本發(fā)明涉及光纖通信等系統(tǒng)中的激光驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置及方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)包括電光轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)發(fā)射機、光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)接收機，其中收發(fā)機芯片目前主要采用GaAs、InP或者SiGe等特殊工藝集成，這些特殊工藝價格昂貴，無疑增加了整個光通信系統(tǒng)的成本，因此研發(fā)低成本的光通信收發(fā)機有著重大意義?，F(xiàn)代深亞微米CMOS工藝的截止頻率不斷提高，使得基于CMOS工藝的高速激光驅(qū)動器設(shè)計成為可能。由于深亞微米CMOS工藝通過不斷減小溝道長度和柵氧厚度來提高工作截止頻率，其柵源和漏源可承受的電壓范圍越來越小。激光器正常工作時所產(chǎn)生的較大的電壓調(diào)制擺幅使得深亞微米CMOS工藝設(shè)計的激動驅(qū)動器的器件極易處于柵源或者漏源過壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致可靠性降低甚至電路失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決深亞微米CMOS的激光驅(qū)動器件柵源或者漏源過壓導(dǎo)致的可靠性問題，本發(fā)明提供一種用于深亞微米CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置及方法，通過簡單的環(huán)路控制來實現(xiàn)有效控制CMOS器件的柵源和漏源壓差來提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，低功耗和易實現(xiàn)、低硬件成本等優(yōu)勢。

一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，對激光驅(qū)動器進行過壓保護，所述的激光驅(qū)動器輸出端連接激光器，其特征是：

所述過壓保護裝置輸出端連接到激光驅(qū)動器的輸入端，過壓保護裝置從激光驅(qū)動器的輸出端采樣，根據(jù)此采樣信號調(diào)整過壓保護裝置輸出端電壓，以保護激光驅(qū)動器輸入端不因過壓而擊穿；

該過壓保護裝置具體包含：

高阻抗模塊，其輸入端連接激光驅(qū)動器的輸出端，高阻抗模塊從激光驅(qū)動器輸出端采樣，構(gòu)建采樣電壓；

失調(diào)電壓產(chǎn)生器，其輸入端連接高阻抗模塊的輸出端，失調(diào)電壓產(chǎn)生器根據(jù)所述高阻抗模塊輸出的采樣電壓調(diào)整失調(diào)電壓；

加法器，兩個輸入端分別連接高阻抗模塊的輸出端以及失調(diào)電壓產(chǎn)生器的輸出端，加法器將所述高阻抗模塊輸出的采樣電壓和失調(diào)電壓產(chǎn)生器輸出的失調(diào)電壓相加得到過壓保護裝置的輸出電壓。

上述的一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，其中，所述過壓保護裝置包含：

第四PMOS管M4，采用二極管連接方式，其漏極和柵極短接，柵極連接到激光驅(qū)動器的輸入端；

第二可調(diào)電流源I2，一端連接公共地，另一端連接第四PMOS管M4的漏極；

第五PMOS管M5，源極連接第一電源VDD，漏極連接第四PMOS管M4的源極；

第二電阻R2，一端連接第五PMOS管M5的漏極；

第三電流源I3，一端連接公共地，另一端連接第二電阻R2的另一端；

放大器A1，輸出端連接第五PMOS管M5的柵極，同相輸入端連接第二電阻R2的另一端；

第三電阻R3，一端連接放大器A1的反相輸入端，另一端連接激光驅(qū)動器的輸出端；

所述激光驅(qū)動器包含：

第一可調(diào)電流源I1，一端連接公共地；

第一NMOS管M1，柵極連接第二電源VINP，源極連接第一可調(diào)電流源I1另一端；

第二NMOS管M2，柵極連接第三電源VINN，源極連接第一可調(diào)電流源I1另一端；

第一電阻R1，一端連接第一NMOS管M1的漏極，另一端連接第一電源VDD；

第三PMOS管M3，柵極為激光驅(qū)動器的輸入端，與過壓保護裝置中第四PMOS管M4的柵極連接，漏極連接第二NMOS管M2漏極，并引出輸出端，連接激光器正端和過壓保護裝置中第三電阻R3的另一端；

