CN110011175B - 硬件功率控制的小型光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬件功率控制的小型光放大器，包括光路部和电路控制部；光路部中至少设有输入监控光探测器、泵浦源、输出监控光探测器；电路控制部包括：输入检测单元、输入回差告警迟滞比较单元、控制单元、泵浦驱动单元、输出检测单元、开关泵功能单元；输入监控光探测器连接输入检测单元，输入检测单元的一路输出连接控制单元，另一路输出连接输入回差告警迟滞比较单元；控制单元连接泵浦驱动单元，泵浦驱动单元连接泵浦源；输入回差告警迟滞比较单元的输出连接开关泵功能单元；开关泵功能单元连接泵浦驱动单元；输出监控光探测器连接输出检测单元，输出检测单元的一路输出连接控制单元。本发明可减少功能控制的响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种光放大器，尤其是一种基于硬件控制响应时间的小型光放大器。
背景技术
光放大器是一种可以将弱输入信号通过受激辐射原理放大为强输出信号的装置，在光纤通信长距离传输中有重要地位。实际运用中，单波信号在光纤中采用APC（自动功率控制）方式传输，并集成无光告警及关泵、自动开泵等特殊功能。
对于无光告警（或输入光信号低于设定阈值时）及关泵、自动开泵等特殊功能，由于工作条件的不断改变，会对上述功能的开启有时间要求，传统方式由MCU（微处理器）控制实现时间会在毫秒级别，主要是由于软件的主循环时间太长。特殊的传输系统既要在小空间实现上述功能，又要将响应时间控制在微秒级别，通过MCU实现控制就比较困难。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种硬件功率控制的小型光放大器，旨在通过硬件电路，实现无光关泵、自动开泵、输出功率过高报警等特殊功能的响应时间在微秒级别。本发明采用的技术方案是：
一种硬件功率控制的小型光放大器，包括光路部和电路控制部；光路部中至少设有输入监控光探测器、泵浦源、输出监控光探测器；其特征在于，
所述电路控制部至少包括：输入检测单元、输入回差告警迟滞比较单元、控制单元、泵浦驱动单元、输出检测单元、开关泵功能单元；
输入监控光探测器连接输入检测单元，输入检测单元的一路输出连接控制单元，另一路输出连接输入回差告警迟滞比较单元；控制单元连接泵浦驱动单元，泵浦驱动单元连接泵浦源；
输入回差告警迟滞比较单元的输出连接开关泵功能单元；开关泵功能单元连接泵浦驱动单元；
输出监控光探测器连接输出检测单元，输出检测单元的一路输出连接控制单元。
进一步地，输入回差告警迟滞比较单元中包括第一信号放大电路和第一电压迟滞比较器；第一信号放大电路的输入接输入检测单元的输出信号，输出接第一电压迟滞比较器的反相输入端，第一电压迟滞比较器的同相输入端接设定参考电压In_Vref1；第一电压迟滞比较器的输出接开关泵功能单元。
更进一步地，第一信号放大电路包括：运算放大器U102、电阻R101、R102、R103、R104；
第一电压迟滞比较器包括：比较器U103、电阻R107、R108、R109、R110、R111、二极管D101；
开关泵功能单元包括比较器U104、电阻R112、R113、R114；
电阻R101的一端接输入检测单元的输出信号，另一端接电阻R102的一端和运算放大器U102的同相输入端，电阻R102的另一端接地，运算放大器U102的反相输入端接电阻R103一端和电阻R104一端，电阻R103另一端接地，电阻R104的另一端接运算放大器U102的输出端；
运算放大器U102的输出端通过电阻R108接比较器U103的反相输入端；比较器U103的同相输入端通过电阻R107接设定参考电压In_Vref1；
比较器U103的同相输入端接电阻R109一端，电阻R109另一端接电阻R110一端和比较器U103的输出端，以及二极管D101的阴极；电阻R110的另一端接电阻R111的一端和正电压VCC，二极管D101的阳极接电阻R111的另一端，并连接比较器U104的反相输入端；
比较器U104的同相输入端接电阻R112一端和电阻R113一端，电阻R112另一端接正电压VCC，电阻R113另一端接地，比较器U104的输出端通过电阻R114接泵浦驱动单元。
更进一步地，设定参考电压In_Vref1通过第一参考电压隔离与调节电路输出；
第一参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U101、电阻R105、可变电阻R106；运算放大器U101的同相输入端接参考电压Vref1，反相输入端接其输出端；运算放大器U101的输出端接电阻R105的一端，电阻R105的另一端通过可变电阻R106接地，电阻R105的另一端输出设定参考电压In_Vref1。
