具有非线性补偿功能的驱动电路及其控制方法、信号发射机

本发明涉及信号发射机的驱动电路，具体涉及一种具有非线性补偿功能的驱动电路及其控制方法、信号发射机。

背景技术：

1、随着数据中心、人工智能和5g/6g通信技术的飞速发展，高速信号传输系统的数据传输速率已向200gbps乃至更高演进。在高速信号传输链路中，驱动电路作为信号发射的核心模块，其性能直接决定了信号传输质量。然而，驱动电路所驱动的负载（如光学调制器、传输线、电学信道等）往往存在固有非线性特性，导致输出信号产生非线性失真。

2、以光学调制器为例，微环调制器的电光传输函数呈洛伦兹型，在pam4等多电平调制中，驱动电压与输出光功率之间呈现非线性关系，导致光眼图的四个电平间隔不均，严重恶化误码率。又如，在电学传输线中，趋肤效应和介质损耗也会引入非线性失真，影响信号完整性。

3、目前，通常采用电域前馈均衡（ffe）或数字预失真来补偿非线性，但这类方法需要复杂的数字处理电路，功耗高、面积大，且对高速率下相位失真的补偿能力有限。此外，传统驱动电路多采用对称输出结构，无法主动与负载的非线性形成互补，补偿效果有限。另一种方案是加入闭环控制模块动态锁定工作点，但该方案会引入巨大的功耗开销，以及数字和模拟芯片的面积开销。因此，亟需一种能够主动产生非对称波形、与负载非线性形成互补的驱动电路结构，在保持高带宽的同时有效补偿非线性，提高信号传输质量。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有驱动电路难以主动补偿负载带来的非线性失真，或者功耗和面积开销较大的技术问题，而提供一种具有非线性补偿功能的驱动电路及其控制方法、信号发射机。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种具有非线性补偿功能的驱动电路，其特殊之处在于：包括第一驱动支路，第一驱动支路包括输入级、共源共栅输出级和独立偏置调节单元；

4、所述输入级包括p型晶体管tip和n型晶体管tin，共源共栅输出级包括p型共源共栅管tcp和n型共源共栅管tcn；

5、所述p型晶体管tip的栅极与n型晶体管tin的栅极连接后共同作为信号输入端，用于连接输入信号；

6、所述p型晶体管tip的源极连接参考电压vdd，漏极连接p型共源共栅管tcp的源极，p型共源共栅管tcp的栅极连接独立偏置调节单元的第一输出端；

7、所述n型晶体管tin的源极通过尾电流源偏置接地，漏极连接n型共源共栅管tcn的源极；n型共源共栅管tcn的栅极连接独立偏置调节单元的第二输出端，漏极连接p型共源共栅管tcp的漏极后作为驱动信号输出端，用于连接负载；

8、所述独立偏置调节单元用于通过独立调节输出至p型共源共栅管tcp和n型共源共栅管tcn的栅极偏置电压，使驱动信号的波形呈现非对称性，以补偿负载或信道的非线性失真。

9、进一步地，第一驱动支路还包括保护晶体管单元，保护晶体管单元包括n型晶体管tpn和p型晶体管tpp；

10、所述n型晶体管tpn的栅极连接p型晶体管tip的栅极，源极连接独立偏置调节单元的第一输出端，漏极连接p型共源共栅管tcp的源极；

11、所述p型晶体管tpp的栅极连接n型晶体管tin的栅极，源极连接独立偏置调节单元的第二输出端，漏极连接n型共源共栅管tcn的源极。

12、进一步地，所述独立偏置调节单元包括相互独立的偏置电压源vbh和偏置电压源vbl；

13、所述偏置电压源vbh的输出端连接所述p型共源共栅管tcp的栅极，用于向p型共源共栅管tcp提供可独立调节的栅极偏置电压；

14、所述偏置电压源vbl的输出端连接所述n型共源共栅管tcn的栅极，用于向n型共源共栅管tcn提供可独立调节的栅极偏置电压。

15、进一步地，还包括与第一驱动支路结构相同的第二驱动支路，第一驱动支路和第二驱动支路构成差分拓扑结构，第一驱动支路和第二驱动支路的信号输入端用于输入差分信号，驱动信号输出端分别连接负载的两端。

