專利名稱：矢量和相移器、光收發(fā)機以及控制電路校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用控制電路和用于調(diào)整信號振幅的可變增益放大器或四象限 乘法器來任意改變輸入信號的相位并且輸出該信號的矢量和相移器，一種使用矢量和相移 器來調(diào)整NRZ-RZ轉(zhuǎn)換的時鐘時序的光收發(fā)機，以及一種將控制信號輸出至諸如可變增益 放大器或四象限乘法器之類的裝置的控制電路。
背景技術(shù)：
圖41是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的矢量和相移器的布置的框圖。圖42A至42D是在 平面上繪制的圖41所示矢量和相移器的相應(yīng)部分的信號的星座圖。傳統(tǒng)矢量和相移器包括90°相移器1000、兩個符號反相器10011和1001Q、兩個 可變增益放大器10021和1002Q、組合器1003、以及控制電路1004。在參考文獻Kwang-Jin Koh等人的"0. 13-μ m CMOS Phase Shifters for X-, Ku-, and K-Band Phased Arrays “， IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol. 42，ηο· 11，Νον· 2007，pp. 2535-2546 中公開 了這種矢量和相移器。以下描述圖41所示的矢量和相移器的操作，假定輸入信號VIN是理想正弦信號。 圖42A示出了輸入信號VIN。90°相移器1000接收輸入信號VIN，并且輸出有90°相位差 的同相信號VINI和正交信號VINQ。如圖42B所示在沿著橫坐標(biāo)繪制的同相分量(I)和沿 著縱坐標(biāo)繪制的正交分量⑴)的星座圖上，同相信號VINI可以僅由同相分量(I)表示，正 交信號VINQ可以僅由正交分量(Q)表示。如果將兩個信號VINI和VINQ相組合，則可以獲 得與圖42B中點220(角度45°和振幅2"2)相對應(yīng)的信號。將同相信號VINI和正交信號VINQ分別輸入至符號反相器10011和1001Q對。，符 號反相器10011和1001Q基于控制信號SI和SQ的電平分別在直接輸出輸入信號和在反轉(zhuǎn) 電壓符號之后輸出信號之間進行切換。如圖42C所示，在星座圖上，輸出同相信號vmi作 為與同相分量(I)相對應(yīng)的信號和通過將同相分量(I)旋轉(zhuǎn)180°而獲得的信號之一，并且 輸出正交信號VINQ作為與正交分量(Q)相對應(yīng)的信號和通過將正交分量(Q)旋轉(zhuǎn)180°而 獲得的信號之一。如果將兩個信號VINI和VINQ相組合，則可獲得與圖42C中點221、222、 223和224(角度45°、135°、225°或315°和振幅2"2)之一相對應(yīng)的信號。為了獲得更精細(xì)的相移角，將來自符號反相器10011和1001Q對的輸出信號分別 輸入至可變增益放大器10021和1002Q對?？勺冊鲆娣糯笃?0021和1002Q分別基于控制 信號DAI和DAQ的電平改變增益，并且因此改變輸入信號的振幅并輸出這些信號。組合器 1003將從可變增益放大器10021和1002Q對輸出的同相信號VXI和正交信號V)(Q進行矢量 組合，并且向外部輸出組合的信號作為相移器輸出V0UT。例如，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為1，并且將正交信號側(cè)上的增益設(shè)置為0 時，可以獲得與圖42D的星座圖中點225(角度0°和振幅1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出 VOUT0類似地，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為cos (22. 5° ) 0.92，并且將正交信號側(cè) 上的增益設(shè)置為sin(22. 5° ) 0.38時，可以獲得與圖42D中點226(角度22. 5°和振幅(0. 922+0. 382) 172 = 1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出V0UT。當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置 為COS(45° ) 0.71，并且將正交信號側(cè)上的增益設(shè)置為sin(45° ) 0.71時，可以獲得 與圖42D中點227(角度45°和振幅(0. 712+0. 712)1/2 = 1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出 VOUT0上述三個設(shè)定示例是第一象限(0°至90° )中的操作示例?？刂品柗聪嗥?10011和1001Q對允許獲得在四個象限(0°至360° )內(nèi)具有任意相位和振幅1 (常數(shù)，與 相位無關(guān))的信號。即，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為cos(6)，并且將正交信號側(cè)上的 增益設(shè)置為時8 ι(Φ)，可以獲得具有角度φ和振幅1的信號作為相移器輸出V0UT。對于上述矢量和相移器的操作，控制電路1004接收要輸出的包含相位Φ信息的 數(shù)字信號DGTL，并且產(chǎn)生針對符號反相器10011和1001Q對的控制信號SI和SQ以及針對 可變增益放大器10021和1002Q對的控制信號DAI和DAQ?？