CN103904542B - 一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制方法：采用高速电流镜和高速电流比较器的方法，检测激光器正常发光、调制电流为高、传输数据为1时的第一光功率P1；采用采样保持的方法，检测激光器正常发光时的平均光功率Pa；所述高速电流镜输出两个控制端，一个和设定的平均光功率的电压V_Pa_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的偏置电流Ibias，形成第一闭环系统；另一个和设定的第一光功率P1的电流I_P1_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的调制电流Imod，形成第二闭环系统；通过第一闭环系统和第二闭环系统，可以实现自动调节所述偏置电流Ibias和调制电流Imod，从而可得到稳定的第一光功率P1和平均光功率Pa。

Description

一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种激光驱动器的控制方法。

背景技术

在光通信中，激光器在功率上的指标主要有以下4个：

P0，激光器正常发光，调制电流为低，表示传输数据为0时的功率；

P1，激光器正常发光，调制电流为高，表示传输数据为1时的功率；

Pa,激光器正常发光时的平均光功率，Pa＝(P1+P0)/2；

r_e,消光比，表征眼图张开度的数值，r_e＝10log(P1/P0).

以上4个量是相关的，只要确定了其中两个，另两个也确定了。在光通信传输过程中，系统要求保持恒定的发射平均光功率和消光比，激光驱动器的双闭环设计也正是要通过两个负反馈结构来保持这两个量的稳定。消光比比较难检测，在双闭环的设计中需要检测Pa,P1,P0中的两个值。而P1,P0在瞬态上是高速的信号，在GPON/EPON系统中是1.25Gbps的高速信号，因此检测电路需要是一个高速的电路。检测激光器的发光情况都是通过激光器的背光二极管的镜像电流来进行。目前常用激光器这个二极管的结电容为3-20pF.背光电流通常也只有几百uA,这么小的电流又有这么大的电容，要还原这个高速信号是比较困难的。

现有双闭环的设计有几种方法。有一种是采用一个跨阻放大器，直接将PD电流放大成电压信号。要把几百uA的电流放大成几百mV的电压信号，才能方便后面电路的处理，因此需要1K以上的跨阻。但很难设计一个输入电容20pF左右，带宽几百MHZ，又线性度很好(保证设定光功率和小光比的准确性)的跨阻放大器。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种激光驱动器的控制方法，采用了高速电流镜和高速电流比较器的方法来检测P1信号，Pa信号则采用的采样保持的方法，通过负反馈的方法确定P1和Pa,从而可以确定P0和r_e。

本发明所要解决的次要技术问题是提供一种使用上述方法设计的电路。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制方法：采用高速电流镜和高速电流比较器的方法，检测激光器正常发光、调制电流为高、传输数据为1时的第一光功率P1；采用采样保持的方法，检测激光器正常发光时的平均光功率Pa；

所述高速电流镜输出两个控制端，一个和设定的平均光功率的电压V_Pa_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的偏置电流Ibias，形成第一闭环系统；另一个和设定的第一光功率P1的电流I_P1_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的调制电流Imod，形成第二闭环系统；通过所述第一闭环系统和第二闭环系统，可以实现自动调节所述偏置电流Ibias和调制电流Imod，从而可得到稳定的所述第一光功率P1和所述平均光功率Pa。

一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制电路，主要包括：

光电二极管PD，所述光电二极管PD的负极与输入电压Vdd连接；

镜像激光器LD，所述镜像激光器LD的正极与所述光电二极管PD的负极连接；

第一开关K1，所述第一开关K1的一端与所述镜像激光器LD的负极连接，所述第一开关K1的另一端与第二开关K2的一端连接；所述第一开关由使能控制信号BEN控制；

第二开关K2，所述第二开关K2由数据输入信号DATA控制；

高速电流镜Icurrent_source，所述高速电流镜Icurrent_source的一端与所述光电二极管PD的正极连接；所述高速电流镜Icurrent_source的另一端接地；所述高速电流镜Icurrent_source的第一输出端与比较控制器comp的第一输入端连接；所述高速电流镜Icurrent_source的第二输出端与高速电流比较器current comp的第一输入端连接；

比较控制器comp，所述比较控制器comp的第二输入端与设定的平均光功率的电压V_Pa_set连接；所述比较控制器的输出端与第一晶体管M1的栅极连接；

第一晶体管M1，所述第一晶体管M1的源极接地，所述第一晶体管M1的漏极与所述第一开关K1的另一端连接；

高速电流比较器current comp，所述高速电流比较器current comp的第二输入端与设定的第一光功率P1的电流I_P1_set连接；所述高速电流比较器current comp的输出端与数字处理及模数转换模块DSP&DAC的输入端连接；

