CN106610322B - 光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置，跨导放大器A和跨导放大器B分别用于将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压；当间接电流反馈仪表放大器U1稳定工作时，跨导放大器A的输出电流与跨导放大器B的输入电流相等，通过高增益放大器C的反馈实现这一电流的匹配，同时使得跨导放大器B输入端的差分电压与跨导放大器A的输入差分电压相同；间接电流反馈仪表放大器U1第二级输出是高增益放大器C的输出电压，即为间接电流反馈仪表放大器U1的最终输出电压。本发明通过精确采集微弱的电压变化就可以准确计算器件当前的工作温度。

Description

光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置
技术领域
本发明涉及一种光纤量子密钥分配系统及红外单光子探测器的温度检测方法，尤其涉及一种纤量子密钥分配系统中光电子器件的高精度温度检测装置。
背景技术
光纤量子密钥分配系统实现中发射端一般采用分布反馈（DFB）激光器作为量子光激光器和同步光激光器，接收端一般采用铟镓砷（InGaAs/InP）雪崩光电二极管（以下简称APD）作为单光子探测器，工作温度对这些器件的性能有着很大的影响。光纤量子密钥分配系统中发射端的量子光激光器波长为1549.32nm，同步光激光器波长为1550.92nm，两个激光器的输出光脉冲输入到密集型波分复用器对应的波长通道（以下简称DWDM）合波后经光纤传输出去，如果激光器的工作温度发生改变，激光器的波长随之发生漂移，激光脉冲所在的DWDM通道的插入损耗随之变大。如果是量子光激光器波长发生偏移使得量子光衰减加大，导致整个量子密钥分配系统最终成码率降低，如果是同步光激光器波长发生偏移使得同步光衰减加大，导致收发双方无法建立起有效的同步机制量子密钥分配系统无法正常运行。同样的情况如果探测器中的APD工作温度发生变化使得APD的雪崩电压随之改变，导致探测效率发生变化，量子密钥分配系统无法正常运行。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种光纤量子密钥分配系统中光电子器件的高精度温度检测装置，本光纤量子密钥分配系统中光电子器件的高精度温度检测装置通过精确采集微弱的电压变化就可以准确计算器件当前的工作温度。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为： 光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置，其特征在于：包括偏置电压源P1、热敏电阻RT、温漂数模转换芯片U2、间接电流反馈仪表放大器U1和模数转换芯片U3；
热敏电阻RT一端通过固定阻值电阻R1连接偏置电压P1，另一端接地；热敏电阻RT远地端还与间接电流反馈仪表放大器U1连接，温漂数模转换芯片U2和模数转换芯片U3分别与间接电流反馈仪表放大器U1连接；
间接电流反馈仪表放大器U1包含放大器C、跨导放大器A和跨导放大器B；跨导放大器A和跨导放大器B分别用于将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压；当间接电流反馈仪表放大器U1稳定工作时，跨导放大器A的输出电流与跨导放大器B的输入电流相等，即通过高增益放大器C的反馈实现跨导放大器A的输出电流和跨导放大器B的输入电流的匹配，同时使得跨导放大器B输入端的差分电压与跨导放大器A的输入差分电压相同；间接电流反馈仪表放大器U1还包含两级输出，第一级输出是跨导放大器B的输入差分电压，第二级输出是高增益放大器C的输出电压，即为间接电流反馈仪表放大器U1的最终输出电压。跨导放大器A的输出电流和跨导放大器B的输入电流，两者相等也就实现了他们两个的匹配。
进一步的，在跨导放大器B的REF引脚加上一个任意的参考电压Vref，从而为输出电压提供偏置，此时Vout=Av*Vdiff+Vref；参考电压Vref由外置的参考电压源P2提供，外置的参考电压源P2一端连接跨导放大器B的REF，另一端接地。外置的参考电压源P2是一个外置的参考电压源，它为跨导放大器B提供一个参考电压Vref，REF引脚参考电压输入端。
