CN103401139A

CN103401139A - 适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路及方法

Info

Publication number: CN103401139A
Application number: CN2013103413228A
Authority: CN
Inventors: 周华
Original assignee: Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan flying Microelectronics Technology Co., Ltd.; Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CN103401139B

Abstract

本发明公开了一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路及方法，涉及激光器领域，该电路包括电源、基准电压、输入的采样电压、运算放大器、滤波电阻、电容、滤波电压、第一电阻、第二电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关。本发明的采样电路通过时序信号和突发使能信号进行控制，对监控二极管的光电流进行采样滤波，将连续模式和突发模式的采样电路合二为一，不管激光器工作在连续模式或突发模式，都能用该套采样电路同时处理，通过不同模式的时序，达到各自采样处理的目的，使连续模式和突发模式这两种模式都能正常工作。

Description

适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路及方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路及方法。

背景技术

激光器包括一个发送数据的LD（Laser Diode，激光二极管）和一个进行功率监测的MD（Monitor Diode，光电二极管）。激光二极管LD的发光需要一个阈值电流I_TH，当提供给激光二极管LD的电流大于或者等于阈值电流I_TH时，激光二极管LD才将电信号转换为光信号，从而进行高速光信号发送。

LDD（Laser Diode Driver，激光二极管驱动器）为激光二极管LD提供驱动电流，上文中描述了激光器的发光特性，提供给激光器的电流需要大于阈值电流I_TH才能发光，所以激光二极管驱动器LDD提供给激光二极管LD的电流有两种，一种是静态偏置电流I_BIAS，另外一种是由一对数据差分信号DINP、DNIN经过放大整形输出到激光器的调制电流I_MOD，这两种电流会同时提供给激光二极管LD。

由于激光二极管LD的光输出特性对温度的依赖性很强，且输出效率随着激光二极管LD的老化而降低。所以激光二极管LD的发光功率与静态偏置电流I_BIAS有很大关系，要使激光器工作在最佳状态，提供给激光二极管LD的静态偏置电流I_BIAS也需要随时进行修正。为了保证激光二极管LD输出光功率的恒定，激光二极管驱动器LDD芯片中都包含着一个APC（Auto Power Control，自动光功率控制）电路。

参见图1所示，激光二极管驱动器LDD芯片中的APC环路由DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）控制，光电二极管MD感应到激光二极管LD发出的光，按照一定的比例关系产生监测电流I_MD，这个监测电流I_MD与激光二极管LD的发光功率成正比例线性关系。监测电流I_MD与温度及老化程度的关系很小，利用光电二极管MD的电阻R_MD采样，将监测电流I_MD转换为采样电压Vmd，为了使比较器CMP输出一个稳定的状态，采样电压Vmd需要经过滤波处理。所以采样电压Vmd后面有一个低通滤波电路，采样电压Vmd经过RC滤波电路之后的电压为滤波电压Vrc。根据激光器对静态偏置电流I_BIAS大小要求的不同，我们会设置不同的基准电压Vref。将滤波电压Vrc和基准电压Vref进行比较，比较器CMP的输出结果直接控制DSP的输出，通过反复采样和比较，控制输出到激光二极管LD的静态偏置电流I_BIAS的大小，最终在APC环路稳定时，比较器CMP两端的滤波电压Vrc和基准电压Vref相等，此时DSP控制的静态偏置电流I_BIAS稳定。

激光器有两种应用场景：连续模式和突发模式。连续模式是：激光器接收数据是连续的、不中断的。突发模式是：突然瞬间发送一批数据信息，发完就停，且停发时间可长可短，带有随机性。对于不同的应用，激光驱动器的APC环路有所区别，由于突发模式接收数据带有随机性，所以，在突发模式下，激光驱动器的APC具有保持功能，能确保正确地传送突发的数据信号。从集成电路设计的角度来看，希望能用更节省成本的方案来设计电路。所以，现在的激光二极管驱动器LDD芯片，一般都可以同时支持两种应用场景：连续模式和突发模式。但是，突发模式数据的突发和随机性使得突发模式和连续模式APC环路有较大区别。

想要同时兼容连续模式和突发模式两种工作场景，需要解决的技术问题有两个：

第一个问题是：在突发模式的应用场景中，激光二极管LD可能长时间的被突发使能信号关断，此时激光二极管LD不发光，光电二极管MD也不会有监控电流I_MD，则采样电压Vmd可能下降到零，***需要根据突发使能信号是否开启来判断采样电压Vmd是否正常，当***突发使能频繁打开和关断时，采样电压Vmd会很不稳定，滤波电压Vrc也会变得很不稳定，这对比较器CMP的正确输出造成很大影响。

