CN110730041A - 一种宽动态范围的光信号接收电路及光功率计 - Google Patents

一种宽动态范围的光信号接收电路及光功率计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种宽动态范围的光信号接收电路及光功率计，其中光信号接收电路包括电压转化电路、光信号探测器和探测转换电路，电压转化电路分别与电源和探测转换电路相连，光信号探测器分别与待测光源和探测转换电路相连；电压转化电路用于将输入电压转化为稳定工作电压提供给探测转换电路；光信号探测器用于将接收到的宽动态范围的光信号转换为电流信号并传至探测转换电路；探测转换电路用于通过对数放大运算将电流信号转换为线性输出的电压信号。本发明提供的光信号接收电路中，在探测部分采用对数转换运算作为核心，可将变化的电流转化为线性输出的电压，采样频率高，可用于制作性能优良的光功率计。

Description

一种宽动态范围的光信号接收电路及光功率计
【技术领域】
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种宽动态范围的光信号接收电路及光功率计。
【背景技术】
光功率计(optical power meter，简写为OPM)是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器仪表。在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表；在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。将光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
其中，光信号接收电路的设计是整个光功率计系统设计的关键，直接影响光功率计的测量动态范围、测试精度等关键指标。常规的光信号接收电路中，通常采用跨导多档放大电路作为核心测量，通过切档来适应不同大小光电流，但是难以避免由于切档带来的输出抖动，需要人为校准，因此采样频率不高，而且对于电阻的高精度、低温漂要求比较高。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题是：
传统的光信号接收电路中通常采用跨导多档放大电路作为核心测量模块，通过切档来适应不同大小光电流，难以避免由于切档带来的输出抖动，需要人为校准，采样频率不高，不利于制作性能优良的光功率计产品。
本发明通过如下技术方案达到上述目的：
第一方面，本发明提供了一种宽动态范围的光信号接收电路，包括电压转化电路、光信号探测器和探测转换电路，所述电压转化电路分别与电源和所述探测转换电路相连接，所述光信号探测器分别与待测光源和所述探测转换电路相连接；
所述电压转化电路用于将电源输入电压转化为稳定的工作电压，并提供给所述探测转换电路；所述光信号探测器用于将接收到的宽动态范围的光信号转换为电流信号，并传输至所述探测转换电路；所述探测转换电路用于通过对数放大运算将电流信号转换为线性输出的电压信号。
优选的，所述探测转换电路采用ADL系列或AD系列的对数芯片实现。
优选的，所述探测转换电路采用ADL5304芯片或AD8304芯片。
优选的，所述电压转化电路采用前级LDO和后级LDO进行电源拓扑；
其中，所述前级LDO和所述后级LDO均采用LDO系列芯片实现，所述前级LDO用于将7～60V的宽范围输入电压降到4.5～5.5V的工作电压范围内，所述后级LDO用于进一步稳压后输出一稳定的工作电压。
优选的，所述前级LDO采用TPS7A1650或TPS54360，将7～60V的输入电压降到5V；所述后级LDO采用MIC5209或HT7350，进一步稳压后输出5V工作电压。
优选的，所述光信号接收电路还包括两个射随电路和滤波电路，所述两个射随电路分别与所述探测转换电路和所述滤波电路相连接；
其中，所述两个射随电路用于对所述探测转换电路输出的电压进行放大或缩小处理，并输出至所述滤波电路；所述滤波电路用于对所述两个射随电路输出的电压进行滤波处理，进而输出线性的电压信号。
优选的，所述光信号探测器采用PIN管，探测波长范围为400nm-1700nm；
其中，在0V偏压时，暗电流Idark为0.05nA，最大电流IMAX为10mA，波长1550nm时响应度为0.9mA/mW。
