调制处理器PWM转让专利
申请号 : CN200510079751.8
文献号 : CN100583612C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 詹姆士·V.·沃恩兰德 , 布兰登·W.·斯塔克
申请人 : JDS尤尼弗思公司
摘要 :
本发明提供对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压的一种方法和装置，包括产生用于所述光电二极管的偏压电压的电子电路和具有脉冲宽度调制单元的处理器，所述脉宽调制单元以预定数量M的占空因数值产生脉宽调制脉冲。所述处理器耦合到所述电子电路，以使所述偏压电压的大小依赖于所述脉宽调制脉冲当中的至少一个的占空因数值。本发明的优点在于所述处理器包括一个程序，所述程序用于对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所产生的脉宽调制脉冲进行调制，以使所得到的偏压电压的数量大于M。这样，必要元件的数量就会大大地减少。
权利要求 :
1.一种对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压的方法，包括：
将所述光电二极管耦合到电子电路，所述电子电路由处理器所控制，所述处理器 以预定数量M的占空因数值产生脉冲宽度调制脉冲；
利用所述电子电路通过对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所产生的脉 宽调制脉冲进行调制来产生偏压电压以使所得到的偏压电压的数量大于M，以及使用 所述被调制的脉宽调制脉冲的平均脉冲宽度计算所述光电二极管的光电流。
2.如权利要求1所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压 的方法，其特征在于，在两个不同的占空因数值之间调制所述脉宽调制脉冲包括：提 供具有第一占空因数的第一脉宽调制脉冲序列和具有第二不同的占空因数的第二脉宽 调制脉冲序列。
3.如权利要求2所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压 的方法，其特征在于，所述产生偏压的大小由选取所述第一和第二脉冲序列中的每一 个的长度来控制。
4.如权利要求1所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压 的方法，其特征在于，在两个不同的占空因数值之间调制所述脉宽调制脉冲包括：在 多个子区间上在所述两个不同的占空因数值的之间进行随机选取。
5.如权利要求4所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压 的方法，其特征在于，计算所述光电二极管的光电流包括在多个子区间上求所述调制 的脉宽调制脉冲的脉冲宽度的积分。
6.如权利要求1到5中的任何一个所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光 电二极管进行偏压的方法，其特征在于，所述电子电路包括接收输入电压的输入节点， 向所述光电二极管提供所述偏压电压的输出节点，具有第一端的感应线圈，所述感应 线圈的第一端耦合到所述输入节点，具有第一端的二极管，所述二极管的第一端耦合 到所述感应线圈的第二端，耦合到所述二极管的第二端的第一和第二电容器，置于所 述第一和第二电容器之间的第一电阻器、将所述输出节点耦合到所述处理器的第二和 第三电阻器，以及既耦合到所述处理器又耦合到所述感应线圈的开关晶体管。
7.一种对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压的装置，包括：
产生用于所述光电二极管的偏压电压的电子电路，所述偏压电压大于输入电压； 和
被耦合入所述电子电路的包括脉宽调制单元的的处理器，所述脉宽调制单元以预定数量M 的占空因数值产生脉宽调制脉冲，所述处理器耦合到所述电子电路，以使所述偏压电 压的大小依赖于所述脉宽调制脉冲之中的至少一个的占空因数值，所述处理器包括用 于对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所产生的脉宽调制脉冲进行调制以使 所得到的偏压电压的数量大于M的程序和使用所述调制脉宽调制的脉冲的平均占空比 计算所述光电二极管的光电流的程序。