第四可調(diào)電流源I4，一端與第三PMOS管M3源極連接，另一端連接第一電源VDD。

上述的一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，其中：

通過對第二可調(diào)電流源I2與第四可調(diào)電流源I4和第一可調(diào)電流源I1成比例設(shè)計，以適應(yīng)不同的激光器的偏置電流I_BIAS和調(diào)制電流I_MOD。

上述的一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，其中：

所述的高阻抗模塊的實現(xiàn)形式有由單晶硅電阻或N阱電阻或擴散電阻構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)。

上述的一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，其中：

所述的失調(diào)電壓產(chǎn)生器通過負(fù)反饋環(huán)路或通過通過電流注入在電阻上或通過電流源注入到二極管連接的晶體管來實現(xiàn)。

上述的一種用于CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護裝置，其中：

所述的激光驅(qū)動器為深亞微米CMOS激光驅(qū)動器。

一種CMOS激光驅(qū)動器的過壓保護方法，其中：

S1：高阻抗模塊從激光驅(qū)動器的輸出端采樣，得到采樣電壓；

S2：失調(diào)電壓產(chǎn)生器根據(jù)所述采樣電壓得出失調(diào)電壓；

S3：加法器將所述采樣電壓與所述失調(diào)電壓相加，得到過壓保護控制電壓；

S4：過壓保護裝置將電壓范圍受控的過壓保護控制電壓輸出給激光驅(qū)動器，由激光驅(qū)動器的輸出驅(qū)動激光器。

采用本發(fā)明所述裝置能得到如下有益效果：

1)根據(jù)輸出端采樣信號調(diào)節(jié)第三PMOS管M3的源端電壓來適應(yīng)不同型號、不同溫度條件下的垂直腔面發(fā)射激光器。

2)第四PMOS管M4采用二極管連接方式對第三PMOS管M3進行偏置來跟隨PVT變化。

3)第二可調(diào)電流源I2分別與第四可調(diào)電流源I4、第一可調(diào)電流源I1成比例設(shè)計，以適應(yīng)不同的激光驅(qū)動器偏置電流和調(diào)制電流。也可以調(diào)節(jié)第三可調(diào)電流源I3以針對不同激光器輸出不同的I_MOD電流和不同激光器的等效導(dǎo)通電阻，以優(yōu)化第三PMOS管M3的V_ds。

附圖說明

圖1是激光驅(qū)動器過壓保護裝置原理框圖。

圖2是激光驅(qū)動器過壓保護裝置的一個具體實施圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。

如圖1所示，激光驅(qū)動器的輸出端提供激光器合適的驅(qū)動電流；過壓保護裝置從激光驅(qū)動器的輸出端采樣，根據(jù)此采樣信號調(diào)整其輸出端電壓，其輸出端連接到激光驅(qū)動器的輸入端，以保證電壓范圍在激光驅(qū)動器的可承受范圍內(nèi)；

該過壓保護裝置帶寬小于100kHz，保證高速信號通路不受影響，具體包含：

高阻抗模塊12，其輸入端連接激光驅(qū)動器的輸出端，高阻抗模塊12從激光驅(qū)動器輸出端提取采樣電壓，用高阻抗模塊對輸出采樣可以避免對激光驅(qū)動器產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，從而避免降低激光器輸出帶寬；

失調(diào)電壓產(chǎn)生器11，其輸入端連接高阻抗模塊12的輸出端，失調(diào)電壓產(chǎn)生器11根據(jù)所述高阻抗模塊12輸出的采樣電壓設(shè)置失調(diào)電壓；

