CN111257625B - 半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，该积分比较器包括电压电流转换电路和电荷积分比较器；电压电流转换电路中包括跨导放大器和用于消除跨导放大器直流失调的误差放大器，且通过四组开关控制三组时钟电路，确定电压电流转换电路包括失调检测消除和信号放大工作状态两种工作状态；所述的电荷积分比较器包括积分器和电压比较器，所述的电压比较器工作于积分阶段和清零阶段两个相位，并且在时钟信号和开关的控制下使得所述积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环中。本发明中具有直流消失调功能的电压电流转换电路将输入电压转换为输出电流对电容进行充放电，提高了积分比较器的精度。
Description
技术领域
本发明属于光电集成电路中的微弱电压信号检测，具体涉及一种半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器。
背景技术
半导体激光器是理想的光源，但是受温度变化和器件老化的影响很大。关于如何消除消光比受随温度变化和器件老化的影响，目前已有单环APC、K因子补偿、开环补偿和双环APC补偿等方法。
在双环功率控制电路中，激光驱动器及其功率控制环路主要包括激光驱动器、基准电流源、跨阻放大器、可变增益放大器、滤波器、信号选择电路、积分比较器、功率控制逻辑电路和数模转换器。激光驱动器的输入信号通常是一对差分数据信号以及一对差分模式突发使能禁能信号。基准电流源经过发送数据信号调制，同时包含直流电流和交流电流。背光二极管根据激光的发射光功率产生监测电流，与基准电流源相比较，误差电流输入跨阻放大器。跨阻放大器的输入端和输出端电压输入积分比较器，产生平均功率反馈信号，构成平均功率控制环路。跨阻放大器的输入端和输出端电压经过信号选择器，再输入积分比较器，产生消光比反馈信号，构成消光比控制环路。同时，经过发送数据调制的电流源经过跨阻放大器，产生数据选择器控制信号。功率控制逻辑电路根据平均功率反馈信号和消光比反馈信号，调节偏置电流和调制电流，使得输出光功率和消光比达到目标值，构成了闭环的功率控制系统。该双环功率控制电路结构简单，可靠性高。
在半导体激光器的功率控制电路中，跨阻放大器的输入误差电流小，因此输入输出端的电压差值幅度小。因此，需要单独设计能够用于微弱信号大小比较的比较器。现有的积分比较器没有考虑比较器两端输入微弱信号条件下，微弱信号源驱动能力不足时候的积分效果，积分比较器的误差较大。同时，现有的积分比较器缺少直流消失调电路，进一步增加了积分比较器的误差。
发明内容
发明目的：针对上述半导体激光器的功率控制电路中无法提供进行微弱信号大小比较问题，本发明提供一种半导体激光器功率控制的微弱电压信号检测积分比较器。
技术方案：一种半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，包括电压电流转换电路和电荷积分比较器；所述电压电流转换电路包括跨导放大器和用于消除跨导放大器输入直流失调电压的误差放大器，且通过四组开关控制三组时钟电路，确定电压电流转换电路包括失调检测消除和信号放大工作状态两种工作状态；所述的电荷积分比较器包括积分器和电压比较器，所述的电压比较器工作于积分阶段和清零阶段两个相位，并且在时钟信号和开关的控制下使得所述积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环中。
进一步的，所述电压电流转换电路包括跨导放大器OTA，误差放大器ADOC，所述的跨导放大器OTA输出端通过开关S5连接电荷积分比较器，所述的跨导放大器OTA正输入端VINP串联开关S2，所述的跨导放大器OTA负输入端VINN通过开关S1连接输入端VINP，所述的误差放大器ADOC正输入端通过电容C1接地，并通过开关S3连接基准电压VREF1，所述的误差放大器ADOC负输入端通过电容C2接地，并通过开关S4连接到跨导放大器输出端上的开关S5，所述的误差放大器ADOC正输出端连接跨导放大器消直流失调正输入端VIP1，所述的误差放大器ADOC负输出端连接跨导放大器消直流失调负输入端VIN1。