更进一步地，所述电路控制部还包括一手动开关泵单元；
手动开关泵单元包括运算放大器U105、电阻R116、R117、R118、二极管D102；运算放大器U105的同相输入端接电阻R118一端，电阻R118另一端接电阻R116一端和电阻R117一端，电阻R116另一端接地，电阻R117另一端接正电压VCC；运算放大器U105的反相输入端通过电阻R115接地，运算放大器U105的反相输入端用于接手动开关泵信号Ext_shutdown，运算放大器U105的输出端接二极管D102的阴极，二极管D102的阳极接开关泵功能单元中比较器U104的反相输入端。
进一步地，所述电路控制部还包括一输出回差告警迟滞比较单元；输出检测单元的另一路输出连接输出回差告警迟滞比较单元。
更进一步地，输出回差告警迟滞比较单元中包括第二信号放大电路和第二电压迟滞比较器；第二信号放大电路的输入接输出检测单元的输出信号，输出接第二电压迟滞比较器的反相输入端，第二电压迟滞比较器的同相输入端接设定参考电压In_Vref2；第二电压迟滞比较器的输出端用于输出告警信号。
更进一步地，第二信号放大电路包括：运算放大器U202、电阻R201、R202、R203、R204；
第二电压迟滞比较器包括：比较器U203、电阻R207、R208、R209、R210、R211、二极管D201；
电阻R201的一端接输出检测单元的输出信号，另一端接电阻R202的一端和运算放大器U202的同相输入端，电阻R202的另一端接地，运算放大器U202的反相输入端接电阻R203一端和电阻R204一端，电阻R203另一端接地，电阻R204的另一端接运算放大器U202的输出端；
运算放大器U202的输出端通过电阻R208接比较器U203的反相输入端；比较器U203的同相输入端通过电阻R207接设定参考电压In_Vref2；
比较器U203的同相输入端接电阻R209一端，电阻R209另一端接电阻R210一端和比较器U203的输出端，以及二极管D201的阴极；电阻R210的另一端接电阻R211的一端和正电压VCC，二极管D201的阳极接电阻R111的另一端；
电阻R111的另一端输出告警信号。
更进一步地，设定参考电压In_Vref2通过第二参考电压隔离与调节电路输出；第二参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U201、电阻R205、可变电阻R206；运算放大器U201的同相输入端接参考电压Vref2，反相输入端接其输出端；运算放大器U201的输出端接电阻R205的一端，电阻R205的另一端通过可变电阻R206接地，电阻R205的另一端输出设定参考电压In_Vref2。
本发明的优点在于：
1）通过硬件告警电路，可以快速响应输入告警、输出告警、开关泵，并将响应时间控制在微秒级别。
2）由于使用硬件电路控制，不需要MCU等外设电路，成本相比传统的产品更低。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的输入回差告警迟滞比较单元、开关泵功能单元和手动开关泵单元的电路图。
图3为本发明的输出回差告警迟滞比较单元的电路图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种硬件功率控制的小型光放大器，包括光路部和电路控制部；
光路部包括输入分光器101、输入监控光探测器102、输入隔离器103、复用器104、泵浦源105、掺铒光纤106、输出隔离器107、输出分光器108、输出监控光探测器109；
输入监控光探测器102和输出监控光探测器109均采用PIN光电二极管；
输入分光器101的输入端用于接输入光信号，主分光端接输入隔离器103的输入端，次分光端接输入监控光探测器102；输入隔离器103的输出端接复用器104的一输入端，复用器104的另一输入端接泵浦源105的输出端，复用器104的输出端接掺铒光纤106的一端，掺铒光纤106的另一端接输出隔离器107的输入端，输出隔离器107的输出端接输出分光器108的输入端，输出分光器108的主分光端输出输出光信号，次分光端接输出监控光探测器109；
本发明的重点在于电路控制部；
电路控制部包括输入检测单元201、输入回差告警迟滞比较单元202、控制单元203、泵浦驱动单元204、输出检测单元205、输出回差告警迟滞比较单元206、开关泵功能单元207，还可以进一步包括手动开关泵单元208；
输入监控光探测器102连接输入检测单元201，输入检测单元201的一路输出连接控制单元203，另一路输出连接输入回差告警迟滞比较单元202；控制单元203连接泵浦驱动单元204，泵浦驱动单元204连接泵浦源105；
