鲁维德 摘要：本文主要对工业、测试、分析、摄影中普通光检测与高速光通信系统中光度测量(即光电二极管电流的测量)技术与激光器控制技术作分析介绍关键词：光源 光纤 宽带 偏置 对数放大器 激光器 前言 关于光度测量与激光器控制技术 用于工业、测试、分析、实验室、摄影以及普通光检测和高速光通信系统中的光度测量(即光电二极管电流的测量)与激光器控制技术是影响可靠性和精度(误码率)的关键技术。而对于工业、测试、分析、实验室、摄影以及普通光检测的光度测量与高速光通信系统中的光度测量具有许多相似的要求。能否获得最佳的测量结果取决于光电二极管的使用方法以及伴随所采用的放大器技术。 虽然许多光源产生的变化很缓慢，但却常常具有高达8个数量级或160dB的宽动态范围。相比之下，光纤传输系统则具有高带宽和很宽的光功率电平变化范围。为了讨论光电二极管电流的测量，为此先述实现光电二极管电路最佳配置的多种方法。1． 光电二极管电路的最佳配置 常见技术之一是采用跨阻抗放大器，在该放大器中，光电二极管的两端被强行短路。这样做可以保持很低的光电二极管暗电流以及相关的噪声的温度漂移，但是，光电二极管电容却会因此而增加。于是，对于光功率电平会从非常微小变至非常大的缓慢系统，为此采用了零偏压技术。而对于速度较快的系统，常常采用反向偏压光电二极管电路。尽管这样一来光电二极管电容有所减小，但暗电流、温度漂移和噪声却增加了。为了最大限度地抑制误差，偏压必须非常规则，这就意味着能够实现低噪声和上佳的温度稳定性。有些速度非常快的系统采用了具有很大的有源聚光面积的雪崩光电二极管，在这样的系统中，必须施加反向偏压。 除了二极管偏压之外，还采用了不同类型的跨阻抗电路。一种方法是采用在反馈环路中设置了电阻器的运算放大器，见图1(a)所示。这产生了输出电压对输入电流的线性、连续响应。然而，如果在信号采集过程中通过改变反馈电阻器阻值来调整增益，则将出现尖峰瞬变。 另一种方法是采用在运算放大器的反馈环路布设了二极管的对数放大器，见图1(b)所示。这产生了输出电压对输入电流的连续、非线性响应。它具有在向高电平信号提供低增益的同时对低电平信号施加高增益的独特能力。它就像是没有开关瞬变的平滑自动增益电路，任何时候都不会对信号产生干扰。 还有一种方法是采用在反馈环路中设有电容器的开关积分器，见图1(c)所示。其优点是可对噪声进行积分，并能够简单地通过改变电容器的允许充电时间来轻松实现增益调节。输出电压取决于电容器的容许充电时间。事实上，增益调整可通过改变充电时间来轻松完成。 在模拟输出电压将在同一块芯片上被直接转换为高分辨率数字的直接数字转换器(DDC)中，这种开关积分器配置被用作模拟前端。2、光电二极管电流的测量：光测量和激光器控制2.1光测量 线性跨阻抗放大器在具有高达5个数量级的动态输入范围的宽带应用中寻觅到了用武之地。诸如OPA353等宽带放大器具有用于提供高跨阻抗增益所需的增益带宽。然而，此类放大器缺乏在低输入电流条件下获得较宽动态输入范围的DC精度。为了改善DC参数，采用复合型配置的自动置零放大器，如OPA335(见图2所示)。宽带放大器用于在信号通路中提供电流至电压转换，而自动置零放大器则对其失调进行补偿。因此，这种复合型放大器能够在5个数量级的动态输入范围内提供宽带宽(在高跨阻抗增益条件下)。 复合型跨阻抗放大器的设计需要在稳定性计算方面投入巨大的精力。为了缩短光电二极管前端的设计周期，TI公司开发了在120dB跨阻抗增益条件下具有1MHz带宽的新型宽带跨阻抗放大器OPA380，见图3所示。其动态输入范围超过5个数量级，并允许对低至5nA的电流进行测量。 对数放大器可提供最宽的动态输入范围(高达7-8个数量级)。然而，其3dB带宽却会随着输入电流的减小呈现线性下降。