第二个问题是：如何对采样电压Vmd进行滤波。因为激光二极管LD中的光功率是数据信号，所以光电二极管MD采样的监控电流也和数据信号的幅度和频率成一定比例。为了保证激光二极管LD输出光功率的恒定，对光电二极管MD的监控电流做电压转换之后，需要做滤波处理。在这个环路中，对数据处理延迟最长的是滤波电路，图1中的滤波电阻R和电容C的取值大小直接决定了整个环路的数据处理速度。数据信号的频率越小，则需要的滤波时间常数越大，数据信号频率越大，需要的滤波时间常数越小。当光模块工作在连续模式时，光电二极管MD所采集的光电流是稳定并连续的，可以根据数据信号的频率，取一个较为合适的RC参数，为了保证比较器CMP的状态的稳定，在满足***时间的范围内，在连续模式下，RC的参数取的尽可能的大，让滤波电压Vrc更加稳定。

但是，对于工作在突发模式的光模块，***需要APC电路能够快速响应突发使能信号的变化，所以对采样电压Vmd不能有任何滤波，以免APC环路有延迟，影响响应速度。当然，对于工作在突发模式的激光器来说，***接收的信号频率很快，所以在突发模式时，即使不对采样电压Vmd滤波，也不会影响滤波电压Vrc的稳定性。

总的来说，不管是工作在连续模式的激光器，还是工作在突发模式的激光器，***都希望APC环路能够快速稳定地工作。因此，在APC环路中，使连续模式和突发模式这两种模式都能正常工作，是激光器领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路及方法，通过时序信号和突发使能信号进行控制，对监控二极管的光电流进行采样滤波，将连续模式和突发模式的采样电路合二为一，通过不同模式的时序，达到各自采样处理的目的，使连续模式和突发模式都能正常工作。

本发明提供的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，包括电源VDD、基准电压Vref、输入的采样电压Vmd、运算放大器AMP、滤波电阻R、电容C和滤波电压Vrc，还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5，运算放大器AMP用于给电容C快速充电，运算放大器AMP的同相输入端与基准电压Vref相连，运算放大器AMP的反向输入端分别与第一NMOS管M1的漏极、第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另外一端接电源VDD，运算放大器AMP的输出端与第一NMOS管M1的栅极相连，第一NMOS管M1的栅极与第二NMOS管M2的栅极相连，第一NMOS管M1的源级、第二NMOS管M2的源级均接地GND，第二NMOS管M2的漏极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接电源VDD；第一开关K1的一端接输入的采样电压Vmd，另一端接滤波电压Vrc；第二开关K2的一端与第二NMOS管M2的漏极相连，另一端接电容C的正极，电容C的负极接地GND；第三开关K3的一端接输入的采样电压Vmd，另一端与第四开关K4的一端相连，第四开关K4的另一端与滤波电阻R的一端相连，滤波电阻R的另一端与电容C的正极相连；第五开关K5的一端接电容C的正极，另一端接滤波电压Vrc。

在上述技术方案的基础上，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5分别由各自的时序控制信号C1、C2、C3、C4、C5来控制，如果某开关的控制信号为高电平，则该开关闭合；如果某开关的控制信号为低电平，则该开关断开；

当激光器工作在连续模式时，第一开关K1的控制信号C1始终为低电平，第一开关K1始终断开，输入的采样电压Vmd不会直接传送到滤波电压Vrc；第四开关K4的控制信号C4是突发使能信号，连续模式时，突发使能信号是始终开启的，第四开关K4的控制信号C4始终为高电平，第四开关K4始终闭合；在连续模式下，第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5的工作过程如下：在第一个周期T1内，第二开关K2的控制信号C2为高电平，第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为低电平，则第二开关K2闭合，第三开关K3、第五开关K5断开；第二开关K2闭合，电容C正极的电压被迅速充电到和基准电压Vref相等；在第二个周期T2内，第二开关K2的控制信号C2为低电平，第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5为高电平，则第二开关K2断开，第三开关K3、第五开关K5闭合，电容C在T1周期内已经积累了电平为基准电压Vref，采样电压Vmd经过滤波电阻R和C滤波后，传递给滤波电压Vrc；

当激光器工作在突发模式时，在第三个周期T3内，第一开关K1的控制信号C1、第四开关K4的控制信号C4均为高电平，第一开关K1、第四开关K4闭合，第二开关K2的控制信号C2、第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为低电平，第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5断开，T3周期中突发使能信号有效，采样电压Vmd直接通过第一开关K1输出到滤波电压VRC，其它输出到滤波电压VRC的通路都是断开的；在第四个周期T4内，突发使能信号无效，第二开关K2的控制信号C2、第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为高电平，第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5均闭合，此时，滤波电压Vrc的大小由基准电压Vref决定。

在上述技术方案的基础上，所述电容C正极的电位从0充电到基准电压Vref的时间由第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2决定。