刂齐娐?004包括數(shù)字信號 處理電路(DSP) 1005，計算cos和sin (或參考存儲器)來產(chǎn)生控制信號；編碼器1006，將 DSP1005所產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成特定控制信號Si、SQ、DAI和DAQ ；以及多個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換 器(DAC) 10071和1007Q，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)DAI和DAQ轉(zhuǎn)換成模擬信號，以控制可變增益放大器 10021 和 1002Q。注意，可以通過四象限乘法器(例如，Gilbert cells)(日本專利未決公開 No. 2004-3M46和日本專利No. 3063093))來實現(xiàn)與符號反相器10011和1001Q和可變增益 放大器10021和1002Q的組合的功能相同的功能。圖43示出了這種情況下矢量和相移器 的布置。圖43中的矢量和相移器包括90°相移器、兩個四象限乘法器20011和2001Q、組 合器2002以及控制電路2003。90°相移器2000的操作與90°相移器1000的操作相同。從90°相移器2000輸 出的同相信號VINI和正交信號VINQ由圖42B的星座圖表示。四象限乘法器20011和2001Q基于控制信號CI和CQ的符號和電平改變輸出的符 號和增益，并因此分別改變同相信號VINI和正交信號VINQ的振幅，并且輸出它們。組合器2002將從四象限乘法器20011和2001Q對輸出的同相信號VXI和正交信 號VXQ進行矢量組合，并且向外部輸出組合的信號作為相移器輸出V0UT。相移器輸出VOUT 由圖42D的星座圖表示?？刂齐娐?003接收要輸出的包含相位Φ的信息的數(shù)字信號DGTL，并且產(chǎn)生針對 四象限乘法器20011和2001Q對的控制信號CI和CQ?？刂齐娐?003包括DSP2004、編碼 器2005以及DAC 20061和2006Q。在圖43所示的布置中，需要使用不同模擬輸出類型的 DAC作為控制電路2003中的DAC2006I和2006Q。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題傳統(tǒng)矢量和相移器使用包括大規(guī)模數(shù)字電路和DAC的控制電路。這增加了電路規(guī) 模和功耗。電路規(guī)模和功耗的這種增加導(dǎo)致包括矢量和相移器的光通信收發(fā)機的尺寸和成 本的增加。此外，傳統(tǒng)矢量和相移器的控制波段(相位控制的最大速度)受限于控制電路的 波段。出于該原因，當(dāng)矢量和相移器用于光通信收發(fā)機中的NRZ(不回到零)-RZ(回到零)轉(zhuǎn)換時，不能使針對由于環(huán)境變化的干擾(電源電壓等變化)所引起的相位變化的抵抗足 夠高。這不能夠在反饋控制NRZ-RZ轉(zhuǎn)換的相位位置時實行足夠高的控制波段。控制波段的上述問題可以通過移除傳統(tǒng)矢量和相移器的控制電路并且直接從外 部提供可變增益放大器的控制信號DAI和DAQ之一(或控制信號CI和CQ之一)的模擬電 平(電壓或電流)來解決。然而，在該方法中，可變相位Φ受限于0°至180°的范圍，并 且輸出振幅主要根據(jù)相位(例如，當(dāng)CQ固定為0. 5，并且CI從-1變化到1時，則輸出振幅 在最大值(5"2)/2與最小值1/2之間變化)而改變。本發(fā)明的目的是提供一種控制電路，無需使用數(shù)字電路和DAC來產(chǎn)生控制信號， 并且提供一種矢量和相移器，解決傳統(tǒng)技術(shù)的問題并且同時實現(xiàn)小電路規(guī)模、低功耗、寬控 制波段、寬相移范圍以及輸出振幅變化的抑制。解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明的矢量和相移器包括90°相移器，根據(jù)輸入信號產(chǎn)生同相信號和與 該同相信號具有90°相位差的正交信號；第一四象限乘法器，基于同相信號側(cè)上的第一控 制信號改變同相信號的振幅，并且輸出同相信號；第二四象限乘法器，基于正交信號側(cè)上的 第二控制信號改變正交信號的振幅，并且輸出正交信號；組合器，將從第一四象限乘法器輸 出的同相信號與從第二四象限乘法器輸出的正交信號相組合，并且輸出組合的信號；以及 控制電路，輸出第一控制信號和第二控制信號，其中，控制電路包括電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考 電壓；以及差分放大器，輸出參考電壓與外部輸入控制電壓之間的差信號作為第一控制信 號和第二控制信號之一，并且當(dāng)控制電壓接近參考電壓時，差分放大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn) 換成第一控制信號和第二控制信號之一(類似于正弦波和余弦波之一)的模擬操作。根據(jù)本發(fā)明的一種光收發(fā)機包括激光器，輸出連續(xù)光；串行器，輸出要輸出的串 行數(shù)據(jù)并輸出時鐘；第一馬赫-澤德調(diào)制器，對從激光器輸入的連續(xù)光進行相位或振幅調(diào) 制，并且輸出NRZ信號光；第一調(diào)制器驅(qū)動器，基于串行數(shù)據(jù)驅(qū)動第一馬赫-澤德調(diào)制器并 且輸出RZ信號光；第二馬赫-澤德調(diào)制器對從第一馬赫-澤德調(diào)制器輸入的NRZ信號光 進行振幅調(diào)制，并且輸出RZ信號光；矢量和相移器，接收時鐘；第二調(diào)制器驅(qū)動器，基于矢 量和相移器所相位調(diào)整的時鐘，驅(qū)動第二馬赫-澤德調(diào)制器；以及相位控制電路，輸出與矢 量和相移器的相移量相對應(yīng)的控制電壓，其中，矢量和相移器包括90°相移器，根據(jù)時鐘 產(chǎn)生同相信號和與該同相信號具有90°相位差的正交信號；第一四象限乘法器，基于同相 信號側(cè)上的第一控制信號改變同相信號的振幅，并且輸出同相信號；第二四象限乘法器，基 于正交信號側(cè)上的第二控制信號改變正交信號的振幅，并且輸出正交信號；組合器，將從第 一四象限乘法器輸出的同相信號與從第二四象限乘法器輸出的正交信號相組合，并且輸出 組合的信號作為相位調(diào)整的時鐘；以及控制電路，輸出第一控制信號和第二控制信號，控制 電路包括電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器，輸出控制電壓與參考電壓之間的 差信號作為第一控制信號和第二控制信號之一，并且當(dāng)控制電壓接近參考電壓時，差分放 大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn)換成第一控制信號和第二控制信號之一(類似于正弦波和余弦波 之一)的模擬操作。