8.如权利要求7所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行偏压 的装置，其特征在于，所述电子电路包括提供输入电压的输入节点，向所述光电二极 管接收所述偏压电压的输出节点，具有第一端的感应线圈，所述感应线圈的第一端耦 合到所述输入节点，具有第一端的二极管，所述二极管的第一端耦合到所述感应线圈 的第二端，耦合到所述二极管的第二端的第一和第二电容器，置于所述第一和第二电 容器之间的第一电阻器、将所述输出节点耦合到所述处理器的第二和第三电阻器，以 及既耦合到所述处理器又耦合到所述感应线圈的开关晶体管。
9.如权利要求7或8所述的对用于光学接收器或光学收发器中的光电二极管进行 偏压的装置，其特征在于，所述处理器包括通过对所述脉宽调制脉冲进行调制来控制 和调节所述偏压电压的程序。
说明书 :
技术领域
[03]本申请涉及对光电二极管进行偏压，特别是涉及一种利用调制处理器PWM偏 压光电二极管的方法和装置，所述光电二极管用于光学收发器和/或光学接收器中。
发明背景
[04]光电二极管广泛地应用于光通信系统中，以进行光信号的探测。特别地，光 电二极管通常包括在光学收发器和/或光学接收器中，以探测要被转换成电信号的光信 号。这些用途中最常用的两种光电二极管包括p材料-本征层-n材料(PIN)光电二极 管和雪崩光电二极管(APD)。
[05]虽然PIN光电二极管和APDs二者最终都达到相同的结果，即将所接收到的光 信号转换成电信号，但是APDs利用雪崩现象来产生放大的电信号，因此更适合用于低 的、弱的或减少的光。不过，这种增加的敏感度是通过不得不提供相对较高的反偏压 来实现的。例如，PIN光电二极管一般要求5到20V之间的反偏压，而APD一般要求 30到90V之间的反偏压。
[06]APD所要求的相对较高的反偏压由高压偏压电路所产生和控制。所述高压偏压 电路实质上是一种DC-DC变换器，这种变换器利用来自发电机的极少电流将低输入电 压(如小于约5V)转换成高输出电压(如从约30V到90V)。
[07]图1示出了典型的高压偏压电路的一个例子。所述高压偏压电路100包括脉 宽调制(PWM)芯片110、场效应晶体管(FET)开关Q1、感应线圈L1、二极管D1、电 阻器R1、R2和R3、电容器C1和C2以及高压(HV)电流监视器120。当所述FET Q1 打开时，能量就储存在所述感应线圈L1中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地 面放电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使在所述感应线圈L1中所储存 的能量被释放出来，穿过所述二极管并被传递到所述电容器C1。在多个周期完成时， 在所述电容器C1上形成额外的电荷，直到以较高的电压VAPD提供有限数量的电流。包 括Q1、L1、D1和C1的电路一般称为回扫(flyback)电路，因为所感生的电压倒向在 所述感应线圈L1产生“回扫”或“反冲(kickback)”效应。所述PWM芯片110用于 通过提供脉冲流来控制所述回扫动作，因此保持恒定的开关频率，脉冲宽度在所述脉 冲流中进行调制。包括电阻器分压器R2和R3的反馈回路提供确定脉冲流的占空因数 (duty cycle)所需的反馈，以控制并调整所述输出电压VAPD。提供所述HV电流监视 器120来监视所述APD的平均电流，该平均电流与所述光信号强度成比例。典型地， 所述电流监视器120包括感测电阻器。
[08]图2示出了高压偏压电路的另一个例子。所述高压偏压电路200包括外接脉 冲发生器210、晶体管Q1和Q2、感应线圈L1、二极管D1和D2、电容器C1和C2、电 阻器R1、R2和R3和R4、高压差分放大器220以及电流监视器230。当所述FET Q1打 开时，能量就储存在所述感应线圈L1中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地面 放电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使在所述感应线圈L1中所储存的 能量被释放出来，穿过所述二极管D1并被传递到所述电容器C1。在多个周期完成时， 在所述电容器C1上形成额外的电荷且以较高的电压VAPD提供有限数量的电流。包括 Q1、L1、D1和C1的电路一般称为回扫电路，因为所感生的电压倒向产生由所述感应线 圈L1提供的“回扫”或“反冲”效应。包括Q2、D2、R2、R3、R4、VREF和所述差分放 大器220的电路可作为分路反馈回路。由于所述脉冲发生器210用于通过提供脉冲流 来感生所述回扫效应，所以实际上是所述分路反馈回路控制并调整所述输出电压 VAPD。提供所述HV电流监视器230来监视所述APD的平均电流，该平均电流与所述光 信号强度成比例。典型地，所述电流监视器230包括感测电阻器。