所述电流转换电路由三个时钟控制，开关S1由时钟信号CLK1控制；开关S2由时钟信号CLK2控制；开关S3和S4由时钟信号CLK3控制，时钟信号CLK1、时钟信号CLK2和时钟信号CLK3确定了电流转换电路电路的两个不同工作状态。
进一步的，所述的电荷积分比较器中包括比较器A1、比较器A2和缓冲器Buffer，所述的基准电压VREF2连接比较器A1的负输入端和缓冲器Buffer输入端，所述的缓冲器Buffer输出端通过开关S8并到比较器A1的输出端和比较器A2的负输入端，所述的比较器A1正输入端连接电流转换电路输出端的开关S5，并且通过开关S6和电容C1的并联电路连接到比较器A2负输入端，所述的比较器A2正输入端连接到开关S5，并通过开关S7连接到其输出端，所述比较器A2的输出端设有开关S8。
所述开关S5由时钟信号CLK4控制；开关S6由时钟信号CLK5控制；开关S7由时钟信号CLK3控制；开关S8由时钟信号CLK5控制。
更进一步的，所述电流转换电路包括失调检测消除和信号放大工作状态，具体对应的状态如下：
所述失调检测消除状态中，时钟CLK1为高电平，CLK2为低电平，即开关S1导通，开关S2关断，然后时钟信号CLK3由低变高，即开关S3和S4导通，跨导放大器输入端的失调电压经过跨导放大器放大作为误差放大器输入信号继续放大；误差放大器输出信号反馈至跨导放大器的另一组输入端，最终整个环路获得稳定，误差放大器的输出电压补偿跨导放大器的失调电压，消除跨导放大器输入端失调电压对输出电压的影响；
所述信号放大状态中，当CLK2为高电平，CLK1为低电平时，误差检测通路断开，误差放大器输出状态保持不变，电压电流转换电路将输入电压信号转换为电流信号。
进一步的，所述电荷积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环；具体如下：
在清零阶段，时钟CLK5为高电平，开关S8和S6打开，缓冲器Buffer输出电压等于基准电压VREF2，电容C3两端放电，使得电容C3两极板电压等于基准电压VREF2；此时，时钟CLK4为低电平，CLK3跳变为高电平，输入信号断开，电压比较器处于跟随状态；继而，时钟CLK5变低，缓冲器输出端与积分比较器不再连接；
积分阶段，CLK4跳变为高电平，CLK3跳变为低电平，前级电流转换电路的输出电流作为积分器的输入，流入积分器的电容C3，电容C3的右极板大小保持为参考电压VREF，左极板电压随输入电流作线性变化。
更进一步的，所述积分比较器比较电容C3两极板电压变化状态，得到一定时间内电流转换电路总的电流输出积分和，完成微弱电压信号检测，所述比较器的输出结果作为环路功率控制电路的控制信号，调节激光驱动器输出电流，从而完成平均功率和消光比的控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的积分比较器可以完成半导体激光器功率控制环路中的微弱电压信号检测功能，且通过具有直流失调消除功能的电流转换电路将输入电压转换为输出电流对电容进行充放电，提高了积分比较器的精度。同时，在积分比较器两端输入微弱信号条件下，微弱信号源驱动能力不足时候提高积分效果，减低了积分比较器的误差。
附图说明
图1是现有技术中积分比较器的电路图；
图2是本发明所述积分比较器的电路图；
图3是本发明所述积分比较器中电流转换电路的电路图；
图4是本发明中电流转换电路中时钟工作时序图；
图5是本发明中电荷积分比较器的电路图；
图6是本发明所述积分比较器瞬态仿真输入输出波形图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
传统的积分比较器如图1所示，全差分积分器在一个时钟周期内只能进行一次采样与积分。S1和S2为两相不交叠时钟控制的开关：当时钟信号为高电平时，开关导通；当时钟信号为低电平时，开关关断。当S2为高电平时，其控制的开关导通，电路处于采样状态，C21和C22上的电荷分别随Vip和Vin的变化而变化，积分电容C23和C24上的电荷保持不变。当S1为高电平时，其控制的开关导通，电路处于积分状态，C21和C22上的电荷被全部转移到C23和C24上，输出Vop和Von发生改变。放大器A1的输出电压作为比较器A2的输入电压，比较器A2的输出电压即为积分比较器输出结果。