优选的，所述探测转换电路采用ADL5304，所述PIN管的反向偏压通过10*Rs连到ADL5304的IMON管脚，CASE接到ADL5304的1.5V参考电压IP5V管脚；其中，Rs表示PIN管的内部串联寄生电阻。
优选的，所述探测转换电路采用ADL5304，则ADL5304电路的输出电压和输入电流之间满足以下转化关系：
其中，VLOG表示ADL5304的输出电压，INUM表示ADL5304的输入电流；VY表示斜率，IDEN表示ADL5304的IDEN管脚上的电流，VOFS表示电压偏置，且参数VY、IDEN、VOFS均由ADL5304电路的连线决定。
优选的，当所述探测转换电路采用ADL5304，所述光信号探测器采用PIN管时，在单电源供电情况下，ADL5304电路的连线情况具体为：
pinSCL1管脚接VLOG管脚，pinSCL2管脚接pinINPS管脚，pinSCL3管脚开路，pinINPS管脚接IP5V管脚；此时，VY为200mv/dec，IDEN为100nA，VOFS为1.5V。
优选的，对于ADL5304电路，1.5V保护铜皮区包住INUM管脚和IDEN管脚，布板时在PCB底层和顶层电流敏感区域做阻焊开窗处理，底层1.5V铺铜区域对应中间信号层灌铜区添加同尺寸挖铜区。
优选的，对于ADL5304电路，当INUM管脚的输入电流大于1nA时，带宽最大达到25kHZ；当INUM管脚的输入电流大于10nA时，带宽最大达到350kHZ。
第二方面，本发明提供了一种光功率计，采用第一方面所述的宽动态范围的光信号接收电路实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的光信号接收电路中，探测转换部分采用对数放大运算作为核心，能够将变化的电流转化为线性输出的电压，而无需通过切档来适应不同大小光电流，采样频率高，在输入光强从0dBm到-60dBm都有很好的线性度，且输出电压的噪音在10mV以内，可用于制作性能优良的光功率计产品。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种宽动态范围的光信号接收电路的结构组成框架图；
图2为本发明实施例提供的一种宽动态范围的光信号接收电路的优选芯片结构连接图；
图3为本发明实施例提供的光信号接收电路中TPS7A1650的电路连接关系图；
图4为本发明实施例提供的光信号接收电路中MIC5209的电路连接关系图；
图5为本发明实施例提供的光信号接收电路中ADL5304的电路连接关系图；
图6为本发明实施例提供的光信号接收电路中ADL5304的PCB底层布局图；
图7为本发明实施例提供的光信号接收电路中ADL5304的PCB顶层布局图；
图8为本发明实施例提供的光信号接收电路中两个射随和滤波的电路连接关系图；
图9为本发明实施例提供的光信号接收电路的I-V转化曲线图；
图10为本发明实施例提供的光信号接收电路的响应波形图；
图11为本发明实施例提供的光信号接收电路输出电压的抖动波形图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种宽动态范围的光信号接收电路，如图1所示，包括电压转化电路、光信号探测器和探测转换电路，所述电压转化电路分别与电源和所述探测转换电路相连接，所述光信号探测器分别与待测光源和所述探测转换电路相连接。其中，所述电压转化电路用于将电源输入电压转化为稳定的工作电压，并提供给所述探测转换电路；所述光信号探测器用于将接收到的宽动态范围的光信号转换为电流信号，并传输至所述探测转换电路；所述探测转换电路主要采用对数芯片实现，进而通过对数转换运算将电流信号转换为线性输出的电压信号。进一步地，所述光信号接收电路还可包括滤波模块，所述滤波模块连接在所述探测转换电路之后，用于将所述探测转换电路输出的电压按要求调理后输出。
其中，所述探测转换电路可采用ADL系列或AD系列的对数芯片实现，例如ADL5304或AD8304。二者的不同之处在于：ADL5304的测量范围和采样频率相对于AD8304更好，但ADL5304对布板要求较高，需考虑减少泄漏电流的问题。本实施例经多次实验对比发现，在多个ADL系列或AD系列的对数芯片中，ADL5304的转换效果最佳，因此使用时可优先选择。