[09]在实践中，如图1和图2所示的高压偏压电路位于它们所控制的APD接收器 和/或收发器模块的外部。例如，如图3所示，典型的光学接收器300包括控制电路 310，所述控制电路310耦合到APD接收器模块320。所述APD接收器模块320包括 APD 322和均衡放大器326，所述APD 322将从所述光学输入所接收到的光信号转换成 电流，且所述均衡放大器326将所述电流转换成电压。所述控制电路310驱动所述APD 322并包括类似于图1和图2中的任何一个所示的高压偏压电路。出于图示的目的，所 示出的高压电路被分解成两个分立的部分，即HV电源和电流监视器。如图1、2和3 所示，优选所述电流监视器放置于所述HV电源的高压侧。提供所述HV电流监视器的 目的是监视所述APD的平均电流，所述平均电流与所述APD所感测的光信号的强度成 比例。所述控制电路310还包括耦合到所述HV电源的微处理器。所述微处理器提供参 照电压VREF，并可选择用来提供对所述APD的温度相关的响应的校正。
[10]本发明的目的之一在于提供一种用于光学收发器和/或接收器的、元件数量减 少的高压偏压电路。
[11]本发明的另一个目的在于提供一种用于光学收发器和/或接收器的、分辨率提 高和/或功率监视提高的高压偏压电路。
发明概述
[12]本发明提供一种利用高压偏压电路来偏压光电二极管的方法和装置，所述光 电二极管用于光学收发器和/或光学接收器之中，所述高压偏压电路具有数量减少的元 件。
[13]元件数量的减少是通过利用许多微处理器包括有片上(on-chip)PWM单元来 实现的，这些微处理器一般是用于驱动光电二极管的控制电路的组成部分，所述片上 PWM单元具有输出端，所述输出端是PWM脉冲源。这些处理器PWM脉冲用于驱动本发明 中的高偏压电路，以替代分立的PWM芯片或外接脉冲发生器。提高的分辨率通过进一步 调制所述处理器PWM脉冲来提供。
[14]元件数量的减少是通过利用所述微处理器还能够进行监视电流来进一步实现 的。更具体地，所述微处理器通过监视所述调制处理器PWM脉冲的平均宽度来提供改 进的电流/功率监视。
[15]根据本发明的一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电二 极管进行偏压的方法，所述方法包括：将所述光电二极管耦合到电子电路，所述电子 电路由处理器所控制，所述处理器以预定数量M的占空因数值产生脉冲宽度调制脉 冲；利用所述电子电路通过对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所产生的脉 宽调制脉冲进行调制来产生偏压电压，以使所得到的偏压电压的数量大于M。
[16]根据本发明的另一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电 二极管进行偏压的装置，所述装置包括：产生用于所述光电二极管的偏压电压的电子 电路，所述偏压电压大于输入电压；包括脉宽调制单元的处理器，所述脉宽调制单元 以预定数量M的占空因数值产生脉宽调制脉冲，所述处理器耦合到所述电子电路，以 使所述偏压电压的大小依赖于所述脉宽调制脉冲之中的至少一个的占空因数值，所述 处理器包括一个程序，所述程序用于对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所 产生的脉宽调制脉冲进行调制，以使所得到的偏压电压的数量大于M。
[17]根据本发明的再一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电 二极管进行偏压的装置，所述装置包括：提供输入电压的输入节点；耦合到所述输入 节点的用于产生偏压电压的电子电路，所述偏压电压大于所述输入电压，所述电子电 路由具有脉宽调制输出的处理器所控制，所述脉宽调制输出包括脉宽调制脉冲的第一 序列和脉宽调制脉冲的第二序列，所述第一和第二脉冲序列中的每一个具有固定的占 空因数，所述第一和第二脉冲序列的固定占空因数是不同的；向所述光电二极管提供 偏压电压的输出节点，其中，将所述处理器设计成调制所述脉宽调制输出，以使所述 第一脉冲序列与所述第二脉冲序列相交替，且所述偏压电压的大小依赖于所述第一脉 冲序列的长度与所述第二脉冲序列长度之比。
附图简述
[18]结合附图，本发明进一步的特征和优点会通过下面的详细描述变得清晰起 来，在这些附图中：
[19]图1是用于光学收发器和/或光学接收器中的典型的高压偏压电路的电路图；
[20]图2是用于光学收发器和/或光学接收器中的另一个高压偏压电路的电路图；
[21]图3是典型的光学接收器的框图；
[22]图4是根据本发明的一个实施例的用于光学收发器和/或光学接收器中的高压 偏压电路的电路图；和