热敏电阻阻值随温度变化而变化，阻值发生变化在电路的分压也相应的发生改变。激光器和APD的温度检测就是基于热敏电阻的温度-电压转换，通过精确采集微弱的电压变化就可以准确计算器件当前的工作温度。传统采样方法是基于电桥和三运放仪表放大器，热敏电阻在电桥上的分压经仪表放大器放大后输出到单片机ADC(模数转换)芯片采集当前温度，三运放结构放大器具有高增益、高共模抑制比。由于温度对光电子器件的影响特别大需要更宽的温度采样范围和更高的采样精度，然而三运放结构仪表放大器在单电源供电时，输入共模电压范围受到限制并且三运放仪表放大器的第一级输出信号不仅包含了放大后的差分电压，还包含没有被抑制的共模电压，输出存在较大的局限性不能同时兼容很宽的电压采样范围和很高的电压采样精度。
本发明采用高精密热敏电阻、超低温票DA（数模转换）芯片和间接电流反馈结构的仪表放大器构成，间接电流反馈结构的仪表放大器具有更低的失调电压、更高的共模抑制比和更宽的共模输入范围，间接电流反馈结构仪表放大器的第一级输出信号已经将共模信号滤除仅包含差分信号，输出精度更高。
附图说明
图1为本发明的间接电流反馈仪表放大器U1的功能框图；
图2是本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置，偏置电压源P1、热敏电阻RT、温漂数模转换芯片U2、间接电流反馈仪表放大器U1和模数转换芯片U3；热敏电阻RT一端通过固定阻值电阻R1连接偏置电压P1，另一端接地；热敏电阻RT远地端还与间接电流反馈仪表放大器U1连接，温漂数模转换芯片U2和模数转换芯片U3分别与间接电流反馈仪表放大器U1连接；间接电流反馈仪表放大器U1包含放大器C、跨导放大器A和跨导放大器B；跨导放大器A和跨导放大器B分别用于将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压；当间接电流反馈仪表放大器U1稳定工作时，跨导放大器A的输出电流与跨导放大器B的输入电流相等，即通过高增益放大器C，高增益放大器是本领域技术名词，是约定俗成的专有名词，的反馈实现跨导放大器A的输出电流和跨导放大器B的输入电流的匹配，同时使得跨导放大器B输入端的差分电压与跨导放大器A的输入差分电压相同；间接电流反馈仪表放大器U1还包含两级输出，第一级输出是跨导放大器B的输入差分电压，第二级输出是高增益放大器C的输出电压，即为间接电流反馈仪表放大器U1的最终输出电压。跨导放大器A的输出电流和跨导放大器B的输入电流，两者相等也就实现了他们两个的匹配。
进一步的，在跨导放大器B的REF引脚加上一个任意的参考电压Vref，从而为输出电压提供偏置，此时Vout=Av*Vdiff+Vref；参考电压Vref由外置的参考电压源P2提供，外置的参考电压源P2一端连接跨导放大器B的REF，另一端接地。外置的参考电压源P2是一个外置的参考电压源，它为跨导放大器B提供一个参考电压Vref，REF引脚参考电压输入端。
图1是间接电流反馈仪表放大器U1的功能框图，它包含一个高增益放大器C和两个跨导放大器A、B。每个跨导放大器将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压。当间接电流反馈仪表放大器U1稳定工作时，跨导放大器A的输出电流与跨导放大器的输入电流相等，通过放大器C的反馈实现这一电流的匹配，同时使得跨导放大器B输入端的差分电压与跨导放大器A的输入差分电压相同。仪表放大器包含两级输出，第一级输出是跨导放大器B的输入差分电压，第二级输出是放大器C的输出电压即为仪表放大器的最终输出电压。
IN+、IN-为跨导放大器A的输入端，（即仪表放大器的差分输入端）假设输入电压为VIN+和VIN-，则输入共模电压VCM= （VIN++VIN-）/2，输入差分电压Vdiff=VIN+-VIN-，由于放大器C的反馈，跨导放大器B的输入差分电压（仪表放大器的第一级输出电压）也等于Vdiff，此时仪表放大器的第一级输出已经将输入共模电压滤除。这样在输出电阻网络就建立了一个指定的电流I=Vdiff/R1，该电流同样流过R2。所以，放大器C的最终输出电压Vout(仪表放大器的输出电压)仅对输入差分电压进行放大，增益Av=（1+R2/R1）。根据不同的应用场合可以在跨导放大器B的REF（参考电压输入端）引脚加上一个任意的参考电压Vref，从而为输出电压提供偏置，此时Vout=Av*Vdiff+Vref。
热敏电阻RT为高精密热敏电阻，具体是指温度采样精度可达0.01℃，型号为PT1000；，热敏电阻RT和固定阻值电阻R1在偏置电压源P1上的分压VRT=(RT/(RT+R1))*Vbias对应光电子器件（光电子器件指的是需要精密温控的光电子器件，比如激光器、铟镓砷（InGaAs/InP）雪崩光电二极管）的实时工作温度，当器件的工作温度发生变化时，热敏电阻RT的阻值随之变化，分压VRT也相应的改变。