以所述探测转换电路采用ADL5304为例，将待测光源接到所述光信号探测器后，所述光信号探测器把接收到的光信号转换成电流信号，电流信号由ADL5304电路进行对数运算放大后转化为电压信号，再经过所述滤波模块输出给外部。通过对数芯片的对数转换运算，无论电流的大小如何，都可以直接转换为线性电压输出，而无需通过切档来适应不同大小的电流。高精度的光功率计要求测试范围能到-60dBm，对光功率计的光信号接收电路的放大增益和信噪比指标都提出了很高的要求。
本发明提供的上述光信号接收电路中，探测转换部分采用对数转换运算作为核心，能够将变化的电流转化为线性输出的电压，而无需通过切档来适应不同大小光电流，采样频率高，在输入光强从0dBm到-60dBm都有很好的线性度，且可保证输出电压的噪音在10mV以内，可用于制作性能优良的光功率计产品。
参考图2，对于所述电压转化电路，为降低噪音，并为所述探测转换电路提供稳定的工作电压，所述电压转化电路采用两级LDO(即前级LDO和后级LDO)进行电源拓扑，所述前级LDO用于将7～60V的宽范围输入电压降到工作电压范围内，所述后级LDO用于进一步稳压后输出稳定的工作电压；其中，所述工作电压在4.5～5.5V范围内，优选为5V。所述前级LDO和所述后级LDO均采用LDO系列芯片实现，具体地，所述前级LDO可选用TPS系列型号，例如TPS7A1650或TPS54360；所述后级LDO可选用MIC系列型号的MIC5209或HT系列型号的HT7350。
结合图2，在一个优选的实施例中，所述电压转化电路采用TPS7A1650加MIC5209组合，所述探测转换电路采用ADL5304，所述光信号探测器采用PIN管；所述滤波模块具体由两个射随电路和一个滤波电路组成。下面结合附图，对各部分电路结构或电路连接关系等进行介绍。
参考图2，在所述电压转化电路中，所述前级LDO采用TPS7A1650，可将7～60V的输入电压降到5V；所述后级LDO采用MIC5209，可进一步稳压后输出5V工作电压。其中，所述TPS7A1650的电路连接关系如图3所示，利用TPS7A1650的宽电压输入特性提高了整个电路的电压输入范围，使得输入电压在7～60V；所述MIC5209的电路连接关系如图4所示，利用MIC5209的低压差、低噪音的特性，可将工作电压稳定在5V，噪音抖动在15mV以内，提高整个电路测试微弱信号的精度。其中，对于MIC5209，电源滤波电容优先选取一个陶瓷电容和一个坦电容结合的方式，此时滤波效果较好。
由上可知，所述电压转化电路通过采用TPS7A1650加MIC5209组合，可提供不超过15mV噪音的稳定5V工作电压。当然，在可选的实施例中，所述前级LDO还可采用TPS54360，所述后级LDO还可采用HT7350，同样可提供稳定的5V工作电压，具体电路连接关系在此不做赘述。
继续参考图2，所述光信号探测器采用PIN管，探测波长范围为400nm-1700nm；其中，在0V偏压时，暗电流Idark为0.05nA，最大电流IMAX为10mA，波长1550nm时响应度为0.9mA/mW。当输入的光强为0dBm～-60dBm，所述PIN管在波长1550nm时响应度0.9mA/mW，被转化的电流信号幅值范围为0.9nA<i<0.9mA，如此微弱的电流信号需要放大并转换为1.1V～2.3V的电压信号，以便在模数转换后方便信号处理器进行处理。
结合图5，当所述探测转换电路采用ADL5304时，所述PIN管的反向偏压需要通过10*Rs连到ADL5304的IMON管脚(即图中30号引脚)，CASE接到ADL5304的1.5V参考电压IP5V管脚(即图中26号引脚)。其中，Rs表示PIN管的内部串联寄生电阻，10*Rs可以抵消PIN管的内部串联寄生电阻。在这里，IMON＝1.1*INUM，IMON表示IMON管脚上的电流，INUM表示管脚INUM上的电流，即ADL5304的输入电流；因此，IMON由输入光电流决定，可以抵消PIN管的暗电流干扰。
如图6和图7所示，为了减少泄露电流和外部干扰，对于ADL5304电路，1.5V保护铜皮区需要包住INUM管脚和IDEN管脚，布板时在PCB底层和顶层电流敏感区域做阻焊开窗处理，并确保此区域清洁，无焊膏及油脂污染，底层1.5V铺铜区域对应中间信号层灌铜区添加同尺寸挖铜区。如此一来，可达到减少泄露电流的目的，提高整个电路在微弱信号时的探测精度。其中，当光功率计的响应速率是比较重要的指标时，不可在INUM端添加滤波电容，此时可以参考图5，放置电阻R25、电容C23(100nF)在INDN输入端，实现分母侧滤波；放置电阻R8、电容C12(47pF)在INNM输入端，实现分子侧滤波；放置电容C15(最佳值为22pf)在VLOG输出端，IDEN端连到内部高精度100mA参考源。