根據(jù)本發(fā)明的一種控制電路包括電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器， 輸出參考電壓與外部輸入控制電壓之間的差信號作為控制信號，其中，當(dāng)控制電壓接近參 考電壓時，差分放大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn)換成控制信號(類似于正弦波和余弦波之一)的模擬操作。本發(fā)明的效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種控制電路，使用模擬差分放大器，即使用差 分放大器的輸出特性(類似于正弦波或余弦波)，而不是數(shù)字電路和DAC來產(chǎn)生四象限乘 法器的控制信號。因此，將本發(fā)明的控制電路應(yīng)用于矢量和相移器使得能夠提供一種矢量 和相移器，同時實現(xiàn)小電路規(guī)模、低功耗、寬控制波段、寬相移范圍、以及輸出振幅變化的抑 制。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的矢量和相移器的布置的框圖；圖2A至2C是在平面上繪制的圖1所示矢量和相移器的相應(yīng)部分的信號的星座 圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的90°相移器布置的示例的框圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的四象限乘法器布置的示例的框圖；圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的組合器布置的示例的框圖；圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖7A至7C是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的差分放大器的電路布置和操作的圖 示，差分放大器是差分放大器對的組成元件；圖8A至圖8C是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的差分放大器對的電路布置和操作 的圖示；圖9A至9C是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的差分放大器對的輸入/輸出特性的 圖；圖IOA至IOC是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的控制電路的輸入/輸出特性以及 理想輸入/輸出特性的圖；圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的差分放大器的差信號與理想正弦波的偏 差的平方的圖；圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的控制電路的詳細(xì)實現(xiàn)示例的框圖；圖13是示出了圖12中同相信號側(cè)上的差分放大器對和差分放大器的布置示例的 電路圖；圖14是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的控制電路的輸入/輸出特性的圖；圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的矢量和相移器的控制電壓與輸出信號的 相移量之間的關(guān)系的圖；圖16是示出了使用圖12和13所示布置作為差分放大器布置的晶體管模型上控 制電路的輸出信號的輸入/輸出特性的仿真結(jié)果的圖；圖17A和17B是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的差分放大器的另一電路布置和操 作的圖示，差分放大器是差分放大器對的組成元件；圖18是示出了圖12中同相信號側(cè)上差分放大器對和差分放大器的布置的另一示 例的電路圖；圖19是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的控制電路的詳細(xì)實現(xiàn)示例的框圖20是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的矢量和相移器的控制電路的布置的框 圖；圖21是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的控制電路的詳細(xì)實現(xiàn)示例的框圖；圖22是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的控制電路的輸入/輸出特性的圖；圖23是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的矢量和相移器的控制電壓與輸出信號的 相移量之間關(guān)系的圖；圖M是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光收發(fā)機布置的框圖；圖25是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的90°相移器布置的電路圖；圖沈是示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的90°相移器布置的電路圖；圖27是示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的高增益差分放大器布置的示例的電路 