加法器13，兩個輸入端分別連接高阻抗模塊12的輸出端以及失調(diào)電壓產(chǎn)生器11的輸出端，加法器13將所述高阻抗模塊12輸出的采樣電壓和失調(diào)電壓產(chǎn)生器11輸出的失調(diào)電壓進行處理得到過壓保護裝置的輸出電壓，為激光驅(qū)動器提供偏置電壓，本實施例中是為激光驅(qū)動器的中第三PMOS管M3提供偏置電壓。

激光器驅(qū)動器輸出端電流范圍為：

其中I_BIAS為激光器的偏置電流，I_MOD為激光器的調(diào)制電流，I_output在激光器上產(chǎn)生I_MOD×R_vcsel的電壓擺幅，其中I_MOD一般為6～10mA，R_vcsel為激光器的等效導(dǎo)通電阻，一般為70～80Ω，則I_MOD×R_vcsel的最大值可達800mV。

如圖2所示，過壓保護裝置包含：

第四PMOS管M4，采用二極管連接方式，其漏極和柵極短接，柵極連接到激光驅(qū)動器的輸入端；

第二可調(diào)電流源I2，一端連接公共地，另一端連接第四PMOS管M4的漏極；

第五PMOS管M5，源極連接第一電源VDD，漏極連接第四PMOS管M4的源極；

第二電阻R2，一端連接第五PMOS管M5的漏極；

第三電流源I3，一端連接公共地，另一端連接第二電阻R2的另一端；

放大器A1，輸出端連接第五PMOS管M5的柵極，同相輸入端連接第二電阻R2的另一端；

第三電阻R3，一端連接放大器A1的反相輸入端，另一端連接激光驅(qū)動器的輸出端。

激光驅(qū)動器包含：

第一可調(diào)電流源I1，一端連接公共地；

第一NMOS管M1，柵極連接第二電源VINP，源極連接第一可調(diào)電流源I1另一端；

第二NMOS管M2，柵極連接第三電源VINN，源極連接第一可調(diào)電流源I1另一端；

第一電阻R1，一端連接第一NMOS管M1的漏極，另一端連接第一電源VDD；

第三PMOS管M3，柵極為激光驅(qū)動器的輸入端，與過壓保護裝置中第四PMOS管M4的柵極連接，漏極連接第二NMOS管M2漏極，并引出輸出端，連接激光器正端和過壓保護裝置中第三電阻R3的另一端，通過調(diào)節(jié)第三PMOS管M3的柵極電壓達到調(diào)節(jié)第三PMOS管M3漏源電壓的目的，從而實現(xiàn)過壓保護的功能；

第四可調(diào)電流源I4，一端與第三PMOS管M3源極連接，另一端連接第一電源VDD。

在40nm深亞微米CMOS工藝的前提下，第三PMOS管M3的漏源電壓V_ds<0.9V。而第三PMOS管M3的漏極為激光驅(qū)動器的輸出端，與激光器連接。如上所述，激光器的電壓擺幅最大可達800mV，與第三PMOS管M3可承受的最大漏源電壓接近，因此第三PMOS管M3的漏源電壓易發(fā)生過壓現(xiàn)象。需要將第三PMOS管M3的源極偏置電壓設(shè)置在合適的范圍內(nèi)，使得第三PMOS管M3的漏源電壓V_ds最大不超過0.9V，即可達到本發(fā)明的目的，如下式所示：

V_s,M3-V_d,M3≤0.9 (2)

其中，V_s,M3為第三PMOS管M3的源極電壓，V_d,M3為第三PMOS管M3的漏極電壓，亦即激光驅(qū)動器的輸出電壓output，其為：

V_d,M3＝V_th+I_output×R_vcsel (3)

其中，V_d,M3,avrg為第三PMOS管M3的平均漏極電壓，V_th為激光器開啟電壓，I_output為第三PMOS管M3的漏極輸出電流，R_vcsel為激光器等效導(dǎo)通電阻。

根據(jù)上文所述公式(1)可知，I_output的最小值為代入式(3)，則：

根據(jù)上文所述公式(1)還可知，I_output的平均值為I_BIAS，代入式(3)，則：

V_{d,M3，avrg}＝V_th+I_BIAS×R_vcsel (5)