现有的积分比较器没有考虑比较器两端输入微弱信号条件下，微弱信号源驱动能力不足时候的积分效果，积分比较器的误差较大。同时，现有的积分比较器缺少直流消失调电路，进一步增加了积分比较器的误差。
针对现有比较器的缺点，本发明所提供的一种半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，具体如下：
如图2所示，积分比较器由电压电流转换电路、积分器和比较器构成。输入差分信号经过一个电压电流转换电路，输出电流与输入电压成正比。这个电流对电容进行充放电，在一个时钟周期末的时候就能判断出这个时钟周期内输入差分信号的平均值为正或者负。
电流转换电路如图3所示，具有动态直流失调校准功能。该电路由两个放大器、时钟开关和电容组成。ADOC是一个误差放大器，用于消除右边OTA的直流失调。OTA用于放大输入差分信号，输出电流I＝gm*VIN。
电路由三个时钟控制，工作时序如图4所示。其中，开关S1由时钟信号CLK1控制；开关S2由时钟信号CLK2控制；开关S3和S4由时钟信号CLK3控制。时钟信号CLK1、CLK2和CLK3确定了电流转换电路的两个不同工作状态。
电流转换电路的两个不同工作状态分别为失调检测消除和信号放大工作状态。图4中，时钟区间Phase1时对应于失调检测消除状态。
此时，时钟CLK1为高电平，CLK2为低电平，即开关S1导通，开关S2关断。经过纳秒级的延时，时钟信号CLK3由低变高，即开关S3和S4导通。输入端的失调电压经过跨导放大器放大，其输出信号作为误差放大器输入信号继续放大。误差放大器输出信号反馈至跨导放大器的另一组输入端，最终整个环路获得稳定，减小了跨导放大器的失调电压。
时钟区间Phase2即对应于信号放大状态。当CLK2为高电平，CLK1为低电平时，误差检测通路断开，误差放大器输出状态保持为Phase1不变。此时，跨导放大器将输入电压信号转换为电流信号。
电荷积分比较器如图5所示。电路主要由两部分组成：积分器和电压比较器。其中，比较器工作于两个相位：积分阶段和清零阶段。
图5中，开关S5由时钟信号CLK4控制；开关S6由时钟信号CLK5控制；开关S7由时钟信号CLK3控制；开关S8由时钟信号CLK5控制。CLK4和CLK5的时钟相位如图4所示。
整个积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环。在清零阶段，时钟CLK5为高电平，开关S8和S6打开。缓冲器(BUFFER)输出电压等于基准电压VREF2。电容C3两端放电，使得电容C3两极板电压等于基准电压VREF2。此时，时钟CLK4为低电平，CLK3跳变为高电平，输入信号断开，电压比较器处于跟随状态；继而，时钟CLK5变低，缓冲器输出端与积分比较器不再连接。
当CLK4跳变为高电平，CLK3跳变为低电平时，前级电流转换电路的输出电流作为积分器的输入，流入积分器的电容C3。电容C3的右极板大小保持为参考电压VREF，左极板电压随输入电流变化。比较器比较电容C3两极板电压变化状态，即可得到一定时间内电流转换电路总的输出电流积分和，完成微弱电压信号的检测。比较器的输出结果作为环路功率控制电路的控制信号，调节激光驱动器输出电流，从而完成平均功率和消光比的控制。
本发明所述积分比较器的瞬态仿真结果如图6所示。VINP-VINN为输入差分电压信号，VCOM1为积分比较器输出信号，VCOM为积分比较器输出信号经过寄存器保存信号。可以发现，当输入差分信号在一个周期内平均值大于0时，周期结束时VCOM1为低电平；当输入差分信号在一个周期内平均值小于0时，周期结束时VCOM1为高电平。综上所述，本发明所设计的积分比较器可以完成半导体激光器功率控制环路中的微弱电压信号检测功能。
Claims (7)
1.一种半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：包括电压电流转换电路和电荷积分比较器；所述电压电流转换电路包括跨导放大器和用于消除跨导放大器直流失调的误差放大器，且通过三组时钟电路控制四组开关，确定电压电流转换电路包括失调检测消除和信号放大工作状态两种工作状态；所述的电荷积分比较器包括积分器和电压比较器，所述的电压比较器工作于积分阶段和清零阶段两个相位，并且在时钟信号和开关的控制下使得所述积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环中；
