專利名稱：高動態(tài)范圍的光接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光接收器。
背景技術(shù)：
光接收器被用于大量的光感應(yīng)應(yīng)用中。接收器通常包括由光信號照亮 并且產(chǎn)生與光強有關(guān)的電流的光檢測器。該電流被接口電路轉(zhuǎn)換為電壓， 以提供由連接到光接收器的裝置所利用的輸出信號。
在一些光感應(yīng)應(yīng)用中，與光強的對數(shù)成比例的輸出信號尤其有用。例 如，處理輸出信號的裝置可能需要計算兩個光信號的乘積或比率?？梢杂?簡單的加法或減法電路對對數(shù)信號執(zhí)行這種計算。
在其他光感應(yīng)應(yīng)用中，光信號的幅度可能有大于100,000倍的變化。
因為處理光信號的電路具有固定的最大電位和靈敏度，所以在這些情形中 提供與光強成正比的輸出信號是不切實際的。如果電路被設(shè)定為在最高強 度時提供最大輸出，則在最低光級別時的電路靈敏度不足。在這點上，應(yīng) 該注意到許多電路元件具有蓋過很小信號的固有噪聲。另一方面，如果電 路被設(shè)計為在低的光級別時提供足夠的靈敏度，則電路在高的光級別時將 飽和，并且在高光強時的強度級別差異不能被測量。該問題的一種解決方 案是提供與光強的對數(shù)有關(guān)的輸出信號。這樣的信號提供所有光級別所需 要的靈敏度。
跨阻放大器(TIA)經(jīng)常被用于將來自諸如光電二極管之類的器件的 電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號隨后被其他電路所利用。將輸入電 流信號轉(zhuǎn)換為與輸入電流的對數(shù)成比例的電壓的TIA設(shè)計在原則上可以通 過將傳統(tǒng)TIA中的反饋電阻器替換為二極管而被構(gòu)建。但是，這樣的電路 具有穩(wěn)定性問題。為了克服需要非常高的動態(tài)范圍的應(yīng)用中的這些穩(wěn)定性 問題，放大器必須具有非常高的頻率性能，但該頻率性能可能只有在使得
這樣的TIA對于許多應(yīng)用而言不切實際的功率級別時才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括具有光檢測器、放大器、反饋環(huán)和輸出電路的光接收器。 光檢測器響應(yīng)于被光照亮而在第一和第二節(jié)點之間產(chǎn)生電流。放大器具有 連接到第一節(jié)點的輸入端和連接到第三節(jié)點的輸出端。反饋路徑將第三節(jié) 點連接到第一節(jié)點并且包括與一電路元件串聯(lián)的二極管，所述電路元件具 有大于預(yù)定值的阻抗，所述二極管連接在第一和第四節(jié)點之間。輸出電路 連接到第四節(jié)點并且向外部電路提供輸出信號。輸出電路可以被配置為提 供與照亮光檢測器的光強的對數(shù)成比例的輸出信號。


圖1是連接到傳統(tǒng)TIA的現(xiàn)有技術(shù)光電二極管的示意圖。
圖2是連接到TIA的光電二極管的示意圖，所述TIA利用二極管來提
供所討論的可變電阻。
圖3是具有根據(jù)本發(fā)明的連接到光電二極管的TIA電路的光接收器的
示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的利用TIA的光接收器的示意圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的光接收器的另一實施例的示意圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明的光接收器的另一實施例的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1，可以更加容易地理解本發(fā)明提供其優(yōu)點的方式，圖1是連 接到傳統(tǒng)TIA的光電二極管的現(xiàn)有技術(shù)示意圖。當光電二極管21被照亮 時，電流流經(jīng)光電二極管21并且放大器24的輸出增大，直到相同量的電 流流經(jīng)反饋電阻器23。放大器存在可以提供的最大輸出電壓。如果反饋電 阻器被設(shè)定為針對光電二極管21中的光電流的最高預(yù)期值而提供該輸出 電壓，則對于許多應(yīng)用而言，很低的光級別時的電路靈敏度可能不足。相 反，如果電阻被設(shè)定為在低的光級別時提供高靈敏度的值，則放大器將在
