CN101800605A - 一种光接收机及其控制装置和控制方法 - Google Patents

一种光接收机及其控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露了一种光接收机及其控制装置和控制方法，其中控制装置包括：背光电流检测单元，检测所述PD管产生的背光电流IPD，并将IPD转换成电压信号VMON；温度检测单元，检测光接收机的工作温度T，并将T转换成电压信号VTMON；以及补偿控制驱动单元，根据VMON和VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对VCON进行驱动后控制光接收机跨阻放大器的工作状态。本发明能够扩展光接收机的动态工作范围，提高光接收机的灵敏度和过载点，改善光接收机输出的抖动性能，从而提升光收发合一模块的整体性能。

Description

一种光接收机及其控制装置和控制方法
技术领域
本发明涉及数字光纤传输系统技术，尤其涉及一种光接收机及其控制装置和控制方法。
背景技术
随着光通信技术的不断发展，光收发合一模块已经越来越广泛地被应用到光纤通讯系统中，起着电/光、光/电转换的作用，其性能对光纤通讯系统性能指标有着重要影响。光收发合一模块，是光纤通讯系统的关键技术之一。光纤通讯系统中的光收发合一模块通常使用光接收机完成光电转换，因此光接收机的指标，比如灵敏度和过载点等，均对光收发合一模块的整体性能起着非常重要的作用。
如图1所示，目前光接收机的内部组成器件主要有背光检测PD管和跨阻放大器TIA，外部控制电路包括偏压电路和TIA供电电源，偏压电路为PD管提供反向偏压，TIA供电电源用于为TIA供电。
光接收机的性能，主要受限于其内部跨阻放大器TIA的性能。入光功率的大小和光接收机的工作温度会改变跨阻放大器的工作点，使其不能工作在最佳工作点上，导致跨阻放大器TIA的性能下降，从而导致光接收机的过载点和灵敏度均下降，即其动态范围受到影响。
因此，需要提供一种光接收机及其控制装置和控制方法，能够使得光接收机的动态范围得到扩展，从而接收机的性能指标得以提高。
发明目的
本发明所要解决的技术问题是提供一种光接收机及其控制装置和控制方法，能够扩展光接收机的动态范围，提高其灵敏度和过载点性能指标。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光接收机，包括光接收机内部组件和控制装置，其中光接收机内部组件包括PD管、跨阻放大器以及偏压单元；控制装置包括背光电流检测单元、温度检测单元以及补偿控制驱动单元；其中：
背光电流检测单元，用于检测所述PD管产生的背光电流(IPD)，并将所述IPD转换成电压信号(VMON)输出给补偿控制驱动单元；
温度检测单元，用于检测光接收机的工作温度(T)，并将T转换成电压信号(VTMON)输出给补偿控制驱动单元；
补偿控制驱动单元，用于根据VMON和VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对VCON进行驱动后控制所述跨阻放大器的工作状态。
进一步地，
背光电流检测单元通过取样电阻(R)取样PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大第一级误差放大器输出的V，产生VMON＝K1*R*IPD。
进一步地，温度检测单元通过一电桥电路将T转换成VTMON，该电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为电桥电路的输出端输出VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；该VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联。
进一步地，
补偿控制单元根据对VMON进行滤波处理后的电压值VMON’计算出背光电流IPD＝VMON’/R/K1；根据对VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光接收机的控制装置，包括背光电流检测单元、温度检测单元以及补偿控制驱动单元；其中：
背光电流检测单元，用于检测光接收机的PD管产生的背光电流(IPD)，并将IPD转换成电压信号(VMON)输出给补偿控制驱动单元；
温度检测单元，用于检测光接收机的工作温度(T)，并将该T转换成电压信号(VTMON)输出给补偿控制驱动单元；
补偿控制驱动单元，用于根据VMON和VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对VCON进行驱动后控制光接收机的跨阻放大器的工作状态。
进一步地，
背光电流检测单元通过取样电阻(R)取样PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大所述第一级误差放大器输出的V，产生VMON＝K1*R*IPD；
温度检测单元通过一电桥电路将所述T转换成VTMON，该电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为电桥电路的输出端输出VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；该VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联；