[23]图5是具有不同的占空因数的PWM脉冲序列的示意图。
发明详述
[24]参看图4，该图示出了根据本发明的一个实施例的高压偏压电路。所述高压偏 压电路400包括FET开关Q1、感应线圈L1、二极管D1、电阻器R1、R2和R3以及电容 器C1和C2。处理器410耦合到所述FET开关Q1并位于所述的两个电阻器R2和R3之 间。优选所述处理器410是具有片上PWM单元的微处理器或微控制器。作为选择，所 述处理器是DSP。
[25]在运行时，模块电源(未示出)提供输入电压VDC。当所述FET Q1打开时， 能量就储存在所述感应线圈L1之中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地面放 电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使储存在所述感应线圈L1中的能量 被释放、由所述二极管D1整流、由所述电容器C1储存，并由所述电阻器R1和电容器 C2过滤。所述处理器410从其片上PWM单元提供脉冲流，以保持所述开关Q1的恒定开 关频率。在多个周期完成的时候，在所述电容器C1上形成额外的电荷，直到以较高的 电压VAPD提供有限数量的电流。
[26]所述高偏压电压VAPD的大小通过改变所述脉冲的占空因数(即，脉冲的宽度或 持续时间除以整个周期)来控制。更具体地，利用控制回路来确定在运行条件变化的 情况下保持恒定的偏压电压VAPD所需的占空因数，所述控制回路全部在所述处理器410 内实现。通过用由R2和R3所形成的电压分压器感测所述偏压电压来向所述控制回路 提供反馈。值得注意的是，所述电压分压器还保护所述处理器410不受由Q1、L1、D1 和C1所形成的回扫电路所产生的高压的损害。
[27]所述APD的平均最大电流也可由所述处理器410确定，所述APD的平均最大 电流被人们所熟知为光电流。更具体地，所述加载通过监视所述调制PWM脉冲的脉冲 宽度来确定，所述调制PWM脉冲由在所述处理器内实现的控制回路所设定。所述脉冲 宽度与所述高压偏压源的最大电流成比例，并因此与所述APD的输入光功率成比例。
[28]值得注意的是，图4所示的高偏压电路与图1和图2所示的典型的电路中的 任何一个相比具有数量减少的元件。特别地，图4所示的电路利用微处理器或微控制 器来实现图1所示的PWM芯片、图2所示的外接脉冲发生器和/或图1和图2所示的电 流监视器的功能。由于图1和图2所示的高压偏压电路已设计成耦合到微处理器或微 控制器，因此元件的数量就会大大地减少。这种元件数量的减少使得元件包装的密度 得到改进，并使相应的监视器/收发器模块更加紧凑、更便于制造且更具有成本效应。
[29]本发明所提供的另一个好处是电流监视和电压调整控制都在软件中实现，而 不是在硬件中实现。利用软件来监视电流和/或控制所述电压避免了由硬件公差所导致 的差异，从而使精确度得到了提高。
[30]不过，虽然通过软件所实现的电流监视和电压调整控制是精确的，但它们的 分辨率却受到所述片上PWM单元的限制。特别地，由于由片上PWM单元所提供的脉冲 的占空因数仅能够通过有限的数值组M进行变化，所以所述分辨率会受到限制，因 此，所述偏压电压也仅能够通过有限数量M的电压级跃形成梯级。
[31]为了达到支持所述高压源的电流测量精度要求所需的分辨率，所述PWM应在 超过200MHZ的条件下运行。但令人遗憾的是，这样就会要求在大多数光学收发器和/或 接收器中使用昂贵的微处理器或微控制器。大多数光学收发器和/或接收器目前实际上 使用低端微处理器，在所述低端微处理器中PWM在约25MHZ条件下运行。这些微处理器 所提供的PWM占空因数级跃对于在光电探测器的偏压电压控制中的应用是不足够的。
[32]根据本发明，由低端微处理器所提供的电压分辨率通过调制在两个不同的占 空因数值之间的处理器PWM输出而得到提高。例如，根据一个实施例，所述微处理器 提供脉冲流，在所述脉冲流中，所述占空因数在经过预定数量的周期之后从其当前值N 变化到相邻的值N+1(或作为选择的N-1)。由于本发明中的高压偏压电路会对所述 平均占空因数值做出反应，所以就会得到与N有关的电压和与N+1(或N-1)有关的 电压之间的电压输出。准确的大小取决于在占空因数N所产生的PWM周期的数量和在N +1(或N-1)所产生的PWM周期的数量。
[33]这种调制PWM技术通过参考图5进行更详细的描述，该图示出了具有相邻的 占空因数值的两个不同的波形。出于图示的目的，这些波形由PWM单元产生，所述PWM 单元提供16比特的分辨率并允许所述脉冲宽度以其周期的1/65536(即M＝65536)递 增。