更高級別時飽和。
原則上，可以通過將電阻器23替換為隨著光電流改變而改變阻抗的 電路來解決該問題。阻抗將隨著光電流的增大而減小，從而在低的光級別
時提供高靈敏度，同時防止放大器在高的光級別時飽和。在這樣的TIA 中，輸出信號此時將是照亮級別的非線性函數(shù)；但是，輸出將具有希望的 動態(tài)范圍。
現(xiàn)在參考圖2，其為連接到TIA的光電二極管的示意圖，所述TIA利 用二極管來提供所討論的可變電阻。二極管25替換圖1所示電路中的電 阻器23。除此之外，電路以類似方式運行。因為經(jīng)過二極管25的電流是 二極管兩端電位的指數(shù)函數(shù)，所以放大器24的輸出現(xiàn)在是光電流的對數(shù) 函數(shù)。
但是，所有的光電二極管都具有寄生電容22。結(jié)果，為了在光信號隨 著時間而改變時提供穩(wěn)定的操作，放大器24必須具有足夠的頻率響應(yīng)。 所需要的頻率響應(yīng)與RCp成反比。在高的光電流時，二極管25的阻抗非 常低。因此，為了適應(yīng)這種非常低的反饋電阻，放大器必須具有非常高的 頻率響應(yīng)。這樣的高頻放大器需要大量的功率，因此對于許多應(yīng)用而言是 不切實際的。 一般來說，功率要求限制了用該簡單設(shè)計可以提供的最大動 態(tài)范圍。
現(xiàn)在參考圖3，其為光接收器的示意圖，該光接收器具有根據(jù)本發(fā)明 一個實施例的連接到光電二極管的TIA電路。TIA 30利用具有反饋電路的 放大器34，所述反饋電路包括二極管35和阻抗元件36。包括阻抗元件36 可以確保反饋路徑具有等效最小阻抗R'。如果已知放大器34的可用最大 頻率響應(yīng)和最大寄生電容Cp，則可以獲得值R，。因此，反饋環(huán)將總是具 有確保穩(wěn)定操作的阻抗。
原則上，阻抗元件36可以是電阻器。這種類型的放大器經(jīng)常被稱為 對數(shù)線性放大器。但是，在反饋環(huán)中利用電阻器存在許多其他問題。首 先，放大器34的輸出不再是經(jīng)過光電二極管21的光電流的對數(shù)函數(shù)。其 次，大的電阻器需要大的硅面積，這實際上增加了光接收器的成本。再 次，在大的光電二極管電流時，電阻器36使得放大器34的輸出飽和，并 且因此限制光接收器的動態(tài)范圍。
在本發(fā)明中，通過提供下述輸出信號來解決第一個問題，所述輸出信 號衡量了反饋路徑中的二極管兩端的電壓而不是放大器輸出端處的電壓。 本發(fā)明基于這樣的情況即二極管35兩端的電位仍然是光電流的對數(shù)函
數(shù)。如果將放大器34的輸入端參考為地，則從二極管35的正極得到TIA 30的輸出。緩沖器38可以用于防止連接到輸出端的器件干擾TIA 30的操 作。在利用單個電源的實施例中，通常將放大器34的輸入?yún)⒖紴槟硞€已 知的正電位而不是地。在這種情況下，二極管35的正極處的輸出是光電 二極管電流的對數(shù)函數(shù)加上可以被容易地移除的固定DC偏置電壓。
為了克服上面所討論的飽和問題，可以將電阻器36替換為這樣的阻 抗元件該阻抗元件為放大器34提供小的電阻性負載，而為光電二極管 提供大阻抗。也就是說，針對從放大器流向二極管35的電流的等效阻抗 遠小于針對以相反方向流動的電流的等效阻抗。利用小的電阻性負載，放 大器34的輸出即使在大的光電二極管電流時也不會飽和。當經(jīng)過反饋二 極管35的電流處于其最大設(shè)計值時，為反饋二極管提供的電阻性負載優(yōu) 選地大于反饋二極管的電阻。