在上述技术方案的基础上，所述第二NMOS管M2的宽长比为第一NMOS管M1的宽长比的N倍，N为比例倍数。

本发明还提供一种基于上述电路的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样方法，包括以下步骤：

所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5分别由各自的时序控制信号C1、C2、C3、C4、C5来控制，如果某开关的控制信号为高电平，则该开关闭合；如果某开关的控制信号为低电平，则该开关断开；

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的采样电路通过时序信号和突发使能信号进行控制，对监控二极管的光电流进行采样滤波，将连续模式和突发模式的采样电路合二为一，不管激光器工作在连续模式或突发模式，都能用该套采样电路同时处理，通过不同模式的时序，达到各自采样处理的目的，使连续模式和突发模式这两种模式都能正常工作。

附图说明

图1是LDD芯片的结构框图。

图2是本发明实施例中适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路的电路图。

图3是本发明实施例中连续模式时控制信号的时序图。

图4是本发明实施例中连续模式时T2的时序图。

图5是本发明实施例中突发模式时控制信号的时序图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图2所示，本发明实施例提供一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，包括电源VDD、基准电压Vref、输入的采样电压Vmd、运算放大器AMP、第一电阻R1、第二电阻R2、滤波电阻R、电容C、滤波电压Vrc、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5，运算放大器AMP用于给电容C快速充电，运算放大器AMP的同相输入端与基准电压Vref相连，运算放大器AMP的反向输入端分别与第一NMOS管M1的漏极、第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另外一端接电源VDD，运算放大器AMP的输出端与第一NMOS管M1的栅极相连，第一NMOS管M1的栅极与第二NMOS管M2的栅极相连，第一NMOS管M1的源级、第二NMOS管M2的源级均接地GND，第二NMOS管M2的漏极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接电源VDD；第一开关K1的一端接输入的采样电压Vmd，另一端接滤波电压Vrc；第二开关K2的一端与第二NMOS管M2的漏极相连，另一端接电容C的正极，电容C的负极接地GND；第三开关K3的一端接输入的采样电压Vmd，另一端与第四开关K4的一端相连，第四开关K4的另一端与滤波电阻R的一端相连，滤波电阻R的另一端与电容C的正极相连；第五开关K5的一端接电容C的正极，另一端接滤波电压Vrc。

参见图2所示，运算放大器AMP、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2这部分电路的主要作用是给电容C进行快速充电，充电的电压大小由基准电压Vref决定。滤波电阻R和电容C就是图1中的低通滤波电路，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5分别由各自的时序控制信号C1、C2、C3、C4、C5来控制。这些元器件按照这样的连接方式和控制方式工作，能够实现同时兼容连续模式和突发模式的滤波采样。

在上述激光器监测光功率采样电路的基础上，本发明实施例还提供一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样方法，包括以下步骤：

当激光器工作在连续模式时，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5的控制信号分别为C1、C2、C3、C4、C5，5个控制信号C1、C2、C3、C4、C5的时序应该按照图3所示的时序图设置，如果某开关的控制信号为高电平，则该开关闭合；如果某开关的控制信号为低电平，则该开关断开。

参见图3所示，第一开关K1的控制信号C1始终为低电平，第一开关K1始终断开，输入的采样电压Vmd不会直接传送到滤波电压Vrc。第四开关K4的控制信号C4是突发使能信号，因为连续模式时，突发使能信号是始终开启的，所以第四开关K4的控制信号C4始终为高电平，第四开关K4始终闭合。

在连续模式下，第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5的工作过程如下：

参见图3所示，在第一个周期T1内，第二开关K2的控制信号C2为高电平，第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为低电平，则第二开关K2闭合，第三开关K3、第五开关K5断开。第二开关K2闭合意味着此时的快速充电电路为电容C充电，电容C正极的电压会被迅速充电到和基准电压Vref相等。电容C正极的电位从0充电到基准电压Vref的时间由第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2决定。由于电容C的容值是固定的，想要快速的给电容C充电，就需要快速充电电路的输出电阻够小。

为了降低快速充电电路的输出电阻，需要精确设计第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第一电阻R1、第二电阻R2之间的比例，将第二NMOS管M2的宽长比设置为第一NMOS管M1的宽长比的N倍，N为比例倍数。假设第一电阻R1与第一NMOS管M1之间的节点的电压为V1，第二电阻R2与第二NMOS管M2之间的节点的电压为V2，第一电阻R1为第二电阻R2的N倍，这样V2的电压和V1的电压一样，同时快速充电电路的输出电阻由第二电阻R2决定，第二电阻R2越小，给电容充电的时间越快。虽然N的取值越大，输出电阻越小，充电速度越快，可是N的取值过大也会增加第二NMOS管M2的功耗。