圖；圖觀是示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖四是示出了根據(jù)本發(fā)明第八實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖30是示出了根據(jù)本發(fā)明第九實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖31是示出了根據(jù)本發(fā)明第十實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖32是示出了根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖33是示出了根據(jù)本發(fā)明第十二實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖34是示出了根據(jù)本發(fā)明第十三實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖35是示出了根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖36是示出了使用根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的控制電路的矢量和相移器的控制 電壓與輸出信號的相移量之間關(guān)系的溫度依賴性的圖；圖37是示出了使用根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的控制電路的矢量和相移器的控制 電壓與輸出信號的相移量之間關(guān)系的電源電壓依賴性的圖；圖38是示出了使用根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的控制電路的矢量和相移器的控制 電壓與輸出振幅之間關(guān)系的圖；圖39是示出了根據(jù)本發(fā)明第十五實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖40是示出了根據(jù)本發(fā)明第十六實施例的控制電路布置的示例的框圖；圖41是示出了傳統(tǒng)矢量和相移器的布置的框圖；圖42A至42D是在平面上繪制的圖41所示矢量和相移器的相應(yīng)部分的信號的星 座圖；圖43是示出了傳統(tǒng)矢量和相移器的另一布置的框圖。
具體實施例方式[第一實施例]現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的實施例。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的矢量 和相移器的布置的框圖。圖2A至2C是在平面上繪制的圖1所示矢量和相移器的相應(yīng)部分 的信號的星座圖。圖1中的矢量和相移器包括90°相移器、兩個四象限乘法器21和2Q、組合器3以 及控制電路4。
以下說明圖1中矢量和相移器的操作，假定輸入信號VIN是理想正弦波。圖2A示 出了輸入信號VIN。90°相移器1接收輸入信號VIN，并且輸出具有90°相位差的同相信號VINI和正 交信號VINQ。如圖2B所示，在沿著橫坐標(biāo)繪制的同相分量(I)和沿著縱坐標(biāo)繪制的正交 分量(Q)的星座圖上，同相信號VINI可以僅由同相分量(I)表示，正交信號VINQ可以僅由 正交分量(Q)表示。如果將兩個信號VINI和VINQ相組合，則可獲得與圖2B中點20(角度 45°和振幅21勺相對應(yīng)的信號。將同相信號VINI和正交信號VINQ分別輸入到四象限乘法器21和2Q對。每個四 象限乘法器21和2Q具有與符號反相器和可變增益放大器的功能相同的功能。四象限乘法 器21和2Q基于控制信號CI和CQ的符號和電平改變輸出的符號和增益，并因此分別改變 同相信號VINI和正交信號VINQ的振幅，并且輸出它們。組合器3對從四象限乘法器21和 2Q對輸出的同相信號VXI和正交信號VXQ進行矢量組合，并且向外部輸出組合的信號作為 相移器輸出VOUT。例如，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為1，并且將正交信號側(cè)上的增益設(shè)置為0 時，可以獲得與圖2C的星座圖中點21(角度0°和振幅1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出 VOUT0類似地，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為cos (22. 5° ) 0.92，并且將正交信號側(cè) 上的增益設(shè)置為sin(22.5° ) 0.38時，可以獲得與圖2C中點22(角度22.5°和振幅 (0. 922+0. 382) 172 = 1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出V0UT。當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置 為COS(45° ) 0.71，并且將正交信號側(cè)上的增益設(shè)置為sir^45° ) 0.71時，可以獲 得與圖2C中點23(角度45°和振幅(0. 712+0. 712)1/2 = 1)相對應(yīng)的信號作為相移器輸出 VOUT0上述三個設(shè)定示例是第一象限(0°至90° )中的操作示例。改變四象限乘法器 21和2Q對的控制信號CI和CQ的符號允許獲得在四個象限(0°至360° )內(nèi)具有任意相 位的信號。即，當(dāng)將同相信號側(cè)上的增益設(shè)置為cos (Φ)，并且將正交信號側(cè)上的增益設(shè)置 為時8 ι(Φ)，可以獲得具有角度Φ和振幅1的信號作為相移器輸出V0UT。