数字处理及模数转换模块DSP&DAC，所述数字处理及模数转换模块DSP&DAC的输出端与第二晶体管M2的栅极连接；

第二晶体管M2，所述第二晶体管M2的源极接地，所述第二晶体管M2的漏极与所述第二开关K2的另一端连接；

所述高速电流镜Icurrent_source主要包括：

第三晶体管M3，所述第三晶体管M3的漏极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第三晶体管M3的栅极与所述第三晶体管M3的漏极连接；

第一电流源I1，所述第一电流源I1的一端与所述第三晶体管M3的漏极连接，所述第一电流源I1的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第四晶体管M4,所述第四晶体管M4的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第四晶体管M4的漏极与所述第三晶体管M3的源极相连；所述第四晶体管的源极与第二电流源I2的一端连接，所述第二电流源I2的另一端接地；

第五晶体管M5，所述第五晶体管M5的栅极与所述第三晶体管M3的栅极、所述光电二极管PD的正极连接；所述第五晶体管M5的源极与所述第三晶体管M3的源极连接；所述第五晶体管M5的漏极与第三电流源I3的一端连接，所述第三电流源I3的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第六晶体管M6，所述第六晶体管M6的栅极与所述第四晶体管M4的源极连接；所述第六晶体管M6的源极接地；所述第六晶体管M6的漏极与所述第五晶体管M5的源极、第四电流源I4的一端连接；所述第四电流源I4的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第七晶体管M7，所述第七晶体管M7的源极与所述输入电压Vdd连接；所述第七晶体管M7的漏极与所述第五晶体管M5的漏极连接；所述第七晶体管M7的栅极与所述第七晶体管M7的漏极连接；

第八晶体管M8，所述第八晶体管M8的栅极与所述第七晶体管M7的栅极连接；所述第八晶体管M8的源极与所述输入电压Vdd连接；

第三开关K3，所述第三开关K3的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第三开关的另一端与第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端与所述比较控制器comp的第一输入端连接；所述第三开关K3由所述使能控制信号BEN控制；

第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；第一电阻R1的另一端接地。

第一电容C1，所述第一电容C1的一端与所述第二电阻R2的另一端连接；所述第一电容C1的另一端接地；

第九晶体管M9，所述第九晶体管M9的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第九晶体管M9的源极与所述第五晶体管M5的源极连接；所述第九晶体管M9的漏极与第五电流源I5的一端、所述高速电流比较器current comp的第一输入端连接；所述第五电流源I5的另一端与所述输入电压Vdd连接。

作为优选：所述数字处理及模数转换模块DSP&DAC的具体结构为:

D锁存器，所述D锁存器由所述使能控制信号BEN控制；所述D锁存器与所述输入电压Vdd连接；所述D锁存器的时钟输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；

或非运算器NOR，所述或非运算器NOR的第一输入端与所述D锁存器的输出端连接；所述或非运算器的第二输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；

8位计算器counter，所述8位计算器counter由所述使能控制信号BEN控制；所述8位计算器的输入端与所述或非运算器NOR的输出端连接；所述8位计算器的时钟输入端与时钟信号CLK连接；

8位DAC，所述8位DAC的输入端与所述8位计算器counter的输出端连接。所述8位DAC的输出端与所述第二晶体管M2的栅极连接。

相较于现有技术，本发明具备以下有益效果：

1.对光通信激光器双闭环的控制方式，相比单闭环的控制方式或双开环的控制方式，省去了做温度查找表的麻烦，可以大大提高生产效率。

2.对光通信激光器双闭环的控制方式，相比单闭环的控制方式或双开环的控制方式，由于采用了自动闭环控制的方式，避免了由于激光器老化带来的温度查找表不准确的问题，可以在较长的寿命时间内准确控制激光器的平均光功率和消光比。