在实际应用中，应该综合考虑功耗和充电速度的关系，在第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第一电阻R1、第二电阻R2之间取一个合适的比例。在第一个周期T1内，电容C正极的电压迅速充到和基准电压Vref相等，T1的时间长短也是由充电时间决定的。为了保证充电电路稳定，一般T1的取值略大于充电时间。

参见图3所示，在第二个周期T2内，第二开关K2的控制信号C2为低电平，第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5为高电平，则第二开关K2断开，第三开关K3、第五开关K5闭合。此时，虽然第二开关K2断开了，但电容C在T1周期内已经积累了电平为基准电压Vref，采样电压Vmd经过滤波电阻R和C滤波后，传递给滤波电压Vrc。R*C的时间是电容C的电压由零充电到滤波电压Vrc的过程，因为，电容C在T1周期内，已经充电到基准电压Vref，所以电容C从基准电压Vref变化到滤波电压Vrc的时间，就是T2的时间。因为存在T1周期内的快速充电，所以T2的时间不再由Trc=R*C决定，而是由图4中的T2决定。如果滤波电压Vrc和基准电压Vref越接近，则每次稳定的时间就越小，明显减小了连续模式下的滤波时间，能够有效降低APC环路稳定的时间。

在实际应用中，可以根据传递信号的频率，对滤波电阻R进行分段取值，当传递信号频率高时，T2可以选择较小的时间常数，信号处理周期变快；在信号频率低时，T2可以选择较长的时间常数，采样电压Vmd可以滤得更干净。

当激光器工作在突发模式时，5个控制信号C1、C2、C3、C4、C5的时序图参见图5所示，在第三个周期T3内，第一开关K1的控制信号C1、第四开关K4的控制信号C4均为高电平，第一开关K1、第四开关K4闭合，第二开关K2的控制信号C2、第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为低电平，第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5断开。T3周期中突发使能信号有效，采样电压Vmd直接通过第一开关K1输出到滤波电压VRC，其它输出到滤波电压VRC的通路都是断开的。这是因为突发***要求***有很快的响应速度，采样电压Vmd不能有任何延迟直接输出到滤波电压Vrc。

在第四个周期T4内，突发使能信号无效，第二开关K2的控制信号C2、第三开关K3的控制信号C3、第五开关K5的控制信号C5均为高电平，即第二开关K2、第三开关K3、第五开关K5均闭合，此时，滤波电压Vrc的大小由基准电压Vref决定。这时，和前面描述的一样，基准电压Vref通过快速充电电路迅速给电容C充电，是为了防止在突发使能信号无效时激光器无光，采样电压Vmd将会下降到零，此时，由快速充电电路不断为电容C充电，能够保证比较器的输出状态稳定。也就是说，即使突发信号不停变换或者长时间关断，滤波电压Vrc始终有一个稳定的状态，比较器的状态也就不会混乱。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，包括电源VDD、基准电压Vref、输入的采样电压Vmd、运算放大器AMP、滤波电阻R、电容C和滤波电压Vrc，其特征在于：还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5，运算放大器AMP用于给电容C快速充电，运算放大器AMP的同相输入端与基准电压Vref相连，运算放大器AMP的反向输入端分别与第一NMOS管M1的漏极、第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另外一端接电源VDD，运算放大器AMP的输出端与第一NMOS管M1的栅极相连，第一NMOS管M1的栅极与第二NMOS管M2的栅极相连，第一NMOS管M1的源级、第二NMOS管M2的源级均接地GND，第二NMOS管M2的漏极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端接电源VDD；第一开关K1的一端接输入的采样电压Vmd，另一端接滤波电压Vrc；第二开关K2的一端与第二NMOS管M2的漏极相连，另一端接电容C的正极，电容C的负极接地GND；第三开关K3的一端接输入的采样电压Vmd，另一端与第四开关K4的一端相连，第四开关K4的另一端与滤波电阻R的一端相连，滤波电阻R的另一端与电容C的正极相连；第五开关K5的一端接电容C的正极，另一端接滤波电压Vrc。

2.如权利要求1所述的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，其特征在于：所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5分别由各自的时序控制信号C1、C2、C3、C4、C5来控制，如果某开关的控制信号为高电平，则该开关闭合；如果某开关的控制信号为低电平，则该开关断开；

3.如权利要求2所述的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，其特征在于：所述电容C正极的电位从0充电到基准电压Vref的时间由第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2决定。

4.如权利要求3所述的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样电路，其特征在于：所述第二NMOS管M2的宽长比为第一NMOS管M1的宽长比的N倍，N为比例倍数。

5.基于权利要求1所述电路的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样方法，其特征在于：所述电容C正极的电位从0充电到基准电压Vref的时间由第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2决定。

7.如权利要求6所述的适用连续和突发模式的激光器监测光功率采样方法，其特征在于：所述第二NMOS管M2的宽长比为第一NMOS管M1的宽长比的N倍，N为比例倍数。