對于上述矢量和相移器的操作，控制電路4接收要輸出的與相位Φ相對應(yīng)(例 如，成比例)的控制電壓VC以及外部參考電壓VRT和VRB，并且產(chǎn)生針對四象限乘法器21 和2Q對的控制信號CI和CQ。從相位控制電路(未示出)輸入控制電壓VC和外部參考電 壓VRT和VRB?？刂齐娐?包括模擬電路，計算cos和sin來產(chǎn)生控制信號CI和CQ。更 具體地，使用電壓發(fā)生器和差分放大器對作為組成元件來實現(xiàn)控制電路4，電壓發(fā)生器產(chǎn)生 多個參考電壓，差分放大器對分別接收控制信號和參考電壓，并且檢測控制信號落在兩個 參考電壓的范圍內(nèi)還是范圍外。以下詳細(xì)描述矢量和相移器的每個元件。圖3是示出了 90°相移器1的布置的示 例的框圖。注意圖3示意了所有信號是差信號并且通過添加欄(adding bar)來區(qū)分補充 信號的示例。90°相移器1包括三個差分放大器100、101和102。在圖3所示布置中，輸入信號 VIN和^分到兩個差分放大器100和101。直接從差分放大器100輸出信號對之一作為同 相信號VINI和—。將另一信號對從差分放大器101輸入到差分放大器102。信號被差分 放大器102延遲并且作為正交信號VINQ和Hi^輸出，正交信號VINQ和^與同相信號VINI和—具有90°相位差。令f (Hz)是輸入頻率，將差分放大器102的延遲時間設(shè)置為1Λ4 · f) sec。例如， 當(dāng)輸入頻率是25GHz時，差分放大器102的延遲時間被設(shè)計為lOpsec。90°相移器1的布置不限于圖3中的布置，并且可以適當(dāng)?shù)貜囊韵赂黜椫羞x擇使 用90°混合電路的布置、使用具有不同地電勢的晶體管對的布置、使用具有不同地電勢的 晶體管對的布置、使用具有不同導(dǎo)線長度的傳輸線對的布置、使用低通濾波器和高通濾波 器對的布置、使用多相濾波器的布置等等。多相濾波器適合作為矢量和相移器的90°相移 器，這是因為其可以容易地使同相信號側(cè)上輸出的振幅與正交輸出側(cè)上輸出的振幅匹配， 并且還在寬帶中實現(xiàn)90°相移操作。備選地，90°相移器可以通過同相功率分配器與90° 相移器的組合來實現(xiàn)，而無需除法功能。圖4是示出了每個四象限乘法器21和2Q的布置的示例的框圖。四象限乘法器21 包括由晶體管200和201形成的差分電路，晶體管200和201具有接收控制信號CI和石 的基極；由晶體管202和203形成的差分電路，晶體管202和203具有接收控制信號CI和 ΞΞ的基極；晶體管204，具有接收同相信號VINI的基極以及連接至晶體管200和201的發(fā) 射極的集電極；晶體管205，具有接收同相信號的基極和連接至晶體管202和203的發(fā) 射極的集電極；電流源206，一端連接至晶體管204和205的發(fā)射極，另一端接收電源電壓 VEE;負(fù)載電阻器207，一端連接至晶體管201和202的集電極，另一端接收電源電壓VCC ；以 及負(fù)載電阻器208，一端連接至晶體管200和203的集電極，另一端接收電源電壓VCC。同 相信號VXI從負(fù)載電阻器207與晶體管201和202的集電極之間的節(jié)點輸出。同相信號^ 從負(fù)載電阻器208與晶體管200和203的集電極之間的節(jié)點輸出。圖4示出了四象限乘法器21的布置。四象限乘法器2Q也具有相同的布置。更具 體地，圖4中的控制信號CI和石由CQ和而來代替。同相信號VINI和—由VINQ和^來 代替。同相信號VXI和^由VXQ和▽元來代替。圖4所示的四象限乘法器21和2Q是被簡單稱作Gilbert cell或調(diào)制器的一般 已知電路。該電路接收同相信號VINI和^石(或者正交信號VINQ和㈣)，將輸入與同相 信號側(cè)上的控制信號CI和石相乘(或者正交信號側(cè)上的控制信號CQ和品相乘)，并且輸出 同相信號側(cè)上的VXI和^ (或者輸出正交信號側(cè)上的VXQ和元石)。四象限乘法器21和2Q的布置不限于圖4中的布置，并且還可以如現(xiàn)有技術(shù)所描 述的通過分離符號反相器和可變增益放大器的功能來實現(xiàn)。盡管在圖4中使用雙極晶體 管，但是也可以使用場效應(yīng)晶體管(FET)。例如，為了提高輸入/輸出的線性度，可以將電阻 器插入至每個晶體管的發(fā)射極。圖5是示出了組合器3的布置的示例的框圖。組合器3包括由晶體管300和301 形成的差分電路，晶體管300和301具有接收同相信號VXI和i的基極；由晶體管302和 303形成的差分電路，晶體管302和303具有接收正交信號VXQ和^的基極；電流源304， 一端連接至晶體管300和301的發(fā)射極，另一端接收電源電壓VEE ；電流源305，一端連接至 晶體管302和303的發(fā)射極，另一端接收電源電壓VEE ；負(fù)載電阻器306，一端連接至晶體 管301和303的集電極，另一端接收電源電壓VCC;以及負(fù)載電阻器307，一端連接至晶體管 300和302的集電極，另一端接收電源電壓VCC。輸出信號VOUT從負(fù)載電阻器306與晶體 管301和303的集電極之間的節(jié)點輸出。輸出信號WUi從負(fù)載電阻器307與晶體管300和302的集電極之間的節(jié)點輸出。組合器3實現(xiàn)對從四象限乘法器21和2Q輸出的同相信號VXI和^與正交信號 MQ和^進行矢量組合的功能。由于這是對彼此正交的兩個信號(同相分量和正交分量) 進行組合，可以簡單將電壓或電流相加。圖5所示電路將同相信號VXI和與正交信號VXQ 和@的電流相加，并且將和轉(zhuǎn)換成電壓，從而獲得輸出信號VOUT和—。組合器3的布置不限于圖5所示的布置，并且例如可以使用Wilkinson類型功率 組合器。圖6是示出了控制電路4的布置的示例的框圖?？刂齐娐?接收要輸出的與相位 Φ相對應(yīng)的控制電壓VC，并且產(chǎn)生針對四象限乘法器21和2Q對的控制信號CI和CQ。