CN102185647B - 一种光电流监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速光纤通信中的光电流监控装置，其特征在于它包括一镜像电路和一钳位模块。其中镜像电路包括两条并联的完全一致的支路；该支路各自顺次包括一个调整管的源极和漏极和两个串联电阻。该镜像电路还包括一个调整模块和一钳位模块，调整模块用于与调整管组成稳压电路。钳位模块用于钳制镜像电路的两端电压。电路达成了稳压偏置与镜像监控一体化，一方面提供了光电二极管的稳压电路和电流源，保证光电二极管的工作状态；另一方面输出了不影响光电二极管的监控电流，使其监控精度和镜像电路一致性及稳定性得到保证，可以实现对μA级的电流监控，同时使光电流检测在宽范围也可以保证足够的精度，并且监控输出端对跨阻放大器噪声及带宽影响小。

Description

一种光电流监控装置

技术领域

本发明涉及一种光电流监控装置。

背景技术

在现代的光纤通信应用中，需要对光纤传输的光脉冲功率进行实时监控，以实现对通信故障的智能诊断。实现对接收光功率的监控，可以通过对光电二极管的光电流进行监控，进而倒推换算光功率大小。这个领域，对接收组件中光电二极管的光电流进行监控具有以下难点：

首先，监控光电流小：精确监控到接收光功率通常需要灵敏度很高的电路。以1.25Gbps应用为例，这样的传输率需要监控到-30dBm以下光功率，换算下来为光电流为1μA级，要实现对μA级电流的精确监控，是设计监控电路的难点之一。

其次，监控光电流动态范围宽：监控电路需要监控的光功率从-30dBm至0dBm左右，变化达30dB，对应光电流为1μA-1mA左右，变化达1000倍。确保在这么宽的范围内都能够实现对光电流的精确监控是设计监控电路的难点之一，用通常的电流镜或者电阻取样的方式往往做不到如此宽的范围。

再者，监控损耗问题：光电二极管后级需要接入TIA(跨阻放大器)由于TIA是高速、低噪声的电路，因此引入的光电流监控装置不能影响到TIA的带宽、低噪声特性，必须有足够好的隔离状态，这也是监控电路设计的难点之一。

因此，就有一种需求，使得光电流监控装置从以上提及的灵敏度、范围和噪声的角度满足高速光纤传输的环境。

发明内容

针对以上高速光纤传输的需求，本发明提出一种光电流监控装置，其技术方案如下：

一种光电流监控装置，它包括：

一镜像电路，该镜像电路包括两条并联的完全一致的第一和第二支路；所述第一支路顺次包括一第一调整管(M0)的源极、漏极和两个串联电阻(R0和R2)所述第二支路顺次包括一第二调整管(M1)的源极、漏极和两个串联电阻(R1和R3)；所述第一、第二调整管的源极相连接Vdd；串联末端的两个电阻(R2和R3)在末端相连并接地；该镜像电路还包括一个调整模块(P)，所述调整模块具有一接固定参考电压的参考输入端、一钳位端和一调整端，其中所述钳位端接所述第一调整管支路的串联电阻(R0、R2)之间，所述调整端接所述第一、第二调整管栅极；以及

一钳位模块(Q)，该钳位模块具有一输入端、一参考端和一输出端；其中所述输入端接第二调整管的漏极，所述参考端接所述第一调整管漏极；

其中所述钳位模块的参考端与光电二极管负极连接；所述钳位模块的输出端作为监控输出端。

作为本技术方案的优选者，可以作以下改进和增补：

一较佳实施例的所述调整模块包括一第一误差放大器(A1)；对于该第一误差放大器，其负输入端接所述调整模块的输入端，其正输入端接所述调整模块的钳位端，其输出端接所述调整模块的调整端。

一较佳实施例的所述钳位模块包括一第二误差放大器(A2)和一第三调整管(M2)；对于所述第二误差放大器，其负输入端接所述钳位模块的输入端，其正输入端接所述钳位模块的参考端；对于所述第三调整管，其栅极接所述第二误差放大器的输出端，其源极接所述钳位模块的输入端，其漏极接所述钳位模块的输出端。

一较佳实施例的所述光电流监控装置全部位于同一芯片(111)上。

一较佳实施例的所述芯片与配套的跨阻放大器、光电二极管(113)整合于一接收头(110)之内。

一较佳实施例的所述接收头与一配套的发射头(120)、限幅放大器模块(101)安装于同一块印刷电路板(100)上。

本发明带来的有益效果是：

1.调整管与调整模块、钳位模块的电路结合，达成了稳压偏置与镜像监控一体化，一方面提供了光电二极管的稳压电路和电流源，保证光电二极管的工作状态；另一方面输出了不影响光电二极管的监控电流，使其监控精度和镜像电路一致性及稳定性得到保证，可以实现对μA级的电流监控。