[34]参看图5的上部，所示出的第一波形具有等于其周期的2/16的脉冲宽度， 而在图5的下部所示出的第二波形具有等于其周期的3/16的脉冲宽度。根据本发明的 一个实施例，对来自所述处理器PWM单元的PWM输出进行调制，以使每个PWM周期包 括具有类似于所述第一波形的占空因数值的至少一个计数和具有类似于所述第二波形 的占空因数值的至少一个计数。所述DC电压依赖于对应于所述第一占空因数值的计数 数量和对应于所述第二占空因数值的计数数量。例如，若对所述PWM进行调制以使一 个周期包括情况1的15个计数和情况2的1个计数，那么所述平均DC输出电压就与 下面的方程式成比例：
作为选择，若对所述PWM进行调制以使具有情况1的8个计数和情况2的8个计数，
那么所述平均DC输出电压就与下面的方程式成比例：
[35]值得注意的是，这些中间的输出电压是仅仅由于PWM调制所实现的。对应于 2/16与3/16之间的输出电压的额外输出电压通过选择情况1的计数和情况2的计数的 不同比率来得到。作为选择，对应于2/16与3/16之间的输出电压通过选择来自脉冲 流的计数的不同比率来得到，所述脉冲流的占空因数值的差异大于1(即不相邻)。例 如，根据一个实施例，对所述PWM输出进行调制，以使每个PWM周期提供具有占空因 数值N的至少一个第一脉冲序列和具有占空因数值N+2的至少一个第二脉冲序列。利 用不相邻的占空因数值会有利地提供更加精细的分辨率。换言之，虽然所述占空因数 仍仅通过有限的数值组M形成梯级，但可获得的偏压电压的数量接近于无限。
[36]在实践当中，在两个脉冲流之间进行重复交替(如前所述)通常在所述高偏 压电压中产生拍音。令人感到方便的是，所述拍音的频率足够地高，以使它的大部分 能够被电容器C1和C2过滤掉。不过，通过允许所述调制在多个PWM周期之中随机选 择来减少或再分布由所述调制所产生的正弦能量是有好处的。例如，根据一个实施 例，对应于第一和第二占空因数值的计数在多个PWM周期中随机进行选择，以使对应 于所述第一占空因数值的计数数量与对应于所述第二占空因数值的计数数量之比仍与 所述预定的电压差成比例。在预定的时间子区间(例如，一个周期)内的第一和第二 计数之间随机选择，而不是利用有序的预定脉冲流方式，会使得所述脉冲的能量以ejwt 偏移，其中w是频率，t是时间。这就会使得所述正弦调制的能量在与所述随机带宽成 比例的带宽上进行分布。因此，所述能量的带宽变成了随机脉冲列的经典sin(x)/x频 谱。所述sin(x)/x分布降低了对所述回扫电路的电压输出的过滤要求并降低了给定的 过滤器的混附调制成分的水平。
[37]虽然在图4中所示出的高压偏压电路具有用于耦合到APD的节点，但所述电 路还可用于对PIN光电二极管进行偏压，并提供这些PIN光电二极管所接收到的对应 光功率的精确测量。
[38]当然，前面所描述的本发明的实施例仅是示范性的。因此，本发明的范围仅 由所附的权利要求书的范围来进行限制。
交叉引用的相关申请
[01]本申请主张于2004年6月28日提交的美国临时专利申请No.60/583,583的 利益，通过参考将该专利申请的内容合并到本申请当中。
微缩胶片附件
[02]未提供。
[05]虽然PIN光电二极管和APDs二者最终都达到相同的结果，即将所接收到的光 信号转换成电信号，但是APDs利用雪崩现象来产生放大的电信号，因此更适合用于低 的、弱的或减少的光。不过，这种增加的敏感度是通过不得不提供相对较高的反偏压 来实现的。例如，PIN光电二极管一般要求5到20V之间的反偏压，而APD一般要求 30到90V之间的反偏压。
[06]APD所要求的相对较高的反偏压由高压偏压电路所产生和控制。所述高压偏压 电路实质上是一种DC-DC变换器，这种变换器利用来自发电机的极少电流将低输入电 压(如小于约5V)转换成高输出电压(如从约30V到90V)。
[07]图1示出了典型的高压偏压电路的一个例子。所述高压偏压电路100包括脉 宽调制(PWM)芯片110、场效应晶体管(FET)开关Q1、感应线圈L1、二极管D1、电 阻器R1、R2和R3、电容器C1和C2以及高压(HV)电流监视器120。当所述FET Q1 打开时，能量就储存在所述感应线圈L1中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地 面放电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使在所述感应线圈L1中所储存 的能量被释放出来，穿过所述二极管并被传递到所述电容器C1。在多个周期完成时， 在所述电容器C1上形成额外的电荷，直到以较高的电压VAPD提供有限数量的电流。包 括Q1、L1、D1和C1的电路一般称为回扫(flyback)电路，因为所感生的电压倒向在 所述感应线圈L1产生“回扫”或“反冲(kickback)”效应。所述PWM芯片110用于 通过提供脉冲流来控制所述回扫动作，因此保持恒定的开关频率，脉冲宽度在所述脉 冲流中进行调制。包括电阻器分压器R2和R3的反馈回路提供确定脉冲流的占空因数 (duty cycle)所需的反馈，以控制并调整所述输出电压VAPD。提供所述HV电流监视 器120来监视所述APD的平均电流，该平均电流与所述光信号强度成比例。典型地， 所述电流监视器120包括感测电阻器。