16、进一步地，在采用差分结构时，还包括阻抗匹配单元，阻抗匹配单元包括阻抗匹配电阻rt、t型线圈电感峰化网络t-coil1和t型线圈电感峰化网络t-coil2；

17、所述阻抗匹配电阻rt的两端分别连接t型线圈电感峰化网络t-coil1、t型线圈电感峰化网络t-coil2的一端；t型线圈电感峰化网络t-coil1、t型线圈电感峰化网络t-coil2的中间抽头端分别连接所述第一驱动支路、第二驱动支路中p型共源共栅管tcp的漏极，另一端分别作为第一驱动支路、第二驱动支路的驱动信号输出端。

18、本发明还提供一种上述具有非线性补偿功能的驱动电路的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

19、s1、获取负载的非线性特性，确定负载的非线性失真模式；

20、s2、根据负载的非线性失真模式，分别调节独立偏置调节单元输出至p型共源共栅管tcp和n型共源共栅管tcn的栅极偏置电压，使驱动电路输出具有非对称波形的驱动信号；

21、s3、将驱动信号施加于负载，利用驱动信号与负载固有非线性的互补效应，补偿负载的非线性失真。

22、进一步地，s2中，若负载的非线性失真模式为低电平饱和型非线性，则将独立偏置调节单元输出至p型共源共栅管tcp的栅极偏置电压下调，独立偏置调节单元输出至n型共源共栅管tcn的栅极偏置电压维持不变，使驱动信号的低电平区域被主动压缩，形成低电平压缩模式；

23、若负载的非线性失真模式为高电平饱和型非线性，则将独立偏置调节单元输出至p型共源共栅管tcp的栅极偏置电压上调，独立偏置调节单元输出至n型共源共栅管tcn的栅极偏置电压维持不变，使驱动信号的高电平区域被主动压缩，形成高电平压缩模式。

24、进一步地，所述具有非线性补偿功能的驱动电路还包括第二驱动支路，s2中，第一驱动支路和第二驱动支路采用差异化配置，即，第一驱动支路采用高电平压缩模式时，第二驱动支路采用低电平压缩模式；第一驱动支路采用低电平压缩模式时，第二驱动支路采用高电平压缩模式。

25、进一步地，还包括s4：

26、s4、通过检测负载输出端的信号特性，闭环调节独立偏置调节单元输出至p型共源共栅管tcp和n型共源共栅管tcn的栅极偏置电压，直至获得均匀的负载输出端信号。

27、本发明还提供一种信号发射机，包括依次连接的输入匹配网络、可变增益放大器、连续时间线性均衡器、输出驱动级和输出网络，所述输入匹配网络的输入端用于连接输入信号，输出网络的输出端用于连接负载；其特殊之处在于：

28、所述输出驱动级为上述具有非线性补偿功能的驱动电路；

29、所述非线性补偿功能的驱动电路包括第一驱动支路时，输出网络包括并联的交流耦合电容cc和旁路开关sw，交流耦合电容cc和旁路开关sw的一端分别连接p型共源共栅管tcp的漏极，另一端分别用于连接负载，旁路开关sw用于在驱动电阻性负载时短接所述交流耦合电容cc；相应地，非线性补偿功能的驱动电路采用差分结构时，输出网络也采用差分结构，两个支路均采用上述结构。

30、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

31、1、本发明提供的具有非线性补偿功能的驱动电路，通过独立调节p型共源共栅管和n型共源共栅管的栅极偏置电压，驱动电路可主动产生与负载非线性互补的非对称波形，显著降低负载输出信号的失真度，改善信号质量；

32、2、本发明提供的具有非线性补偿功能的驱动电路，通过纯模拟电路实现非线性补偿，仅需对p型共源共栅管和n型共源共栅管提供独立调节的栅极偏置电压，不引入数字预失真或闭环控制电路，结构简洁，功耗和面积开销小，有利于实现高速率信号发射机；

33、3、本发明提供的具有非线性补偿功能的驱动电路，采用保护晶体管单元，确保了p型共源共栅管和n型共源共栅管在非对称偏置下仍工作在安全电压范围内，提高了电路可靠性；

34、4、本发明提供的具有非线性补偿功能的驱动电路，控制方法灵活，根据不同负载的非线性特性选择相应模式，具有普适性，可适用于光学调制器、电学信道、传输线等多种非线性负载的固有或电学信道的非线性失真；

35、5、本发明提供的信号发射机，输出网络集成旁路开关，使驱动电路既可驱动高阻容性负载，又可直接驱动电阻性负载进行电学测试，兼容多种应用场景。