2.调整管的栅极、源极电压一致，同时钳位模块使调整管的漏极电压也保持一致，使光电流检测输出在全范围也可以保证足够的精度。

3.监控输出端对跨阻放大器噪声及带宽影响小。

附图说明

以下结合附图实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例一线路示意图；

图2是本发明实施例二线路示意图；

图3是实施例二封装于一接收头内的俯视图；

图4是图3所示接收头所在的一印刷电路板布局示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明实施例一线路示意图。镜像监控电路包括调整模块P、第一调整管M0、第二调整管M1以及R0至R3四个电阻；调整模块P具有一个参考输入端P1，钳位端P3和调整端P2。钳位端P2维持R2两端电压稳定等于参考输入端P1的电压Vref，因此，X节点的电压Vx等于：

$\mathrm{Vx}=\mathrm{Vref}*(1+\frac{R_0}{R_2})$

其中，由于Vref为基准能隙电压(bandgap)发生器生成的与温度、电源电压无关的基准1.2V参考电压，所以Vx也十分稳定。

第一、第二调整管M0及M1为PMOS管，二者工艺尺寸完全一致，栅极端连接在一起，同时漏极负载电阻网络R1与R0，R3与R2是相对应而完全一致的电阻。

另一部分，在第一、第二调整管M0和M1的漏极均连接了钳位模块Q，该钳位模块Q的输出端Q3电流Imon与输入端Q1电流相等，而参考端Q2被钳制与Q1电压相等，即

Vx＝Vy

由此可见，对于第一、第二调整管M0和M1，不管其工作在截止区、线性区、饱和区中的任何一种状态，由于其栅极、源极、漏极三端电压总是保持一致，因此流过M0及M1沟道电流I0及I1总能保持：

I₀＝I_r0+I_opt＝I₁＝I_r1+I_mon

由于V_x＝V_y，R₀+R₂＝R₁+R₃，因此I_r0＝I_r1；

所以

I_opt＝I_mon

从而在钳位模块的Q 3端可以实现对全范围平均光电流Iopt的实时精准监控。

图2是本发明实施例二线路示意图。调整模块P包括了一个误差放大器A1；同时钳位模块Q内部具有一个误差放大器A2和第三调整管M2。

图3是实施例二封装于一接收头内的俯视图；其中光电二极管113、光电流监控装置及跨阻放大器112和电容111彼此连接，并通过接收头110的多个PIN脚114连通至接收头110外部，构成一个完整的接收头110组件。

图4是图3所示接收头所在的一印刷电路板布局示意图。接收头110与一发射头120同向排列于印刷电路板100的右端；该印刷电路板100左端具有插接口102，并且印刷电路板100上整合安装了限幅放大器模块101。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种光电流监控装置，其特征在于：它包括： 

一镜像电路，该镜像电路包括两条并联的完全一致的第一和第二支路；所述第一支路顺次包括一第一调整管（MO）的源极、漏极和两个串联电阻（R0和R2）；所述第二支路顺次包括一第二调整管（M1）的源极、漏极和两个串联电阻（R1和R3）；所述第一、第二调整管的源极相连接Vdd；串联末端的两个电阻（R2和R3）在末端相连并接地；该镜像电路还包括一个调整模块（P），所述调整模块具有一接固定参考电压的参考输入端、一钳位端和一调整端，其中所述钳位端接所述第一调整管支路的串联电阻（R0、R2）之间，所述调整端接所述第一、第二调整管栅极；以及 

一钳位模块（Q），该钳位模块具有一输入端、一参考端和一输出端；其中所述输入端接第二调整管的漏极，所述参考端接所述第一调整管漏极； 

其中所述钳位模块的参考端与光电二极管负极连接；所述钳位模块的输出端作为监控输出端。 

2.根据权利要求1所述的一种光电流监控装置，其特征在于：所述调整模块包括一第一误差放大器（A1）；对于该第一误差放大器，其负输入端接所述调整模块的输入端，其正输入端接所述调整模块的钳位端，其输出端接所述调整模块的调整端。 

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种光电流监控装置，其特征在于：所述钳位模块包括一第二误差放大器（A2）和一第三调整管（M2）；对于所述第二误差放大器，其负输入端接所述钳位模块的输入端，其正输入端接所述钳位模块的参考端； 

对于所述第三调整管，其栅极接所述第二误差放大器的输出端，其源极接所述钳位模块的输入端，其漏极接所述钳位模块的输出端。 

4.根据权利要求3所述的一种光电流监控装置，其特征在于所述光电流监控装置全部位于同一芯片（111）上。 

5.根据权利要求4所述的一种光电流监控装置，其特征在于：所述芯片与配套的跨阻放大器、光电二极管（113）整合于一接收头（110）之内。 

6.根据权利要求5所述的一种光电流监控装置，其特征在于：所述接收头与一配套的发射头（120）、限幅放大器模块（101）安装于同一块印刷电路板（100）上。 

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