所述电压电流转换电路包括跨导放大器OTA，误差放大器ADOC，所述的跨导放大器OTA输出端通过开关S5连接电荷积分比较器，所述的跨导放大器OTA正输入端VINP串联开关S2，所述的跨导放大器OTA负输入端VINN通过开关S1连接输入端VINP，所述的误差放大器ADOC正输入端通过电容C1接地，并通过开关S3连接基准电压VREF1，所述的误差放大器ADOC负输入端通过电容C2接地，并通过开关S4连接到跨导放大器输出端上的开关S5，所述的误差放大器ADOC正输出端连接跨导放大器消直流失调正输入端VIP1，所述的误差放大器ADOC负输出端连接跨导放大器消直流失调负输入端VIN1。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：所述电压电流转换电路由三个时钟控制，开关S1由时钟信号CLK1控制；开关S2由时钟信号CLK2控制；开关S3和S4由时钟信号CLK3控制，时钟信号CLK1、时钟信号CLK2和时钟信号CLK3确定电压电流转换电路的两个不同工作状态。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：所述的电荷积分比较器中包括比较器A1、比较器A2和缓冲器Buffer，基准电压VREF2连接比较器A1的负输入端和缓冲器Buffer输入端，所述的缓冲器Buffer输出端通过开关S8并到比较器A1的输出端和比较器A2的负输入端，所述的比较器A1正输入端连接电流转换电路输出端的开关S5，并且通过开关S6和电容C3的并联电路连接到比较器A2负输入端，所述的比较器A2正输入端连接到开关S5，并通过开关S7连接到其输出端，所述比较器A2的输出端设有开关S9。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：开关S5由时钟信号CLK4控制；开关S6由时钟信号CLK5控制；开关S7由时钟信号CLK3控制；开关S8由时钟信号CLK5控制。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：所述电压电流转换电路包括失调检测消除和信号放大工作状态，具体对应的状态如下：
所述失调检测消除状态中，时钟CLK1为高电平，CLK2为低电平，即开关S1导通，开关S2关断，然后时钟信号CLK3由低变高，即开关S3和S4导通，跨导放大器输入端的失调电压经过跨导放大器放大作为误差放大器输入信号继续放大；误差放大器输出信号反馈至跨导放大器的另一组输入端，最终整个环路获得稳定，误差放大器的输出电压补偿跨导放大器的失调电压，消除跨导放大器输入端失调电压对输出电压的影响；
所述信号放大状态中，当CLK2为高电平，CLK1为低电平时，误差检测通路断开，误差放大器输出状态保持不变，电压电流转换电路将输入电压信号转换为电流信号。
6.根据权利要求3所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：所述电荷积分比较器处于清零和积分比较状态的不断循环；具体如下：
在清零阶段，时钟CLK5为高电平，开关S8和S6打开，缓冲器Buffer输出电压等于基准电压VREF2，电容C3两端放电，使得电容C3两极板电压等于基准电压VREF2；此时，时钟CLK4为低电平，CLK3跳变为高电平，输入信号断开，电压比较器处于跟随状态；继而，时钟CLK5变低，缓冲器输出端与积分比较器不再连接；
积分阶段，CLK4跳变为高电平，CLK3跳变为低电平，前级电压电流转换电路的输出电流作为积分器的输入，流入积分器的电容C3，电容C3的右极板大小保持为参考电压VREF，左极板电压随输入电流作线性变化。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器功率控制中微弱电压信号检测的积分比较器，其特征在于：所述积分比较器比较电容C3两极板电压变化状态，得到一定时间内电压电流转换电路总的电流输出积分和，完成微弱电压信号检测，所述比较器的输出结果作为环路功率控制电路的控制信号，调节激光驱动器输出电流，从而完成平均功率和消光比的控制。
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