输入回差告警迟滞比较单元202的输出连接开关泵功能单元207；开关泵功能单元207连接泵浦驱动单元204；
输出监控光探测器109连接输出检测单元205，输出检测单元205的一路输出连接控制单元203，另一路输出连接输出回差告警迟滞比较单元206；
手动开关泵单元208连接开关泵功能单元207；
通过输入分光器101、输入监控光探测器102、输入检测单元201，对于输入光信号的功率进行实时监控反馈；通过输出分光器108、输出监控光探测器109、输出检测单元205，对于输出光信号的功率进行实时监控反馈，控制单元203根据反馈的输入、输出光信号功率，通过泵浦驱动单元204调整驱动电流，实现泵浦源105输出的泵浦光的调节，上述闭环调节的过程和相关电路不是本发明的重点，在此仅作简单介绍；
输入检测单元201、输出检测单元205中均包括PIN光电二极管的电流电压转换电路以及电压放大线路，这部分电路为常规电路；
泵浦驱动单元204通常包括一NPN三极管；NPN三极管可提供驱动电流；
本发明的重点在于输入回差告警迟滞比较单元202、输出回差告警迟滞比较单元206、开关泵功能单元207，以及可选地，手动开关泵单元208；
如图2所示，输入回差告警迟滞比较单元202包括运算放大器U102、比较器U103、电阻R101、R102、R103、R104、R107、R108、R109、R110、R111、二极管D101；
开关泵功能单元207包括比较器U104、电阻R112、R113、R114；
电阻R101的一端接输入检测单元201的输出信号，另一端接电阻R102的一端和运算放大器U102的同相输入端，电阻R102的另一端接地，运算放大器U102的反相输入端接电阻R103一端和电阻R104一端，电阻R103另一端接地，电阻R104的另一端接运算放大器U102的输出端；
运算放大器U102的输出端通过电阻R108接比较器U103的反相输入端；比较器U103的同相输入端通过电阻R107接设定参考电压In_Vref1；
比较器U103的同相输入端接电阻R109一端，电阻R109另一端接电阻R110一端和比较器U103的输出端，以及二极管D101的阴极；电阻R110的另一端接电阻R111的一端和正电压VCC，二极管D101的阳极接电阻R111的另一端，并连接比较器U104的反相输入端；
比较器U104的同相输入端接电阻R112一端和电阻R113一端，电阻R112另一端接正电压VCC，电阻R113另一端接地，比较器U104的输出端通过电阻R114接泵浦驱动单元204；
上述电路中，运算放大器U102、电阻R101、R102、R103、R104构成了第一信号放大电路，比较器U103、电阻R107、R108、R109、R110、R111、二极管D101构成了第一电压迟滞比较器；通过设定参考电压In_Vref1，第一电压迟滞比较器可确定告警关泵电压和开泵电压；
例如，当输入光信号消失，或者低于功率门限，则U102的输入信号Input接近0，U102输出低电平，且低于第一电压迟滞比较器的迟滞回差范围的下限，那么U103输出高电平，U104的反相输入端得到高电平，则U104输出低电平，控制泵浦驱动单元204中NPN三极管关断，实现了关泵；
第一电压迟滞比较器可避免泵浦源的频繁开关，当输入光信号又出现，只有当输入光信号功率大于设定功率门限时，U102输出的电压高于第一电压迟滞比较器的迟滞回差范围的上限时，U103输出电压才会反转，从高电平转为低电平，这时二极管D101可以导通，U104的反相输入端得到低电平，则U104输出高电平，控制泵浦驱动单元204中NPN三极管导通，实现开泵；
设定参考电压In_Vref1通过第一参考电压隔离与调节电路输出；第一参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U101、电阻R105、可变电阻R106；运算放大器U101的同相输入端接参考电压Vref1，反相输入端接其输出端；运算放大器U101的输出端接电阻R105的一端，电阻R105的另一端通过可变电阻R106接地，电阻R105的另一端输出设定参考电压In_Vref1；运算放大器U101主要起隔离作用，可变电阻R106可调节设定参考电压In_Vref1的大小，以便根据输入光信号的强度实现关泵、开泵；
手动开关泵单元208包括运算放大器U105、电阻R116、R117、R118、二极管D102；运算放大器U105的同相输入端接电阻R118一端，电阻R118另一端接电阻R116一端和电阻R117一端，电阻R116另一端接地，电阻R117另一端接正电压VCC；运算放大器U105的反相输入端通过电阻R115接地，运算放大器U105的反相输入端用于接手动开关泵信号Ext_shutdown，运算放大器U105的输出端接二极管D102的阴极，二极管D102的阳极接开关泵功能单元207中比较器U104的反相输入端。