补偿控制单元根据对VMON进行滤波处理后的电压值VMON’计算出背光电流IPD＝VMON’/R/K1；根据对VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光接收机的控制方法，包括：
采集由光接收机的PD管产生的背光电流(IPD)转换成的电压信号(VMON)；
采集由光接收机的工作温度(T)转换成的电压信号(VTMON)；
根据VMON和VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对VCON进行驱动后控制光接收机的跨阻放大器的工作状态。
进一步地，采集由PD管产生的IPD转换成的VMON，具体包括：
通过取样电阻(R)取样PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大所述第一级误差放大器输出的V，输出VMON＝K1*R*IPD。
进一步地，采集由所述T转换成的VTMON，具体包括：
通过一电桥电路将所述T转换成VTMON，该电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为电桥电路的输出端输出VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；该VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联。
进一步地，根据VMON和VTMON计算输出VCON，具体包括：
根据对VMON进行滤波处理后电压值VMON’计算出背光电流IPD＝VMON’/R/K1；
根据对VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
本发明提供的光接收机及其控制装置和控制方法与现有技术相比，可以扩展光接收机的动态工作范围，提高光接收机的灵敏度和过载点，改善光接收机输出的抖动性能，从而提升光收发合一模块的整体性能。
附图说明
图1为现有的光接收机装置的结构示意图；
图2为本发明提供的光接收机及其控制装置实施例的原理框图；
图3为图2中光接收机内部组件的结构框图；
图4为图2中的温度检测单元实施例的原理电路图；
图5为图2所示的光接收机的控制装置实施例在常温下控制电压和背光电流的补偿曲线；
图6为本发明的光接收机的实现方法实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供的光接收机及其控制装置和控制方法，其核心内容是根据背光电流的变化和温度的变化，实时地控制跨阻放大器的工作状态，使跨阻放大器始终工作在最佳工作点。
以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案加以详细地描述。以下例举的实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
本发明提供的光接收机及其控制装置，其原理框图如图2所示，包括光接收机内部组件和控制装置(虚线中所示)，其中光接收机内部组件包括用于将输入的光功率转换为背光电流信号的PD管、用于将背光电流信号转换为电压信号的跨阻放大器TIA以及用于为PD管提供反向偏压的偏压单元；控制装置则包括背光电流检测单元、温度检测单元、补偿控制单元以及驱动单元；其中：
背光电流检测单元，用于检测PD管产生的背光电流IPD，并将IPD转换成检测电流检测电压信号VMON；
温度检测单元，用于检测光接收机的工作温度T，并将T转换成温度检测电压信号VTMON；
补偿控制单元，用于根据电流检测电压信号VMON和温度检测电压信号VTMON计算输出控制电压信号VCON；
驱动单元，用于对补偿控制单元输出的控制电压信号进行驱动后，控制TIA的工作状态，使其处于最佳工作点，从而提高光接收机的灵敏度和过载点。
图2中所示的光接收机(40G光接收机)内部组件中的PD管和跨阻放大器TIA采用了8脚蝶形封装，其内部结构见图3所示，其中跨阻放大器TIA即图3中的前置放大器(Preamp)。
图2中的控制装置包括：背光电流检测单元、温度检测单元、补偿控制器和驱动单元，该控制装置形成了跨阻放大器TIA的反馈控制环路，它根据背光电流的变化和光接收机工作温度的变化，实时地对跨阻放大器TIA的工作状态进行闭环控制。其中：
背光电流检测单元，用于通过取样电阻R取样PD管产生的光电流IPD；通过第一级误差放大器(图中未示，其误差放大倍数为1，且其输入电路完全平衡，具有较高的共模电压抑制比)将取样电阻两端的高共模电压精密地转换为以地为参考电压V＝R*IPD；通过放大倍数为K1的第二级放大器(图中未示)放大第一级误差放大器输出的参考电压信号V，产生的电流检测电压信号VMON＝K1*R*IPD；
温度检测单元，用于将实时检测的光接收机的工作温度T通过一电桥电路转换成温度检测电压信号VTMON；