附图说明

图1为本发明优选实施例整体电路图；

图2为本发明优选实施例电流镜部分电路图；

图3为本发明优选实施例DSP&DAC部分电路图；

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制电路，其特征在于：主要包括：

光电二极管PD，所述光电二极管PD的负极与输入电压Vdd连接；

镜像激光器LD，所述镜像激光器LD的正极与所述光电二极管PD的负极连接；

第一开关K1，所述第一开关K1的一端与所述镜像激光器LD的负极连接，所述第一开关K1的另一端与第二开关K2的一端连接；所述第一开关由使能控制信号BEN控制；

第二开关K2，所述第二开关K2由数据输入信号DATA控制；

高速电流镜Icurrent_source，所述高速电流镜Icurrent_source的一端与所述光电二极管PD的正极连接；所述高速电流镜Icurrent_source的另一端接地；所述高速电流镜Icurrent_source的第一输出端与比较控制器comp的第一输入端连接；所述高速电流镜Icurrent_source的第二输出端与高速电流比较器current comp的第一输入端连接；

比较控制器comp，所述比较控制器comp的第二输入端与设定的平均光功率的电压V_Pa_set连接；所述比较控制器的输出端与第一晶体管M1的栅极连接；

第一晶体管M1，所述第一晶体管M1的源极接地，所述第一晶体管M1的漏极与所述第一开关K1的另一端连接；

高速电流比较器current comp，所述高速电流比较器current comp的第二输入端与设定的第一光功率P1的电流I_P1_set连接；所述高速电流比较器current comp的输出端与数字处理及模数转换模块DSP&DAC的输入端连接；

数字处理及模数转换模块DSP&DAC，所述DSP&DAC的输出端与第二晶体管M2的栅极连接；

第二晶体管M2，所述第二晶体管M2的源极接地，所述第二晶体管M2的漏极与所述第二开关K2的另一端连接；

所述高速电流镜Icurrent_source主要包括：

第三晶体管M3，所述第三晶体管M3的漏极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第三晶体管M3的栅极与所述第三晶体管M3的漏极连接；

第一电流源I1，所述第一电流源I1的一端与所述第三晶体管M3的漏极连接，所述第一电流源I1的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第四晶体管M4,所述第四晶体管M4的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第四晶体管M4的漏极与所述第三晶体管M3的源极相连；所述第四晶体管的源极与第二电流源I2的一端连接，所述第二电流源I2的另一端接地；

第五晶体管M5，所述第五晶体管M5的栅极与所述第三晶体管M3的栅极、所述光电二极管PD的正极连接；所述第五晶体管M5的源极与所述第三晶体管M3的源极连接；所述第五晶体管M5的漏极与第三电流源I3的一端连接，所述第三电流源I3的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第六晶体管M6，所述第六晶体管M6的栅极与所述第四晶体管M4的源极连接；所述第六晶体管M6的源极接地；所述第六晶体管M6的漏极与所述第五晶体管M5的源极、第四电流源I4的一端连接；所述第四电流源I4的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第七晶体管M7，所述第七晶体管M7的源极与所述输入电压Vdd连接；所述第七晶体管M7的漏极与所述第五晶体管M5的漏极连接；所述第七晶体管M7的栅极与所述第七晶体管M7的漏极连接；

第八晶体管M8，所述第八晶体管M8的栅极与所述第七晶体管M7的栅极连接；所述第八晶体管M8的源极与所述输入电压Vdd连接；

第三开关K3，所述第三开关K3的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第三开关的另一端与第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端与所述比较控制器comp的第一输入端连接；所述第三开关K3由所述使能控制信号BEN控制；

第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第一电阻R1的另一端接地。

第一电容C1，所述第一电容C1的一端与所述第二电阻R2的另一端连接；所述第一电容C1的另一端接地；

第九晶体管M9，所述第九晶体管M9的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第九晶体管M9的源极与所述第五晶体管M5的源极连接；所述第九晶体管M9的漏极与第五电流源I5的一端、所述高速电流比较器current comp的第一输入端连接；所述第五电流源I5的另一端与所述输入电压Vdd连接。

所述第三晶体管M3、第四晶体管M4构成了一个电压负反馈结构，当所述光电二极管PD的正极电压Vpd升高时，所述第四晶体管M4为一个反向放大器件，使得所述第四晶体管M4的漏极电压V1降低；当所述第四晶体管M4的漏极电压V1降低时，所述第三晶体管M3的二极管接法会将所述光电二极管PD的正极电压Vpd拉低，从而使得所述光电二极管PD的正极电压Vpd处于一个稳定的值；使得电流不需要对这个点的寄生电容进行充放电，从而可以使所述第三晶体管M3、第五晶体管M5、第九晶体管M9的镜像电流结构达到几百MHZ的带宽，将流过所述第三晶体管M3的电流完整地镜像到所述第五晶体管M5，第九晶体管M9。