温漂数模转换芯片U2为超低温漂数模转换芯片，具体是指输出电压温漂增益温度系数±2.5ppm，型号AD5624，；温漂数模转换芯片U2用于设定光电子器件（光电子器件指的是需要精密温控的光电子器件，比如激光器、铟镓砷（InGaAs/InP）雪崩光电二极管）的工作温度电压VDAC，温漂数模转换芯片U2内置温漂系数很低的基准电压，所以温漂数模转换芯片U2的输出电压在温漂数模转换芯片U2的工作温度范围内几乎稳定不变。传统的方法通常采用电阻分压的方式来设定工作温度电压，但是由于电阻存在精度和温漂的问题，稍有一点误差经过后续仪表放大电路就会凸显出来，直接影响最终的温度采样精度。
设仪表放大器的差模增益为AV，热敏电阻RT的分压和温漂数模转换芯片U2的设定电压同时输入到间接电流反馈仪表放大器U1中，则间接电流反馈仪表放大器U1的输入共模电压VCM= （VRT +VDAC）/2，输入差分电压Vdiff=VRT - VDAC。输入共模电压是必须被抑制，差分电压才是实际需要的温度采集电压。由上面对间接电流反馈仪表放大器的工作原理分析可知，间接电流反馈仪表放大器的第一级输出信号就已经将输入共模电压滤除仅包含输入差分电压，再由仪表放大器的第二级差模增益AV进一步抑制共模信号，所以间接电流反馈仪表放大器的输入共模电压被完全抑制了。根据实际应用可以在间接电流反馈仪表放大器U1的基准电压输入端增加一个电压值Vref的基准电源为输出提供偏置，这样间接电流反馈仪表放大器U1的最终输出电压VOUT=AV*Vdiff+Vref。
模数转换芯片U3为精密模数转换芯片，是指12位分辨率，微分非线性±0.25LSB，，当光电子器件（光电子器件指的是需要精密温控的光电子器件，比如激光器、铟镓砷（InGaAs/InP）雪崩光电二极管）的实际工作温度达到设定温度时，VRT=VDAC，则Vdiff=VRT- VDAC=0， VOUT= Vref。所以当模数转换芯片U3采集到电压等于Vref时表示器件工作温度与设定温度一致，此时若由于环境等其他因素使器件的工作温度发生微弱的漂移即VRT 变化幅度很小，工作温度电压VDAC恒定不变，那么Vdiff=VRT - VDAC 的变化幅度同样也很小，但是仪表放大器间接电流反馈仪表放大器U1有一个很大可调节的差模增益AV，即使Vdiff变化幅度很小，AV*Vdiff的变化幅度也会被放大，这样即使器件的工作温度发生很微弱的漂移系统也可以精确的采集到实现了温度的精密检测。

Claims (2)

1.一种光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置，其特征在于：包括偏置电压源P1、热敏电阻RT、温漂数模转换芯片U2、间接电流反馈仪表放大器U1和模数转换芯片U3；
热敏电阻RT一端通过固定阻值电阻R1连接偏置电压源P1，另一端接地；热敏电阻RT远地端还与间接电流反馈仪表放大器U1连接，温漂数模转换芯片U2和模数转换芯片U3分别与间接电流反馈仪表放大器U1连接；
间接电流反馈仪表放大器U1包含放大器C、跨导放大器A和跨导放大器B；跨导放大器A和跨导放大器B分别用于将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压；当间接电流反馈仪表放大器U1稳定工作时，跨导放大器A的输出电流与跨导放大器B的输入电流相等，即通过高增益放大器C的反馈实现跨导放大器A的输出电流和跨导放大器B的输入电流的匹配，同时使得跨导放大器B输入端的差分电压与跨导放大器A的输入差分电压相同；间接电流反馈仪表放大器U1还包含两级输出，第一级输出是跨导放大器B的输入差分电压，第二级输出是高增益放大器C的输出电压，即为间接电流反馈仪表放大器U1的最终输出电压。
2.根据权利要求1所述的光纤量子密钥分配系统中光电子器件高精度温度检测装置，其特征在于：在跨导放大器B的REF引脚加上一个任意的参考电压Vref，从而为输出电压提供偏置，此时Vout＝Av*Vdiff+Vref；参考电压Vref由外置的参考电压源P2提供，外置的参考电压源P2一端连接跨导放大器B的REF，另一端接地；Vout是放大器C的输出电压，Vdiff是跨导放大器A的输入差分电压，增益是放大器C的增益。
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