其中电桥电路(可简称桥路)如图4所示，包括热敏电阻RT和普通电阻R1、R2和R3，其中RT为采用负温度系数的热敏电阻，其阻值会根据温度的变化而变化(譬如阻值会随着温度的升高而降低，反之亦然)；热敏电阻RT和电阻R1串联，再并联电阻R2，最后再串联电阻R3；其中桥路的参考电压为VREF，桥路输出的温度检测电压为VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)               (1)
其中，符号“//”，表示将该符号两端的电阻相并联。
由式(1)可以得到：
((R1+RT)//R2)＝R3*VTMON/(VREF-VTMON)                     (2)
本发明将通过式(2)计算出的((R1+RT)//R2)称为修正补偿系数。
补偿控制单元，根据对背光电流检测单元输出的电流检测电压信号VMON进行滤波处理后的电压值VMON计算出背光电流IPD＝VMON’/R/K1；根据对温度检测单元输出的温度检测电压信号VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’，实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，得到温度变化下的补偿系数K2＝((R1+RT)//R2)/K，由此计算输出温度变化下的控制电压VCON。
由式K2＝((R1+RT)//R2)/K得到VCON：
VCON＝K2*K*IPD＝((R1+RT)//R2)*IPD                       (3)
分别将式IPD＝VMON/R/K1和式(2)代入式(3)，进一步得到：
VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)           (4)
式中，VMON’、VTMON’相应地为对VMON、VTMON进行滤波处理后的电压值。
补偿控制单元在常温下产生的控制电压VCON＝K*IPD，其中K为补偿系数，常温下的补偿曲线见图5所示。为了补偿温度的变化对光接收机性能的影响，需要根据采集的光接收机工作温度信号T，实时地修正上述补偿系数K，修正因子为K2＝((R1+RT)//R2)/K；因此，补偿控制单元输出的控制电压采用式(4)计算出。
驱动单元，采用射随电路对补偿控制单元输出的控制电压VCON进行驱动，以增强驱动能力。
在另一实施例里，可以将补偿控制单元和驱动单元合并成补偿控制驱动单元，用于计算输出温度变化下的控制电压VCON，并将其进行驱动后调整跨阻放大器的工作点。
本发明相应于上述光接收机及其控制装置实施例，还提供了一种光接收机的控制方法，其实施例流程是通过在微控制器(MCU)的定时器中断服务程序实现的，如图6所示，包括以下步骤：
110：根据采集的电压信号VMON获取背光电流IPD；
本实施例通过背光电流检测单元采集电压信号VMON，并对其进行软件滤波，然后根据采集并滤波的VMON计算出背光电流IPD＝VMON/R/K1。
120：根据光接收机的工作温度获取修正补偿系数；
本实施例是通过温度检测单元采集VTMON电压，并对其进行软件滤波，获取修正补偿系数(R1+RT)//R2＝R3*VTMON/(VREF-VTMON)；
130：根据背光电流IPD和修正后的补偿系数，采用补偿控制算法计算产生控制电压信号VCON，即按式(4)计算VCON。
通过控制电压信号VCON控制TIA的工作点，使ITA的工作性能最优。
本实施例补偿控制算法采用软件实现，即在MCU的定时器中断服务程序中执行该补偿控制算法，由此可提高补偿控制的灵活性。
由于本发明的扩展光接收机动态范围的控制装置可以根据输入光功率的变化和环境温度的变化，动态的调整跨阻放大器的工作点，故能够获取最优的光接收机性能。采用该控制装置后测试光接收机的灵敏度和过载点指标，其中灵敏度相对于现有技术的光接收机会提高1～2dBm，过载点指标会提高2～3dBm。
应当理解的是，本发明上述针对具体实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应该以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光接收机，包括光接收机内部组件和控制装置，其中光接收机内部组件包括PD管、跨阻放大器以及偏压单元；其特征在于，所述控制装置包括背光电流检测单元、温度检测单元以及补偿控制驱动单元；其中：
所述背光电流检测单元，用于检测所述PD管产生的背光电流(IPD)，并将所述IPD转换成电压信号(VMON)输出给所述补偿控制驱动单元；
所述温度检测单元，用于检测光接收机的工作温度(T)，并将所述T转换成电压信号(VTMON)输出给所述补偿控制驱动单元；
所述补偿控制驱动单元，用于根据所述VMON和所述VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对所述VCON进行驱动后控制所述跨阻放大器的工作状态。
2.按照权利要求1所述的光接收机，其特征在于，
所述背光电流检测单元通过取样电阻(R)取样PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大所述第一级误差放大器输出的所述V，产生所述VMON＝K1*R*IPD。