当手动开关泵信号Ext_shutdown为低电平时，可实现关泵；
如图3所示，输出回差告警迟滞比较单元206包括运算放大器U202、比较器U203、电阻R201、R202、R203、R204、R207、R208、R209、R210、R211、二极管D201；
电阻R201的一端接输出检测单元205的输出信号，另一端接电阻R202的一端和运算放大器U202的同相输入端，电阻R202的另一端接地，运算放大器U202的反相输入端接电阻R203一端和电阻R204一端，电阻R203另一端接地，电阻R204的另一端接运算放大器U202的输出端；
运算放大器U202的输出端通过电阻R208接比较器U203的反相输入端；比较器U203的同相输入端通过电阻R207接设定参考电压In_Vref2；
比较器U203的同相输入端接电阻R209一端，电阻R209另一端接电阻R210一端和比较器U203的输出端，以及二极管D201的阴极；电阻R210的另一端接电阻R211的一端和正电压VCC，二极管D201的阳极接电阻R111的另一端；
电阻R111的另一端可输出告警信号；或者将输出光信号的告警信号发送给控制单元；
上述电路中，运算放大器U202、电阻R201、R202、R203、R204构成了第二信号放大电路，比较器U203、电阻R207、R208、R209、R210、R211、二极管D201构成了第二电压迟滞比较器；
输出回差告警迟滞比较单元206的工作原理与输入回差告警迟滞比较单元202类似，但是其不需要去实现关泵和开泵操作；第二电压迟滞比较器与第一电压迟滞比较器原理相同；当输出光信号过大时，U202输出高电平，U102输出的电压高于第二电压迟滞比较器的迟滞回差范围的上限时，U203输出电压会反转，从高电平转为低电平，U203输出低电平代表一个告警信号，表示光放大器的输出光功率过高；这个告警信号可用于控制告警电路中LED灯点亮。告警电路比较常见，本发明不再赘述。
设定参考电压In_Vref2通过第二参考电压隔离与调节电路输出；第二参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U201、电阻R205、可变电阻R206；运算放大器U201的同相输入端接参考电压Vref2，反相输入端接其输出端；运算放大器U201的输出端接电阻R205的一端，电阻R205的另一端通过可变电阻R206接地，电阻R205的另一端输出设定参考电压In_Vref2；运算放大器U201主要起隔离作用，可变电阻R206可调节设定参考电压In_Vref2的大小。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种硬件功率控制的小型光放大器，包括光路部和电路控制部；光路部中至少设有输入监控光探测器(102)、泵浦源(105)、输出监控光探测器(109)；其特征在于，
所述电路控制部至少包括：输入检测单元(201)、输入回差告警迟滞比较单元(202)、控制单元(203)、泵浦驱动单元(204)、输出检测单元(205)、开关泵功能单元(207)；
输入监控光探测器(102)连接输入检测单元(201)，输入检测单元(201)的一路输出连接控制单元(203)，另一路输出连接输入回差告警迟滞比较单元(202)；控制单元(203)连接泵浦驱动单元(204)，泵浦驱动单元(204)连接泵浦源(105)；
输入回差告警迟滞比较单元(202)的输出连接开关泵功能单元(207)；开关泵功能单元(207)连接泵浦驱动单元(204)；
输出监控光探测器(109)连接输出检测单元(205)，输出检测单元(205)的一路输出连接控制单元(203)；
输入回差告警迟滞比较单元(202)中包括第一信号放大电路和第一电压迟滞比较器；第一信号放大电路的输入接输入检测单元(201)的输出信号，输出接第一电压迟滞比较器的反相输入端，第一电压迟滞比较器的同相输入端接设定参考电压In_Vref1；第一电压迟滞比较器的输出接开关泵功能单元(207)；
第一信号放大电路包括：运算放大器U102、电阻R101、R102、R103、R104；
第一电压迟滞比较器包括：比较器U103、电阻R107、R108、R109、R110、R111、二极管D101；
开关泵功能单元(207)包括比较器U104、电阻R112、R113、R114；
电阻R101的一端接输入检测单元(201)的输出信号，另一端接电阻R102的一端和运算放大器U102的同相输入端，电阻R102的另一端接地，运算放大器U102的反相输入端接电阻R103一端和电阻R104一端，电阻R103另一端接地，电阻R104的另一端接运算放大器U102的输出端；