不同型號、不同工藝、不同溫度情況下，激光器的開啟電壓，導(dǎo)通電阻，偏置電流和調(diào)制電流都會略有不同，因此需要反饋環(huán)路對此進行監(jiān)控。如圖2所示，激光器陽極通過第三電阻R3接到放大器A1反向輸入端，放大器A1同相輸入端與第五PMOS管M5、第二電阻R2和第三電流源I3構(gòu)成環(huán)路，并通過二極管連接的第四PMOS管M4給第三PMOS管M3提供偏置電壓以達到跟隨PVT變化的目的。在恒定電流下，MOS管的柵源電壓不變，此處調(diào)節(jié)第三PMOS管M3的柵極電壓可以控制第三PMOS管M3的源端電壓。

第四PMOS管M4采用二極管連接，提供第三PMOS管M3的偏置電壓，所以第四PMOS管M4的柵源電壓等于第三PMOS管M3的柵源電壓。則式：

V_s,M3-V_d,M3,avrg＝I3×R2-V_sg,M4+V_sg,M3

可簡化為：

V_s,M3-V_d,M3,avrg＝I3×R2 (6)

由于過壓保護裝置的環(huán)路帶小于100kHz，而激光器的工作頻率范圍是10G-25G，作為過壓保護裝置，本發(fā)明考慮了第三PMOS管M3瞬態(tài)時的漏源電壓的變化量。所以需考慮激光器上產(chǎn)生的最低電壓值V_d,M3,min。因此再綜合式(2)、式(4)與式(6)，可得到：

V_dsat,M3<I3×R2+V_d,M3,avrg-V_d,M3,min≤0.9

簡化后可得

其中，V_dsat,M3為第三PMOS管M3的過驅(qū)動電壓。

由式(7)可知，合理設(shè)置第二電阻R2的阻值可以提高激光驅(qū)動器性能并且令第三PMOS管M3恒定在安全漏源電壓范圍內(nèi)。第三PMOS管M3和第四PMOS管M4選取相同的溝道長度，溝道寬度成比例的晶體管，使V_sg,M3和V_sg,M4相互抵消。

如圖2所示，可調(diào)電流源I1提供激光器的調(diào)制電流I_MOD；可調(diào)電流源I4提供激光器的最大工作電流，其值為通過對可調(diào)電流源I2與可調(diào)電流源I4和可調(diào)電流源I1成比例設(shè)計，以適應(yīng)不同的激光驅(qū)動器的偏置電流和調(diào)制電流，在激光驅(qū)動器輸出不同的偏置電流和調(diào)制電流時保持V_sg,M3＝V_sg,M4，同時節(jié)省了大量功耗，確保PMOS管M3的漏源電壓在不同的輸出電流時保持恒定并處于安全范圍內(nèi)。

高阻抗模塊的實現(xiàn)形式有由單晶硅(poly)電阻或N阱(NWELL)電阻或擴散(diffusion)電阻構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)。

失調(diào)電壓產(chǎn)生器，可通過負(fù)反饋環(huán)路或通過通過電流注入在電阻上(I×R)或通過電流源注入到二極管連接的晶體管來實現(xiàn)，或三種方法結(jié)合使用。

本發(fā)明所述的一種CMOS激光驅(qū)動器的過壓裝置，其工作過程如下：

S1：高阻抗模塊從激光驅(qū)動器的輸出端采樣，得到采樣電壓；

S2：失調(diào)電壓產(chǎn)生器根據(jù)所述采樣電壓得出失調(diào)電壓；

S3：加法器將所述采樣電壓與所述失調(diào)電壓相加，得到過壓保護控制電壓；

S4：過壓保護裝置將電壓范圍受控的過壓保護控制電壓輸出給激光驅(qū)動器，由激光驅(qū)動器的輸出驅(qū)動激光器。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。