現(xiàn)在參考圖4，其為根據(jù)本發(fā)明的利用TIA的光接收器的示意圖。光 接收器40利用兩個被偏置以提供電阻性功能的晶體管。晶體管45是TIA 中的放大器并且將晶體管44用于適當?shù)腄C偏置。晶體管43提供上面所 討論的阻抗元件的功能。應(yīng)該注意，晶體管43對放大器45提供小的阻抗 負載，另外實現(xiàn)其所需的硅面積小得多。反饋二極管42與圖3所示的二 極管35類似。輸出電壓是經(jīng)過光電二極管41的光電流的對數(shù)。為了確保 晶體管43在所有的光電二極管條件下都保持飽和，恒定電流源46牽拉 (draw)經(jīng)過晶體管43的固定電流，該電流繞過二極管42。電流源46限 定晶體管43的漏極處的等效阻抗。例如，如果經(jīng)過電流源46的電流被設(shè) 定為大致與最大光電二極管電流相同的值，則對于最大光電二極管電流之 下的光電二極管電流值而言，晶體管43漏極處的等效阻抗是所述光電 包括補償電容器47可以在來自光電二極管的電流較小時擴展光接收
器40的帶寬。在這種情況下，反饋環(huán)具有長時間常數(shù)，其等于二極管42 的阻抗乘以二極管41的寄生電容。在低的光電流時，二極管42的阻抗較 高。補償電容器針對光電流信號的高頻成分而降低該阻抗。
現(xiàn)在參考圖5，其為根據(jù)本發(fā)明的光接收器的另一實施例的示意圖。 光接收器60提供流入負載65的電流，該電流是光電二極管41所接收的光 強的對數(shù)。光接收器60的那些與上面參考圖4所示的光接收器40所討論 的元件提供類似功能的元件被賦予相同的標號，并且在這里不進一步進行 討論。二極管67和電流源66提供緩沖器68的輸入端處的參考電位。節(jié)點 71和72處的電壓在被施加到負載65之前分別被緩沖器68和69緩沖。
經(jīng)過晶體管43的電流的設(shè)定方式取決于光接收器運行的特定應(yīng)用。 在慢的應(yīng)用中，對光接收器的速度要求不高，因此可以將電流設(shè)定得較 低，以使得TIA被針對低功率操作優(yōu)化并且具有剛剛夠用的帶寬來容納光 信號。如果光接收器必須在高速下操作，則電流必須更大，以使得等效反 饋電阻足夠低以提供可接受的時間常數(shù)。
本發(fā)明的上述實施例利用光電二極管來將輸入光信號轉(zhuǎn)換為電流，該 電流然后被放大。但是，也可以利用其他形式的光檢測器。例如，上面所 討論的光電二極管可以被光電晶體管代替?，F(xiàn)在參考圖6，其示出了根據(jù) 本發(fā)明的光接收器的另一實施例。光接收器80與圖4所示的光接收器40 的不同在于光電二極管41被光電晶體管81所替換。
從附圖和上面的說明書中，對本發(fā)明的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言將變得清楚。因此，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求書的范圍來限制。
權(quán)利要求
1.一種光接收器，包括光檢測器，響應(yīng)于被用光照亮而在第一節(jié)點和第二節(jié)點之間產(chǎn)生電流，所述光檢測器在所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點之間提供寄生電容；放大器，具有連接到所述第一節(jié)點的輸入和連接到第三節(jié)點的輸出，所述放大器由頻率范圍表征，所述放大器以穩(wěn)定的方式在所述頻率范圍上操作；反饋路徑，將所述第三節(jié)點連接到所述第一節(jié)點，所述反饋路徑包括與電路元件串聯(lián)的二極管，所述電路元件具有大于預(yù)定值的阻抗，所述二極管連接在所述第一節(jié)點和第四節(jié)點之間；以及輸出電路，連接到所述第四節(jié)點，所述輸出電路向外部電路提供輸出信號，其中所述預(yù)定值取決于所述頻率范圍和所述寄生電容。
2. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述電路元件針對從所述第三節(jié)點流向所述第一節(jié)點的電流的阻抗小于該電路元件針對從所述第一節(jié) 點流向所述第三節(jié)點的電流的阻抗。
3. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述電路元件包括晶體管。
4. 如權(quán)利要求3所述的光接收器，其中，所述光接收器還包括恒定電 流源，所述恒定電流源在所述光檢測器未被照亮?xí)r使得固定電流流經(jīng)所述 晶體管。
5. 如權(quán)利要求l所述的光接收器，其中，所述放大器包括晶體管，該 晶體管具有連接到所述第三節(jié)點的集電極或漏極以及連接到所述第一節(jié)點 的基極或柵極。
6. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述輸出電路包括用于在外 部負載中產(chǎn)生輸出電流的電路，所述輸出電流的大小與流經(jīng)所述二極管的 電流有關(guān)。
7. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述輸出信號與照亮所述光 檢測器的所述光的強度的對數(shù)成比例。
8. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述光檢測器包括光電二極 管。
9. 如權(quán)利要求1所述的光接收器，其中，所述光檢測器包括光電晶體管。
10. —種用于對第一節(jié)點和第二節(jié)點之間流動的輸入電流進行放大的電路，所述電路包括放大器，具有連接到所述第一節(jié)點的輸入端和連接到第三節(jié)點的輸出端；反饋路徑，將所述第三節(jié)點連接到所述第一節(jié)點，所述反饋路徑包括 與電路元件串聯(lián)的二極管，所述電路元件針對從所述第三節(jié)點流向所述第 一節(jié)點的電流的阻抗小于該電路元件針對從所述第一節(jié)點流向所述第三節(jié) 點的電流的阻抗，所述二極管連接在所述第一節(jié)點和第四節(jié)點之間；以及輸出電路，連接到所述第四節(jié)點，所述輸出電路向外部電路提供輸出 信號。
11. 如權(quán)利要求10所述的電路，其中，所述電路元件包括晶體管。
12. 如權(quán)利要求11所述的電路，還包括恒定電流源，該恒定電流源在 所述輸入電流為零時使得固定電流流經(jīng)所述晶體管。
13. 如權(quán)利要求IO所述的電路，其中，所述放大器包括晶體管，該晶 體管具有連接到所述第三節(jié)點的集電極或漏極以及連接到所述第一節(jié)點的 基極或柵極。
14. 如權(quán)利要求IO所述的電路，其中，所述輸出電路包括用于在外部 負載中產(chǎn)生輸出電流的電路，所述輸出電流的大小與流經(jīng)所述二極管的電 流有關(guān)。
15. 如權(quán)利要求IO所述的電路，其中，所述輸出信號與照亮光檢測器 的光的強度的對數(shù)成比例。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有光檢測器、放大器、反饋環(huán)和輸出電路的光接收器。光檢測器響應(yīng)于被用光照亮而在第一和第二節(jié)點之間產(chǎn)生電流。放大器具有連接到第一節(jié)點的輸入和連接到第三節(jié)點的輸出。反饋路徑將第三節(jié)點連接到第一節(jié)點，并且包括與一電路元件串聯(lián)的二極管，所述電路元件的阻抗大于預(yù)定值，所述二極管連接在第一和第四節(jié)點之間。輸出電路連接到第四節(jié)點并且向外部電路提供輸出信號。輸出電路可以被配置為提供輸出信號，該輸出信號與照亮光檢測器的光的強度的對數(shù)成比例。
文檔編號H04B10/158GK101174902SQ20071016641
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者林國強, 蕾 陳 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司