為 此，控制電路包括實時地將接收到的控制電壓VC轉(zhuǎn)換成控制信號CI = cos(VC)和CQ = sin(VC)的模擬操作電路。更具體地，控制電路4通過使用電壓發(fā)生器400和差分放大器對 401I、401Q、402I和402Q作為組成元件來實現(xiàn)，電壓發(fā)生器400產(chǎn)生多個參考電壓，差分放 大器對401I、401Q、402I和402Q中的每一個接收控制電壓VC和兩個參考電壓，并且檢測控 制電壓VC落在兩個參考電壓范圍內(nèi)還是范圍外。電壓發(fā)生器400接收兩個外部參考電壓VRT和VRB，并且產(chǎn)生多個參考電壓Vl至 Vioo電壓發(fā)生器400例如可以通過電阻器階梯來實現(xiàn)?；谑噶亢拖嘁破鞯谋匾傁嘁?量Δ φ，參考電壓的必要數(shù)目N(N是2或更大的整數(shù))由以下公式給出N = 4X (Δ φ-90° )/360° +2...(1)在圖6中，將參考電壓的數(shù)目N設(shè)置為10，以實現(xiàn)相移量Δ φ = 810°。每個差分放大器對401I、401Q、402I和402Q接收控制電壓VC和兩個參考電壓Vm 和Vn，并且檢測控制電壓VC落在兩個參考電壓Vm和Vn的范圍內(nèi)還是范圍外。在該實施例 中，差分放大器對401I、401Q、402I和402Q不需要具有簡單檢測控制電壓VC或者兩個參考 電壓范圍內(nèi)/外的兩種狀態(tài)的功能，而是通過模擬操作將接收到的控制電壓VC轉(zhuǎn)換成控制 信號CI = cos (VC)和CQ = sin(VC)的功能。將描述作為差分放大器對401I、401Q、402I 和402Q的組成元件的差分放大器的模擬操作。圖7A至7C是示出了差分放大器的電路布置和操作的圖示。圖7A是差分放大器 的電路圖。圖7B是示出了圖7A中差分放大器的符號的電路圖。圖7C是示出了圖7A中差 分放大器的輸入/輸出特性(VC-CI特性)的圖。如圖7A所示，差分放大器包括晶體管410，具有接收控制電壓VC的基極；晶體管 411，具有接收參考電壓Vm的基極；電流源412，一端連接至晶體管410和411的發(fā)射極，另 一端接收電源電壓VEE ；負(fù)載電阻器413，一端連接至晶體管411的集電極，另一端接收電 源電壓VCC ；以及負(fù)載電阻器414，一端連接至晶體管410的集電極，另一端接收電源電壓 VCC0控制信號CI從負(fù)載電阻器413與晶體管411的集電極之間的節(jié)點輸出。控制信號己 從負(fù)載電阻器414和晶體管410的集電極之間的節(jié)點輸出。該差分放大器由圖7B中的符 號表不。令α是雙極晶體管的基極地的電流放大因子，IEE是電流源412的電流值，RL是 負(fù)載電阻413和414的電阻值，并且VT是常數(shù)(VT = kT/q = ^Mv，其中k是玻爾茲曼常 數(shù)，T是絕對溫度，q是電子電荷)，作為差分放大器的輸出電壓的控制信號CI由以下公式 給出
CI = RL · α · IEE/ (1+exp ((-VC+Vm) /VT))... (2)考慮控制電壓VC的極限值，當(dāng)VC —①時，控制信號CI收斂到VH = RL · α -IEE0 當(dāng)VC — -C 時，控制信號CI收斂到VL = 0。另一方面，當(dāng)控制電壓VC接近參考電壓Vm 時，控制信號CI具有VH與VL之間的中間電平。在該實施例中，將控制電壓VC設(shè)置為接近 參考Vm的值，以使用中間電平，從而通過模擬操作將控制電壓VC轉(zhuǎn)換成類似于cos (VC)的 控制信號Cl。圖7A至7C所示的示例指示用于計算控制信號CI的布置。用于計算控制信 號CQ的布置也是相同的?？梢酝ㄟ^模擬操作將控制電壓VC轉(zhuǎn)換成類似于Sin(VC)的控制 信號CQ。圖8A至8C是示出了差分放大器對4011的電路布置和操作的圖示。圖8A是差分 放大器對4011的電路圖。圖8B是示出了圖8A中差分放大器對4011的符號的電路圖。圖 8C是示出了圖8A中差分放大器對4011的輸入/輸出特性(VC-CI特性)的圖。如圖8A所示，差分放大器對4011包括由晶體管415和416形成的差分電路，晶 體管415和416具有接收控制電壓VC和參考電壓Vm的基極；由晶體管417和418形成的 差分電路，晶體管417和418具有接收控制電壓VC和參考電壓Vn的基極；電流源419，一端 連接至晶體管415和416的發(fā)射極，另一端接收電源電壓VEE ；電流源420，一端連接至晶體 管417和418的發(fā)射極，另一端接收電源電壓VEE ；負(fù)載電阻器421，一端連接至晶體管416 和417的發(fā)射極，另一端接收電源電壓VCC ；以及負(fù)載電阻器422，一端連接至晶體管415和 418的集電極，另一端接收電源電壓VCC。因此差分放大器對4011包括兩個差分放大器。將 控制電壓VC和參考電壓Vm輸入到一個差分放大器。將控制電壓VC和參考電壓Vn輸入到 另一個差分放大器。兩個差分放大器的輸出反相連接?？刂菩盘朇I從負(fù)載電阻器421與晶體管416 和417的集電極之間的節(jié)點輸出?？刂菩盘柺瘡呢?fù)載電阻器422與晶體管415和418的集 電極之間的節(jié)點輸出。該差分放大器由圖8B中的符號表示。注意，輸入可以反相連接，并 且輸出可以同相連接。作為差分放大器對4011的輸出電壓的控制信號CI由以下公式給出CI = RL · α · IEE/ (1+exp ((-VC+Vn) /VT))+RL · α · IEE/(1+exp ((VC-Vm)/VT))...(3)考慮控制電壓VC的極限值，當(dāng)VC —c 時，公式(3)的第一項收斂至VH = RL- α ·ΙΕΕ，并且第二項收斂至VL = 0。因此，控制信號CI收斂至VH = RL · α ·ΙΕΕ。當(dāng) VC — - c 時，公式⑶的第一項收斂至VL = 0，并且第二項收斂到VH = RL · α · IEE。因 此，控制信號CI收斂到VH = RL · α · IEE。