线性跨阻抗放大器用于测量输入电流的绝对值，并通过反馈电阻器将其转换为输出电压(Vout=IIN*RF)，而对数放大器则以输出电压的形式来提供两个输入电流的对数比(Vout=LogI1/I2)。I1通常代表需要测量的电流，而I2则是参考电流(见图4所示)。对两个输入电流进行对数比较所带来的好处是可对物理传输系统(不管是光学系统、电气系统还是机械系统)的输入和输出量进行测量。 光放大器的恒定增益控制和增益调节(由图4所示说明) 传输光纤中的负载变化会在放大器输出端上引发光功率瞬变，为了最大限度地减小这种瞬变，采用两个用于测量光放大器和输出功率的对数放大器实现了光增益控制。差分放大器DIFF对两个数放大器的输出信号进行减法运算，并向位于其后的PID控制器施加误差电压VERROR。该控制器输出对压控电流源(VCCS)进行调节，然后，这个电流源对实际的泵浦激光器进行驱动。当PID输端上的误差电压为零时，放大器将在期望的光增益条件下操作。 从图4所示看出，增益设置是通过改变Log1的参考电流IREF1来完成的。同样，Vout1的变化将在泵浦激光器的输出端上产生新的功率电平，直到输出端上的误差电压为零为止。 吸光率测量(由图5所示说明) 在吸光率测量场合中，光源提供至两个光电二极管(D1和D2)的输入。D2直接接收来自光源的光，从而产生电流12。D1接收的是通过吸光系数为α的试科的、光量有所减少的光信号，因而产生电流I1=12·α。执行对数比I1/I2的放大器随后将提供输出Vout=logI1/I2= logI2·α/I1=logα。因此，Vout直接反映了α值的大小。

开关积分放大器(图6(a)所示)允许对低至fA(10-15A)级的电流进行测量。由于工作模式的缘故，其品质因数是全标度电荷(QFR)和积分时间(TINT)，而不是输入电流(单位：nA)和带宽(单位：kHz)。开关积分器的工作原理是：基准电压VREF从一端对反相放大器的反馈电容器CF进行充电；电容器的另一端随后与放大器输入相连(持续时间为TINT 以接收输入电荷)。在积分期之后，剩余的输出电压可供另外的A/D模拟-数字转换之用。 为了获得最高的准确度，TI公司的DDCll2开关积分器芯片将双通道积分器和20位、Δ∑型ADC与用于微控制器和DSP控制的数字接口集成在一起。扩展控制接口可提供全标度变化范围(从最小的47.5pC至最大的1000pC)以及从TINT=50µs(不连续模式)至1s(连续模式)的积分时间。典型应用包括直接光电传感器数字化处理、CT扫描仪、DAS、红外线高温计、液相/气相色谱分析和血液分析等。其DDCll2功能方块图见图6(b)所示。2.2激光器控制及接口2.21控制激光二极管的光输出功率(控制过程用图7描述) 由于二极管的输出功率会随着其使用时间的增加而逐渐下降，因此需要采用控制环路来保持其输出功率的恒定。在反馈通路中，输出信号的一小部分(1％)通过光电二极管馈回并被转换为电流。通过使参考电流IREF1与光电流I1相等的方法来对泵浦激光器进行校准。这使得能够对光电流的瞬间变化进行检测。参考电流与光电流之间的偏差被转换成误差信号，并施加至激光二极管驱动器的偏压输入端。驱动器随后将增加激光二极管的偏置电流，直到误差信号减小至零为止。2.22闭环工作拓扑 自动功率控制(APC)是用来稳定激光器平均光输出的一种通行做法。为了对激光器实施控制，在反馈通路上采用光电管监视器，构成一个对于激光器的闭环控制系统。图8a和8b显示了用于此类激光驱动器与数控电阻接口。 在图8a中，偏置电流是光电管监视器的反馈电流(Ifa)和参考电流(I1)之间的误差，经过放大之后的产物。当可变电阻减小时，I1增加。