[08]图2示出了高压偏压电路的另一个例子。所述高压偏压电路200包括外接脉 冲发生器210、晶体管Q1和Q2、感应线圈L1、二极管D1和D2、电容器C1和C2、电 阻器R1、R2和R3和R4、高压差分放大器220以及电流监视器230。当所述FET Q1打 开时，能量就储存在所述感应线圈L1中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地面 放电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使在所述感应线圈L1中所储存的 能量被释放出来，穿过所述二极管D1并被传递到所述电容器C1。在多个周期完成时， 在所述电容器C1上形成额外的电荷且以较高的电压VAPD提供有限数量的电流。包括 Q1、L1、D1和C1的电路一般称为回扫电路，因为所感生的电压倒向产生由所述感应线 圈L1提供的“回扫”或“反冲”效应。包括Q2、D2、R2、R3、R4、VREF和所述差分放 大器220的电路可作为分路反馈回路。由于所述脉冲发生器210用于通过提供脉冲流 来感生所述回扫效应，所以实际上是所述分路反馈回路控制并调整所述输出电压 VAPD。提供所述HV电流监视器230来监视所述APD的平均电流，该平均电流与所述光 信号强度成比例。典型地，所述电流监视器230包括感测电阻器。
[09]在实践中，如图1和图2所示的高压偏压电路位于它们所控制的APD接收器 和/或收发器模块的外部。例如，如图3所示，典型的光学接收器300包括控制电路 310，所述控制电路310耦合到APD接收器模块320。所述APD接收器模块320包括 APD 322和均衡放大器326，所述APD 322将从所述光学输入所接收到的光信号转换成 电流，且所述均衡放大器326将所述电流转换成电压。所述控制电路310驱动所述APD 322并包括类似于图1和图2中的任何一个所示的高压偏压电路。出于图示的目的，所 示出的高压电路被分解成两个分立的部分，即HV电源和电流监视器。如图1、2和3 所示，优选所述电流监视器放置于所述HV电源的高压侧。提供所述HV电流监视器的 目的是监视所述APD的平均电流，所述平均电流与所述APD所感测的光信号的强度成 比例。所述控制电路310还包括耦合到所述HV电源的微处理器。所述微处理器提供参 照电压VREF，并可选择用来提供对所述APD的温度相关的响应的校正。
[10]本发明的目的之一在于提供一种用于光学收发器和/或接收器的、元件数量减 少的高压偏压电路。
[11]本发明的另一个目的在于提供一种用于光学收发器和/或接收器的、分辨率提 高和/或功率监视提高的高压偏压电路。
发明概述
[12]本发明提供一种利用高压偏压电路来偏压光电二极管的方法和装置，所述光 电二极管用于光学收发器和/或光学接收器之中，所述高压偏压电路具有数量减少的元 件。
[13]元件数量的减少是通过利用许多微处理器包括有片上(on-chip)PWM单元来 实现的，这些微处理器一般是用于驱动光电二极管的控制电路的组成部分，所述片上 PWM单元具有输出端，所述输出端是PWM脉冲源。这些处理器PWM脉冲用于驱动本发明 中的高偏压电路，以替代分立的PWM芯片或外接脉冲发生器。提高的分辨率通过进一步 调制所述处理器PWM脉冲来提供。
[14]元件数量的减少是通过利用所述微处理器还能够进行监视电流来进一步实现 的。更具体地，所述微处理器通过监视所述调制处理器PWM脉冲的平均宽度来提供改 进的电流/功率监视。
[15]根据本发明的一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电二 极管进行偏压的方法，所述方法包括：将所述光电二极管耦合到电子电路，所述电子 电路由处理器所控制，所述处理器以预定数量M的占空因数值产生脉冲宽度调制脉 冲；利用所述电子电路通过对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所产生的脉 宽调制脉冲进行调制来产生偏压电压，以使所得到的偏压电压的数量大于M。