继续参考图2，所述探测转换电路采用ADL5304，此时ADL5304的输出电压和输入电流之间满足以下转化关系：
Figure BDA0002208879810000081
其中，VLOG表示ADL5304的输出电压(VLOG管脚上的电压)，INUM表示ADL5304的输入电流(INUM管脚上的电流)；VY表示斜率，IDEN表示ADL5304的IDEN管脚上的电流(也称为分母测电流)，VOFS表示电压偏置，且参数VY、IDEN、VOFS均由ADL5304电路的连线决定。
参考图5，一种优选的ADL5304电路连线情况为：在单电源供电情况下，pinSCL1管脚接VLOG管脚，pinSCL2管脚接pinINPS管脚，pinSCL3管脚开路，pinINPS管脚接IP5V管脚；此时，VY为200mv/dec，IDEN为100nA，VOFS为1.5V。其中，所述探测转换电路留有复选接口，可根据需要改变各参数值；PCB布板应满足图6和图7中所示的要求，否则无法达到小信号的测试线性度要求。对于ADL5304电路，当INUM管脚的输入电流大于1nA时，带宽最大达到25kHZ；当INUM管脚的输入电流大于10nA时，带宽最大达到350kHZ。另外，对于图5中标出的包含PIN+、PIN-、SHIELD在内的虚线框，框内加粗部分在布板时需要特别注意对泄漏电流的控制，线缆可优选采用两芯双层屏蔽绞线。
继续参考图2，对于所述滤波模块，所述两个射随电路分别与所述探测转换电路(即ADL5304)和所述滤波电路相连接，所述射随电路用于对所述探测转换电路(即ADL5304)输出的电压进行放大或缩小处理，并输出至所述滤波电路；所述滤波电路用于对所述射随电路输出的电压进行滤波处理，进而输出线性的电压信号。结合图8，为提高信号转换质量和速度，需选择带宽高、增益大、噪声小和偏置电流小的放大器，而所述两个射随电路具有高带宽、低压差、高输入阻抗、低偏置电流等特性，因此采用两级放大器组成的射随电路提高了后级电路的输入阻抗，减少信号传输过程中的噪音干扰，调整输出信号幅度，提高了整个电路的测量精度。也就是说，这里采用两个射随电路可提高后级电路接收电压信号的能力，实现阻抗隔离、提高信号增益水平和噪声抑制的效果。其中，R13和R20组成的分压电路优选地采用低温漂高精度电阻，使精度达到0.1％。
另外，本发明实施例中经过多次实验证明，通过采用本实施例提供的所述光信号接收电路进行光信号探测，可以实现光强在0dBm到-60dBm间的高精度线性测量，如图9所示。如图10所示，可调光源调制信号频率1kHz，衰减60dB(电路设计20mV/dB，测试点取输出电压一半，衰减60dB由抓取波形VMAX-VMIN反推得出)时，上升电压为0.62V(即图中1.16V减去0.54V)，输出稳定时间或者说上升时间为3.2us(即图中10.2us减去7us)，即312.5kHz。如图11所示，输出电压信号噪音在15mV以内。综上所述，采用该电路设计的光功率计可以实现输入电压范围：7～60V，探测波长范围：400nm-1700nm，测试光强范围：-60dBm～0dBm；输入端电流在大于1nA时带宽最大可达25kHz，大于10nA时带宽最大可达350kHz的高精度快速宽动态范围光功率计。
在上述光信号接收电路的基础上，本发明实施例还进一步提供了一种光功率计，采用上述实施例中所述的宽动态范围的光信号接收电路实现，具体电路结构在此不再赘述。在光功率计中，对所述探测转换电路转换后的输出电压VLOG进行高速采样处理，再将采样结果经过相应的算法处理从而得出对应的光功率大小。
综上所述，本发明实施例提供的光信号接收电路具有以下有益效果：
第一，探测转换电路部分采用ADL5304作为核心测量模块，能够将变化的电流转化为线性输出的电压，采样频率高，在输入光强从0dBm到-60dBm都有很好的线性度，且输出电压的噪音在10mV以内；
第二，电压转化电路部分采用TPS7A1650加MIC5209电源拓扑，输入电压在7～60V时，输出电压为稳定的5V，且输出电压噪音在15mV以内；
第三，滤波部分采用两个射随电路，可实现阻抗隔离、提高信号增益水平和噪声抑制的效果；