另一方面，當(dāng)控制電壓VC接近參考電壓Vm或 參考電壓Vn時，控制信號CI具有VH與VL之間的中間電平。在該實施例中，將控制電壓VC 設(shè)置為接近參考電壓Vm的值到接近參考電壓Vn的值，以使用中間電平。圖9A至9C是示出了差分放大器的輸入/輸出特性(VC-CI特性)的圖。圖9A 是示出了當(dāng)參考電壓Vm與Vn之間的差值遠(yuǎn)大于常數(shù)VT(|Vm-Vn| > > 8VT)時輸入/ 輸出特性的圖。圖9B是示出了當(dāng)參考電壓Vm與Vn之間的差值幾乎是常數(shù)VT的8倍 (I Vm-Vn ^SVT)時輸入/輸出特性的圖。圖9C是示出了當(dāng)參考電壓Vm與Vm之間的差值 遠(yuǎn)小于常數(shù)VT (| Vm-Vn I << 8VT)時輸入/輸出特性的圖。通常，當(dāng)控制電壓VC對應(yīng)于參考電壓Vm與Vn之間的中間電壓時，控制信號CI最小。然而，控制信號CI的行為根據(jù)常數(shù)VT與電壓差(參考電壓Vm與Vn之間的電壓差)之 間的幅度差關(guān)系而改變。如果參考電壓Vm與Vn之間的差遠(yuǎn)大于常數(shù)VT，則如圖9A所示， 控制信號CI在控制電壓VC的寬范圍內(nèi)固定為VL = 0。相反，如果參考電壓Vm與Vn之間 的差遠(yuǎn)小于常數(shù)VT，則如圖9C所示，當(dāng)控制電壓VC對應(yīng)于參考電壓Vm與Vn之間的中間電 壓時控制信號CI最小。然而，控制信號CI的電壓值永遠(yuǎn)不會降低至VL。假定適當(dāng)選擇常數(shù)VT與電壓差(參考電壓Vm和Vn之間的電壓差)之間的關(guān)系 (例如，將參考電壓Vm與Vn之間的電壓差設(shè)置為常數(shù)VT的大約8倍)。在這種情況下，當(dāng) 控制電壓VC對應(yīng)于參考電壓Vm與Vn之間的中間電壓時，控制信號CI降低接近VL = 0，并 且具有類似余弦波形或正弦波形的最小值。如上所述，當(dāng)適當(dāng)選擇常數(shù)VT與電壓差(參考電壓Vm與Vn之間的電壓差)之間 的關(guān)系時，可以使控制信號CI相對于控制信號VC變化的特性類似于COS(VC)或Sin(VC)。 此外，控制信號CI主要相對于控制電壓VC的改變而改變，并且主要受到噪聲的影響。出于 該原因，控制信號CI適合作為控制信號。當(dāng)參考電壓Vm與Vn之間的電壓差小于常數(shù)VT的2倍或者大于常數(shù)VT的12倍 時，控制信號CI具有與余弦波或正弦波的波形不同的波形。為了使控制信號CI具有類似 于正弦波或余弦波的波形，將參考電壓Vm與Vn之間的電壓差設(shè)置在從常數(shù)VT的2倍(包 括2倍)到常數(shù)VT的12倍(包括12倍)的范圍內(nèi)是有效的。本實施例的主要特性特征是使用差分放大器的輸出的偽余弦特性或正弦特性來 控制四象限乘法器。當(dāng)控制電壓VC接近參考電壓Vn (η是整數(shù))之一時，控制電路的輸入/輸出特性 可以由一個差分放大器的傳遞函數(shù)來表示。對具有類似于正弦波或余弦波特性的差分放 大器輸出進行說明。一般差分放大器的差信號的輸入/輸出特性可以用y = tanh(X)的 形式來描述(參考，Paul R.Gray, Robert G. Meyer, " Analysis and design of analog integrated circuits"，John Wiley & Sons，Inc.，1977，pp. 227—231)。據(jù)此，接近 VC 的 差分放大器的差信號Vo的傳遞函數(shù)由以下公式給出[數(shù)學(xué)公式1]
權(quán)利要求
1.一種矢量和相移器，包括90°相移器，根據(jù)輸入信號產(chǎn)生同相信號和與所述同相信號具有90°相位差的正交信號；第一四象限乘法器，基于同相信號側(cè)上的第一控制信號改變同相信號的振幅，并且輸 出同相信號；第二四象限乘法器，基于正交信號側(cè)上的第二控制信號改變正交信號的振幅，并且輸 出正交信號；組合器，將從第一四象限乘法器輸出的同相信號與從第二四象限乘法器輸出的正交信 號相組合，并且輸出組合的信號；以及控制電路，輸出第一控制信號和第二控制信號， 其中，所述控制電路包括 電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器，輸出參考電壓與外部輸入控制電壓之間的差信號作為第一控制信號和第 二控制信號之一，以及當(dāng)控制電壓接近參考電壓時，所述差分放大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn)換成第一控制信號和 第二控制信號之一的模擬操作，所述第一控制信號和第二控制信號之一類似于正弦波和余 弦波之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量和相移器，其中，所述差分放大器包括級聯(lián)的多個差分 放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量和相移器，還包括作為所述差分放大器的第一差分放 大器組和第二差分放大器組，所述第一差分放大器組接收控制電壓和參考電壓并且輸出第 一控制信號，所述第二差分放大器組接收控制電壓和參考電壓并且輸出第二控制信號，所述第一差分放大器組和所述第二差分放大器組中的每一個包括至少一個差分放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量和相移器，其中，所述電壓發(fā)生器通過分壓來產(chǎn)生多個 參考電壓，并且將多個參考電壓中的每一個交替輸入到所述第一差分放大器組和所述第二 差分放大器組。