[16]根据本发明的另一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电 二极管进行偏压的装置，所述装置包括：产生用于所述光电二极管的偏压电压的电子 电路，所述偏压电压大于输入电压；包括脉宽调制单元的处理器，所述脉宽调制单元 以预定数量M的占空因数值产生脉宽调制脉冲，所述处理器耦合到所述电子电路，以 使所述偏压电压的大小依赖于所述脉宽调制脉冲之中的至少一个的占空因数值，所述 处理器包括一个程序，所述程序用于对由所述处理器在两个不同的占空因数值之间所 产生的脉宽调制脉冲进行调制，以使所得到的偏压电压的数量大于M。
[17]根据本发明的再一个方面，提供一种对用于光学接收器或光学收发器的光电 二极管进行偏压的装置，所述装置包括：提供输入电压的输入节点；耦合到所述输入 节点的用于产生偏压电压的电子电路，所述偏压电压大于所述输入电压，所述电子电 路由具有脉宽调制输出的处理器所控制，所述脉宽调制输出包括脉宽调制脉冲的第一 序列和脉宽调制脉冲的第二序列，所述第一和第二脉冲序列中的每一个具有固定的占 空因数，所述第一和第二脉冲序列的固定占空因数是不同的；向所述光电二极管提供 偏压电压的输出节点，其中，将所述处理器设计成调制所述脉宽调制输出，以使所述 第一脉冲序列与所述第二脉冲序列相交替，且所述偏压电压的大小依赖于所述第一脉 冲序列的长度与所述第二脉冲序列长度之比。
附图简述
[18]结合附图，本发明进一步的特征和优点会通过下面的详细描述变得清晰起 来，在这些附图中：
[19]图1是用于光学收发器和/或光学接收器中的典型的高压偏压电路的电路图；
[20]图2是用于光学收发器和/或光学接收器中的另一个高压偏压电路的电路图；
[21]图3是典型的光学接收器的框图；
[22]图4是根据本发明的一个实施例的用于光学收发器和/或光学接收器中的高压 偏压电路的电路图；和
[23]图5是具有不同的占空因数的PWM脉冲序列的示意图。
发明详述
[24]参看图4，该图示出了根据本发明的一个实施例的高压偏压电路。所述高压偏 压电路400包括FET开关Q1、感应线圈L1、二极管D1、电阻器R1、R2和R3以及电容 器C1和C2。处理器410耦合到所述FET开关Q1并位于所述的两个电阻器R2和R3之 间。优选所述处理器410是具有片上PWM单元的微处理器或微控制器。作为选择，所 述处理器是DSP。
[25]在运行时，模块电源(未示出)提供输入电压VDC。当所述FET Q1打开时， 能量就储存在所述感应线圈L1之中，而所述二极管D1避免所述电容器C1向地面放 电。当所述FET Q1关闭时，就感生电压倒向，以使储存在所述感应线圈L1中的能量 被释放、由所述二极管D1整流、由所述电容器C1储存，并由所述电阻器R1和电容器 C2过滤。所述处理器410从其片上PWM单元提供脉冲流，以保持所述开关Q1的恒定开 关频率。在多个周期完成的时候，在所述电容器C1上形成额外的电荷，直到以较高的 电压VAPD提供有限数量的电流。
[26]所述高偏压电压VAPD的大小通过改变所述脉冲的占空因数(即，脉冲的宽度或 持续时间除以整个周期)来控制。更具体地，利用控制回路来确定在运行条件变化的 情况下保持恒定的偏压电压VAPD所需的占空因数，所述控制回路全部在所述处理器410 内实现。通过用由R2和R3所形成的电压分压器感测所述偏压电压来向所述控制回路 提供反馈。值得注意的是，所述电压分压器还保护所述处理器410不受由Q1、L1、D1 和C1所形成的回扫电路所产生的高压的损害。
[27]所述APD的平均最大电流也可由所述处理器410确定，所述APD的平均最大 电流被人们所熟知为光电流。更具体地，所述加载通过监视所述调制PWM脉冲的脉冲 宽度来确定，所述调制PWM脉冲由在所述处理器内实现的控制回路所设定。所述脉冲 宽度与所述高压偏压源的最大电流成比例，并因此与所述APD的输入光功率成比例。
[28]值得注意的是，图4所示的高偏压电路与图1和图2所示的典型的电路中的 任何一个相比具有数量减少的元件。特别地，图4所示的电路利用微处理器或微控制 器来实现图1所示的PWM芯片、图2所示的外接脉冲发生器和/或图1和图2所示的电 流监视器的功能。由于图1和图2所示的高压偏压电路已设计成耦合到微处理器或微 控制器，因此元件的数量就会大大地减少。这种元件数量的减少使得元件包装的密度 得到改进，并使相应的监视器/收发器模块更加紧凑、更便于制造且更具有成本效应。
[29]本发明所提供的另一个好处是电流监视和电压调整控制都在软件中实现，而 不是在硬件中实现。利用软件来监视电流和/或控制所述电压避免了由硬件公差所导致 的差异，从而使精确度得到了提高。