由于Ifa 跟踪I1，因此平均光功率也增加了。 图8b是闭环调制系统的一个简化的示意图。比较来自光电管电流的反馈信号(Ifb)与参考电流(I3)，得到的误差经放大后被用来调制数据载波的幅度，产生一个开关式电流，随着电阻降低，峰到峰光功率上升。偏置电流(12)也包含在图8b中，以便得到—个完整的图示。2.23 应用举例：MAX3273与DSl858组合连接-DS1858在收发送模块中发送侧的应用 MAX3273/DSl858组合连接见图9（a）所示，DSl858为具有温度补偿的数字控制可变电阻，而MAX3273为激光驱动器。 为了分折MAX3273与DSl858连接组合，首先应对MAX3273为激光驱动器与DSl858数字控制可变电阻作一说明。2.231 MAX3273激光驱动器与DSl858数字控制可变电阻。 MAX3273激光驱动器内部框图见图9(b)所示它有调制器、偏置电路、自动功率控制(APC)及失效监测器等组成.具体指标如下： 100mW功耗，5mA至60mA调制电流，3ps脉宽失真，4mm×4mm 24引脚QFN，工作温度范围为-40℃至+85℃。 而DSl858数字控制可变电阻是集成控制器—监视器，具有温度控制的可变电阻和系统监视的数控电阻。高度集成的DSl 8 5 8整合温度控制，系统参数监视和用户256字节EEPROM于—体。DSl858包含两个温度补偿的可变电阻、允许三路复用外部模拟输入的12位ADC，数字温度传感器，可编程告警电阻，256字节EEPROM，2线串行接口，工作于3Vto5V工作温度内为-40-40℃至+95℃。2.232 MAX3273与DSl858连接组合分析 为了将DSl858数控电阻连接到激光驱动器MAX3273，首先应当确定平均光功率(Pavg)和峰到峰光调制功率(Pmod)。Pavg受控于激光驱动器周围的自动功率控制(APC)反馈环(图8a)，直接与I1和光电管的灵敏度(mA／mW)有关．DSl858的电阻设定I1等于1.2/R。那么，Pavg=I1/灵敏=1.2/(灵敏度×R)。 值得注意的是，要获得给定的平均光功率，所需的R值和光电管的特性有关。因此，为了得到一个合理的设计，设计者应该知道这个参数的统计分布及其温度依赖性。举例来说，一个Pavg=0.4mW的DFB激光器(SLT2170—LN)产生的光电管电流在0.15mA以上，要求采用一个小于8kΩ的电阻，DSl858内的电阻R1可被用于自动功率控制(APC)功能。 Pmod没有在激光驱动器内部进行调节，因此完全是开环运行。 同样，对于一个给定的Pmod，Rmod与η有关，因此正确理解η的变化就显得十分重要。对于—个包含同样激光器(SLT2170—LN)的系统而言，如果Pmod=0.6mW，Gm=165，以及η=0.06，所需电阻应该低于20kΩ．DSl847内的电阻，可用于调制的设定。 DSl858内部包含用于温度补偿的查询表。这种温度补偿对于自动功率控制(APC)和调制控制尤为重要。在自动功率控制(APC)模式中，此表被用于抵销温度对光电管灵敏度的影响，根据SLT2170—LN数据手册，这种影响会高达±1.5dB(约40％)。至于调制，对应的表格主要被用来补偿温度对于激光器效率η的影响，这种影响可能会造成高达±3dB(2倍)的变化量。 这些查询表还带来了一些额外的好处，它们还有助于补偿激光驱动器增益、电阻值、以及其它一些应用参数的温度依赖性。DSl858的电阻值已由Dallas工厂在不同的温度下作了纠正，纠正后的结果符合一个方程，方程中的系数被保存于存储器中，以备用户校准时使用。参考文献：1．产品手册 TEXAS INSTRUMENTS 2005年

2．产品手册MAXIM 2005年