3.按照权利要求2所述的光接收机，其特征在于，所述温度检测单元通过一电桥电路将所述T转换成所述VTMON，
所述电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为所述电桥电路的输出端输出所述VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；所述VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联。
4.按照权利要求3所述的光接收机，其特征在于，
所述补偿控制单元根据对所述VMON进行滤波处理后的电压值VMON’计算出所述背光电流IPD＝VMON’/R/K1；根据对所述VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的所述VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
5.一种光接收机的控制装置，包括背光电流检测单元、温度检测单元以及补偿控制驱动单元；其中：
所述背光电流检测单元，用于检测所述光接收机的PD管产生的背光电流(IPD)，并将所述IPD转换成电压信号(VMON)输出给所述补偿控制驱动单元；
所述温度检测单元，用于检测光接收机的工作温度(T)，并将所述T转换成电压信号(VTMON)输出给所述补偿控制驱动单元；
所述补偿控制驱动单元，用于根据所述VMON和所述VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对所述VCON进行驱动后控制所述光接收机的跨阻放大器的工作状态。
6.按照权利要求5所述的控制装置，其特征在于，
所述背光电流检测单元通过取样电阻(R)取样PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大所述第一级误差放大器输出的所述V，产生所述VMON＝K1*R*IPD；
所述温度检测单元通过一电桥电路将所述T转换成所述VTMON，所述电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为所述电桥电路的输出端输出所述VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；所述VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联；
所述补偿控制单元根据对所述VMON进行滤波处理后的电压值VMON’计算出所述背光电流IPD＝VMON’/R/K1；根据对所述VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的所述VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
7.一种光接收机的控制方法，包括：
采集由所述光接收机的PD管产生的背光电流(IPD)转换成的电压信号(VMON)；
采集由所述光接收机的工作温度(T)转换成的电压信号(VTMON)；
根据所述VMON和所述VTMON计算输出控制电压信号(VCON)，并对所述VCON进行驱动后控制所述光接收机的跨阻放大器的工作状态。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，采集由所述PD管产生的IPD转换成的所述VMON，具体包括：
通过取样电阻(R)取样所述PD管产生的背光电流IPD；通过第一级误差放大器将所述R两端的电压转换为以地为基准的第一参考电压V＝R*IPD；通过一放大倍数为K1的第二级放大器放大所述第一级误差放大器输出的所述V，输出所述VMON＝K1*R*IPD。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，采集由所述T转换成的所述VTMON，具体包括：
通过一电桥电路将所述T转换成所述VTMON，所述电桥电路包括负温度系数的热敏电阻(RT)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述RT和所述R1串联后与所述R2并联，所述并联后的电阻与所述R3串联，所述R3与所述并联后的电阻连接的一端作为所述电桥电路的输出端输出所述VTMON，所述R3的另一端连接一对地的第二参考电压VREF；所述VTMON按下式计算：
VTMON＝VREF*((R1+RT)//R2)/((R1+RT)//R2+R3)；
式中，符号“//”表示将该符号两端的电阻相并联。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述VMON和所述VTMON计算输出所述VCON，具体包括：
根据对VMON进行滤波处理后电压值VMON’计算出所述背光电流IPD＝VMON’/R/K1；
根据对所述VTMON进行滤波处理后的电压值VTMON’实时地修正常温下产生控制电压VCON＝K*IPD中的补偿系数K，计算输出温度变化下的所述VCON＝(VMON’/R/K1)*R3*VTMON’/(VREF-VTMON’)。
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