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量和相移器，其中，所述電壓發(fā)生器由分別布置用于每個差分放大器組的第一電阻器階梯和第二電阻器 階梯形成，所述第一電阻器階梯將每個產(chǎn)生的參考電壓僅輸入到所述第一差分放大器組， 所述第二電阻器階梯將每個產(chǎn)生的參考電壓僅輸入到所述第二差分放大器組，以及 當(dāng)交替布置所述第一電阻器階梯所產(chǎn)生的參考電壓和所述第二電阻器階梯所產(chǎn)生的 參考電壓時，參考電壓之間的電壓電平是恒定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量和相移器，其中，所述電壓發(fā)生器產(chǎn)生N(N是不小于2的整數(shù))個參考電壓，以及 包括在所述第一差分放大器組中的差分放大器的數(shù)目與包括在所述第二差分放大器 組中的差分放大器的數(shù)目之和是N。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量和相移器，其中，包括在所述第一差分放大器組中的兩個相鄰差分放大器的輸出反相連接，以及 包括在所述第二差分放大器組中的兩個相鄰差分放大器的輸出反相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量和相移器，其中將交替設(shè)置的參考電壓Vm和參考電壓Vn輸入到包括在所述第一差分放大器組中的兩 個相鄰差分放大器，或者包括在所述第二差分放大器組中的兩個相鄰差分放大器，以及參考電壓Vm與參考電壓Vn之間的電壓差落在從常數(shù)VT = kT/q的2倍到所述常數(shù)的 12倍(包括12倍)的范圍內(nèi)，該范圍包括所述常數(shù)的2倍和12倍，其中k是玻爾茲曼常 數(shù)，T是絕對溫度，以及q是電子電荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量和相移器，其中，所述90°相移器包括多相濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的矢量和相移器，其中，所述90°相移器還包括在所述多相濾 波器的后級處的高增益差分放大器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的矢量和相移器，其中，所述高增益差分放大器包括Cherry Hooper型高增益差分放大器。
12.一種光收發(fā)機，包括 激光器，輸出連續(xù)光；串行器，輸出要輸出的串行數(shù)據(jù)并輸出時鐘；第一馬赫-澤德調(diào)制器，對從所述激光器輸入的連續(xù)光進行相位或振幅調(diào)制，并且輸 出NRZ信號光；第一調(diào)制器驅(qū)動器，基于串行數(shù)據(jù)驅(qū)動所述第一馬赫-澤德調(diào)制器； 第二馬赫-澤德調(diào)制器，對從所述第一馬赫-澤德調(diào)制器輸入的NRZ信號光進行振幅 調(diào)制，并且輸出RZ信號光；矢量和相移器，接收所述時鐘；第二調(diào)制器驅(qū)動器，基于由所述矢量和相移器所相位調(diào)整的時鐘，驅(qū)動所述第二馬 赫-澤德調(diào)制器；以及相位控制電路，輸出與所述矢量和相移器的相移量相對應(yīng)的控制電壓， 其中，矢量和相移器包括90°相移器，根據(jù)時鐘產(chǎn)生同相信號和與所述同相信號具有90°相位差的正交信號； 第一四象限乘法器，基于同相信號側(cè)上的第一控制信號改變同相信號的振幅，并且輸 出同相信號；第二四象限乘法器，基于正交信號側(cè)上的第二控制信號改變正交信號的振幅，并且輸 出正交信號；組合器，將從所述第一四象限乘法器輸出的同相信號與從所述第二四象限乘法器輸出 的正交信號相組合，并且輸出組合的信號作為相位調(diào)整的時鐘；以及 控制電路，輸出第一控制信號和第二控制信號， 所述控制電路包括 電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器，輸出控制電壓與參考電壓之間的差信號作為第一控制信號和第二控制信 號之一，以及當(dāng)控制電壓接近參考電壓時，所述差分放大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn)換成第一控制信號和第二控制信號之一的模擬操作，所述第一控制信號和第二控制信號之一類似于正弦波和余 弦波之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光收發(fā)機，其中，所述相位控制電路產(chǎn)生控制電壓，使得從 所述矢量和相移器輸出的時鐘具有最優(yōu)相位。
14.一種控制電路，將控制信號輸出至用于調(diào)整信號振幅的裝置，包括 電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器，輸出參考電壓與外部輸入控制電壓之間的差信號作為控制信號， 其中，當(dāng)控制電壓接近參考電壓時，所述差分放大器執(zhí)行將控制電壓轉(zhuǎn)換成控制信號 的模擬操作，所述控制信號類似于正弦波和余弦波之一。
全文摘要
一種矢量和相移器，包括90°相移器(1)，根據(jù)輸入信號(VIN)產(chǎn)生同相信號(VINI)和正交信號(VINQ)；四象限乘法器(2I)，基于控制信號(CI)改變同相信號(VINI)的振幅；四象限乘法器(2Q)，基于控制信號(CQ)改變正交信號(VINQ)的振幅；組合器(3)，將同相信號(VINI)與正交信號(VINQ)相組合；以及控制電路(4)?？刂齐娐?4)包括電壓發(fā)生器，產(chǎn)生參考電壓；以及差分放大器，輸出控制電壓(VC)與參考電壓之間的差信號作為控制信號(CI、CQ)。差分放大器執(zhí)行將控制電壓(VC)轉(zhuǎn)換成類似于正弦波或余弦波的控制信號(CI、CQ)的模擬操作。
文檔編號H03H11/20GK102124649SQ200980132010
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者佐野公一, 小野寺清光, 山中祥吾, 村田浩一, 榎木孝知, 野坂秀之, 長谷宗彥 申請人:日本電信電話株式會社