIA的发展速度较快，从速率上分，TIA可以分为从30MBps到40GBps不等，155MBps为目前市场上的主流产品，1.25GBps及各高速率的产品是将来的发展趋势。

一般来说，跨阻放大器的技术指标包括接收灵敏度、带宽、信号增益、输入信号动态范围等。其中部分的技术指标是相互矛盾的，设计者需要根据应用环境进行各指标性能的取舍。例如较大的信号增益，会产生过大的动态范围输出信号，无法满足后置的限幅放大器对输入信号范围的要求；反之，如果使放大器对较强的输入信号进行优化放大，那么会降低其灵敏度。为了使放大器具有足够大的小信号增益的同时，又能对较宽输入动态范围的信号进行处理，在放大器的设计中就应当引入自动增益控制电路（AGC），以扩展跨阻前置放大器的动态输入范围。

AGC的主要性能指标包括稳定时间和调整精度，稳定时间与TIA输出端的检测电阻与电容相关，检测电阻与电容的增加会导致稳定时间增大，但是检测电阻值越小则TIA电路的开环频率特性越差从而影响TIA的带宽，检测电容越小则低通滤波性能越差从而AGC调整精度变差。另外TIA为了获得足够的开环增益一般采用3级或以上的基本放大器级联结构，这也增加了信号输入到AGC电路的延迟时间和噪声。

图1是现有的自动增益控制电路（AGC）采用的结构，由光电探测器PIN产生，并进入TIA输入端In的光生电流信号iin经跨阻放大器被转化为输出端Out的电压信号，此电压信号的低频分量可以通过电阻R1和电容C1组成的低通滤波网络检测得到，这一低频分量的大小是与输入的光电流幅值成正比的。检测得到的电压信号经AGC电路反馈给N型增强型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS）M1的栅极，M1处于深度线性区状态，相当于一个可变电阻，电阻值与VGS-VT（栅源电压与阈值电压的差值）成反比，而整个TIA的闭环增益与此电阻值成正比。一般来说，前置放大器应该有较高的跨阻增益，以避免由于后接的主放大器噪声影响而引起的信噪比的下降，这要求连接于TIA输出端的电阻R1值不能太小，否则中高频时闭环增益将明显下降；同样为了获得良好的滤波特性电容C1的值也不能太小，这导致了电阻R1和电容C1的乘积即时间常数较大，AGC延迟时间变长，无法响应突发模式信号电平的快速改变。此外，为了获得良好的开环特性，TIA结构一般要采用多级电路级联的方式，这也增加了输入到AGC电路的延迟时间和系统噪声，而实际中不可能牺牲TIA的性能来换取AGC的快速响应时间。

发明内容

本发明的目的在于针对TIA与AGC的部分性能指标相互牵制的问题，提出了一种解决方案，其涉及的光接收机所采用的是前置放大电路系统在不影响TIA性能的前提下可以有效的减小AGC的稳定时间，提高调整精度。

本发明采用如下的技术方案：一种光接收机，具体包括：第一PIN型光电探测器、第二PIN型光电探测器、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器、一电阻装置、一电容装置、一金属氧化物半导体场效应晶体管、初始增益电路以及限幅放大器，其中，

所述的第一PIN型光电探测器用于将输入的光信号转化为电流信号；

所述的第一跨阻放大器用于将所述的第一PIN型光电探测器产生的电流信号转化为电压信号；