第四，所述光信号接收电路可用于制作性能优良的光功率计产品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，包括电压转化电路、光信号探测器和探测转换电路，所述电压转化电路分别与电源和所述探测转换电路相连接，所述光信号探测器分别与待测光源和所述探测转换电路相连接；
所述电压转化电路用于将电源输入电压转化为稳定的工作电压，并提供给所述探测转换电路；所述光信号探测器用于将接收到的宽动态范围的光信号转换为电流信号，并传输至所述探测转换电路；所述探测转换电路用于通过对数转换运算将电流信号转换为线性输出的电压信号。
2.根据权利要求1所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述探测转换电路采用ADL系列或AD系列的对数芯片实现。
3.根据权利要求1所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述电压转化电路采用前级LDO和后级LDO进行电源拓扑；
其中，所述前级LDO和所述后级LDO均采用LDO系列芯片实现，所述前级LDO用于将7～60V的宽范围输入电压降到4.5～5.5V的工作电压范围内，所述后级LDO用于进一步稳压后输出一稳定的工作电压。
4.根据权利要求1所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述光信号接收电路还包括两个射随电路和滤波电路，所述两个射随电路分别与所述探测转换电路和所述滤波电路相连接；
其中，所述两个射随电路用于对所述探测转换电路输出的电压进行放大或缩小处理，并输出至所述滤波电路；所述滤波电路用于对所述两个射随电路输出的电压进行滤波处理，进而输出线性的电压信号。
5.根据权利要求1所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述光信号探测器采用PIN管，探测波长范围为400nm-1700nm；
其中，在0V偏压时，暗电流Idark为0.05nA，最大电流IMAX为10mA，波长1550nm时响应度为0.9mA/mW。
6.根据权利要求5所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述探测转换电路采用ADL5304，所述PIN管的反向偏压通过10*Rs连到ADL5304的IMON管脚，CASE接到ADL5304的1.5V参考电压IP5V管脚；其中，Rs表示PIN管的内部串联寄生电阻。
7.根据权利要求1-6任一所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，所述探测转换电路采用ADL5304，则ADL5304电路的输出电压和输入电流之间满足以下转化关系：
Figure FDA0002208879800000021
其中，VLOG表示ADL5304的输出电压，INUM表示ADL5304的输入电流；VY表示斜率，IDEN表示ADL5304的IDEN管脚上的电流，VOFS表示电压偏置，且参数VY、IDEN、VOFS均由ADL5304电路的连线决定。
8.根据权利要求7所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，当所述探测转换电路采用ADL5304，所述光信号探测器采用PIN管时，在单电源供电情况下，ADL5304电路的连线情况具体为：
pin SCL1管脚接VLOG管脚，pin SCL2管脚接pin INPS管脚，pin SCL3管脚开路，pinINPS管脚接IP5V管脚；此时，VY为200mv/dec，IDEN为100nA，VOFS为1.5V。
9.根据权利要求7所述的宽动态范围的光信号接收电路，其特征在于，对于ADL5304电路，1.5V保护铜皮区包住INUM管脚和IDEN管脚，布板时在PCB底层和顶层电流敏感区域做阻焊开窗处理，底层1.5V铺铜区域对应中间信号层灌铜区添加同尺寸挖铜区。
10.一种光功率计，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的宽动态范围的光信号接收电路实现。
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