[30]不过，虽然通过软件所实现的电流监视和电压调整控制是精确的，但它们的 分辨率却受到所述片上PWM单元的限制。特别地，由于由片上PWM单元所提供的脉冲 的占空因数仅能够通过有限的数值组M进行变化，所以所述分辨率会受到限制，因 此，所述偏压电压也仅能够通过有限数量M的电压级跃形成梯级。
[31]为了达到支持所述高压源的电流测量精度要求所需的分辨率，所述PWM应在 超过200MHZ的条件下运行。但令人遗憾的是，这样就会要求在大多数光学收发器和/或 接收器中使用昂贵的微处理器或微控制器。大多数光学收发器和/或接收器目前实际上 使用低端微处理器，在所述低端微处理器中PWM在约25MHZ条件下运行。这些微处理器 所提供的PWM占空因数级跃对于在光电探测器的偏压电压控制中的应用是不足够的。
[32]根据本发明，由低端微处理器所提供的电压分辨率通过调制在两个不同的占 空因数值之间的处理器PWM输出而得到提高。例如，根据一个实施例，所述微处理器 提供脉冲流，在所述脉冲流中，所述占空因数在经过预定数量的周期之后从其当前值N 变化到相邻的值N+1(或作为选择的N-1)。由于本发明中的高压偏压电路会对所述 平均占空因数值做出反应，所以就会得到与N有关的电压和与N+1(或N-1)有关的 电压之间的电压输出。准确的大小取决于在占空因数N所产生的PWM周期的数量和在N +1(或N-1)所产生的PWM周期的数量。
[33]这种调制PWM技术通过参考图5进行更详细的描述，该图示出了具有相邻的 占空因数值的两个不同的波形。出于图示的目的，这些波形由PWM单元产生，所述PWM 单元提供16比特的分辨率并允许所述脉冲宽度以其周期的1/65536(即M＝65536)递 增。
[34]参看图5的上部，所示出的第一波形具有等于其周期的2/16的脉冲宽度， 而在图5的下部所示出的第二波形具有等于其周期的3/16的脉冲宽度。根据本发明的 一个实施例，对来自所述处理器PWM单元的PWM输出进行调制，以使每个PWM周期包 括具有类似于所述第一波形的占空因数值的至少一个计数和具有类似于所述第二波形 的占空因数值的至少一个计数。所述DC电压依赖于对应于所述第一占空因数值的计数 数量和对应于所述第二占空因数值的计数数量。例如，若对所述PWM进行调制以使一 个周期包括情况1的15个计数和情况2的1个计数，那么所述平均DC输出电压就与 下面的方程式成比例：
作为选择，若对所述PWM进行调制以使具有情况1的8个计数和情况2的8个计数，
那么所述平均DC输出电压就与下面的方程式成比例：
[35]值得注意的是，这些中间的输出电压是仅仅由于PWM调制所实现的。对应于 2/16与3/16之间的输出电压的额外输出电压通过选择情况1的计数和情况2的计数的 不同比率来得到。作为选择，对应于2/16与3/16之间的输出电压通过选择来自脉冲 流的计数的不同比率来得到，所述脉冲流的占空因数值的差异大于1(即不相邻)。例 如，根据一个实施例，对所述PWM输出进行调制，以使每个PWM周期提供具有占空因 数值N的至少一个第一脉冲序列和具有占空因数值N+2的至少一个第二脉冲序列。利 用不相邻的占空因数值会有利地提供更加精细的分辨率。换言之，虽然所述占空因数 仍仅通过有限的数值组M形成梯级，但可获得的偏压电压的数量接近于无限。
[36]在实践当中，在两个脉冲流之间进行重复交替(如前所述)通常在所述高偏 压电压中产生拍音。令人感到方便的是，所述拍音的频率足够地高，以使它的大部分 能够被电容器C1和C2过滤掉。不过，通过允许所述调制在多个PWM周期之中随机选 择来减少或再分布由所述调制所产生的正弦能量是有好处的。例如，根据一个实施 例，对应于第一和第二占空因数值的计数在多个PWM周期中随机进行选择，以使对应 于所述第一占空因数值的计数数量与对应于所述第二占空因数值的计数数量之比仍与 所述预定的电压差成比例。在预定的时间子区间(例如，一个周期)内的第一和第二 计数之间随机选择，而不是利用有序的预定脉冲流方式，会使得所述脉冲的能量以ejwt 偏移，其中w是频率，t是时间。这就会使得所述正弦调制的能量在与所述随机带宽成 比例的带宽上进行分布。因此，所述能量的带宽变成了随机脉冲列的经典sin(x)/x频 谱。所述sin(x)/x分布降低了对所述回扫电路的电压输出的过滤要求并降低了给定的 过滤器的混附调制成分的水平。
[37]虽然在图4中所示出的高压偏压电路具有用于耦合到APD的节点，但所述电 路还可用于对PIN光电二极管进行偏压，并提供这些PIN光电二极管所接收到的对应 光功率的精确测量。
[38]当然，前面所描述的本发明的实施例仅是示范性的。因此，本发明的范围仅 由所附的权利要求书的范围来进行限制。
交叉引用的相关申请
[01]本申请主张于2004年6月28日提交的美国临时专利申请No.60/583,583的 利益，通过参考将该专利申请的内容合并到本申请当中。
微缩胶片附件
[02]未提供。