运算放大器U102的输出端通过电阻R108接比较器U103的反相输入端；比较器U103的同相输入端通过电阻R107接设定参考电压In_Vref1；
比较器U103的同相输入端接电阻R109一端，电阻R109另一端接电阻R110一端和比较器U103的输出端，以及二极管D101的阴极；电阻R110的另一端接电阻R111的一端和正电压VCC，二极管D101的阳极接电阻R111的另一端，并连接比较器U104的反相输入端；
比较器U104的同相输入端接电阻R112一端和电阻R113一端，电阻R112另一端接正电压VCC，电阻R113另一端接地，比较器U104的输出端通过电阻R114接泵浦驱动单元(204)。
2.如权利要求1所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
设定参考电压In_Vref1通过第一参考电压隔离与调节电路输出；
第一参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U101、电阻R105、可变电阻R106；运算放大器U101的同相输入端接参考电压Vref1，反相输入端接其输出端；运算放大器U101的输出端接电阻R105的一端，电阻R105的另一端通过可变电阻R106接地，电阻R105的另一端输出设定参考电压In_Vref1。
3.如权利要求1所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
所述电路控制部还包括一手动开关泵单元(208)；
手动开关泵单元(208)包括运算放大器U105、电阻R116、R117、R118、二极管D102；运算放大器U105的同相输入端接电阻R118一端，电阻R118另一端接电阻R116一端和电阻R117一端，电阻R116另一端接地，电阻R117另一端接正电压VCC；运算放大器U105的反相输入端通过电阻R115接地，运算放大器U105的反相输入端用于接手动开关泵信号Ext_shutdown，运算放大器U105的输出端接二极管D102的阴极，二极管D102的阳极接开关泵功能单元(207)中比较器U104的反相输入端。
4.如权利要求1所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
所述电路控制部还包括一输出回差告警迟滞比较单元(206)；
输出检测单元(205)的另一路输出连接输出回差告警迟滞比较单元(206)。
5.如权利要求4所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
输出回差告警迟滞比较单元(206)中包括第二信号放大电路和第二电压迟滞比较器；第二信号放大电路的输入接输出检测单元(205)的输出信号，输出接第二电压迟滞比较器的反相输入端，第二电压迟滞比较器的同相输入端接设定参考电压In_Vref2；第二电压迟滞比较器的输出端用于输出告警信号。
6.如权利要求5所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
第二信号放大电路包括：运算放大器U202、电阻R201、R202、R203、R204；
第二电压迟滞比较器包括：比较器U203、电阻R207、R208、R209、R210、R211、二极管D201；
电阻R201的一端接输出检测单元(205)的输出信号，另一端接电阻R202的一端和运算放大器U202的同相输入端，电阻R202的另一端接地，运算放大器U202的反相输入端接电阻R203一端和电阻R204一端，电阻R203另一端接地，电阻R204的另一端接运算放大器U202的输出端；
运算放大器U202的输出端通过电阻R208接比较器U203的反相输入端；比较器U203的同相输入端通过电阻R207接设定参考电压In_Vref2；
比较器U203的同相输入端接电阻R209一端，电阻R209另一端接电阻R210一端和比较器U203的输出端，以及二极管D201的阴极；电阻R210的另一端接电阻R211的一端和正电压VCC，二极管D201的阳极接电阻R111的另一端；
电阻R111的另一端输出告警信号。
7.如权利要求5所述的硬件功率控制的小型光放大器，其特征在于，
设定参考电压In_Vref2通过第二参考电压隔离与调节电路输出；第二参考电压隔离与调节电路包括：运算放大器U201、电阻R205、可变电阻R206；运算放大器U201的同相输入端接参考电压Vref2，反相输入端接其输出端；运算放大器U201的输出端接电阻R205的一端，电阻R205的另一端通过可变电阻R206接地，电阻R205的另一端输出设定参考电压In_Vref2。
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