在一个突发的系统中，激光器的发光由所述使能控制信号BEN控制，所述第五晶体管M5的镜像电流再经过所述第八晶体管M8和第七晶体管M7的镜像电路后，经过一个采样保持和滤波电路，得到一个电压V_Pa.。所述采样保持电路也是由所述是能控制信号BEN控制。所述电压V_Pa反映了所述光电二极管PD的滤波后的平均电流，将用来控制平均光功率Pa的设定。

所述第九晶体管M9得到的高速电流，和所述设定的第一光功率P1的电流I_P1_set流入一个高速电流比较器current comp。当所述第九晶体管M9的电流比述设定的第一光功率P1的电流I_P1_set小时，所述高速电流比较器current comp输出一个低电平P1_det,当所述第九晶体管M9的电流比述设定的第一光功率P1的电流I_P1_set大时，所述高速电流比较器current comp输出一个高电平P1_det。

进一步参考图3，所述数字处理及模数转换模块DSP&DAC的具体结构为:

D锁存器，所述D锁存器由所述使能控制信号BEN控制；所述D锁存器与所述输入电压Vdd连接；所述D锁存器的时钟输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；

或非运算器NOR，所述或非运算器NOR的第一输入端与所述D锁存器的输出端连接；所述或非运算器的第二输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；

8位计算器counter，所述8位计算器counter由所述使能控制信号BEN控制；所述8位计算器的输入端与所述或非运算器NOR的输出端连接；所述8位计算器的时钟输入端与时钟信号CLK连接；

8位DAC，所述8位DAC的输入端与所述8位计算器counter的输出端连接。所述8位DAC的输出端与所述第二晶体管M2的栅极连接。

所述D锁存器在每次时钟信号CLK的上升沿到来时，Reset端给出一个负载脉冲信号，使所述D锁存器复位，输出低电平。当所述高电平P1_det到来时，所述D锁存器输出高电平。所述D锁存器的输出端与所述P1_det电流进行或非运算来控制所述8位计算器，输出高电平时计数器加1，输出低电平时计数器减1。从而使得所述8位DAC来控制所述调制Imod电流输出，高电平时输出电流减小，低电平时输出电流增加。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制方法，其特征在于：采用高速电流镜和高速电流比较器的方法，检测激光器正常发光、调制电流为高、传输数据为1时的第一光功率P1；采用采样保持的方法，检测激光器正常发光时的平均光功率Pa；

所述高速电流镜输出两个控制端，一个和设定的平均光功率的电压V_Pa_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的偏置电流Ibias，形成第一闭环系统；另一个和设定的第一光功率P1的电流I_P1_set形成一个负反馈，用来控制驱动激光器的电流中的调制电流Imod，形成第二闭环系统；通过所述第一闭环系统和第二闭环系统，可以实现自动调节所述偏置电流Ibias和调制电流Imod，从而可得到稳定的所述第一光功率P1和所述平均光功率Pa。

2.一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制电路，其特征在于：主要包括：

光电二极管PD，所述光电二极管PD的负极与输入电压Vdd连接；

镜像激光器LD，所述镜像激光器LD的正极与所述光电二极管PD的负极连接；

第一开关K1，所述第一开关K1的一端与所述镜像激光器LD的负极连接，所述第一开关K1的另一端与第二开关K2的一端连接；所述第一开关由使能控制信号BEN控制；

第二开关K2，所述第二开关K2由数据输入信号DATA控制；

高速电流镜Icurrent_source，所述高速电流镜Icurrent_source的一端与所述光电二极管PD的正极连接；所述高速电流镜Icurrent_source的另一端接地；所述高速电流镜Icurrent_source的第一输出端与比较控 制器comp的第一输入端连接；所述高速电流镜Icurrent_source的第二输出端与高速电流比较器current comp的第一输入端连接；

比较控制器comp，所述比较控制器comp的第二输入端与设定的平均光功率的电压V_Pa_set连接；所述比较控制器的输出端与第一晶体管M1的栅极连接；

第一晶体管M1，所述第一晶体管M1的源极接地，所述第一晶体管M1的漏极与所述第一开关K1的另一端连接；

高速电流比较器current comp，所述高速电流比较器current comp的第二输入端与设定的第一光功率P1的电流I_P1_set连接；所述高速电流比较器current comp的输出端与DSP&DAC模块的输入端连接；

数字处理及模数转换模块DSP&DAC，所述数字处理及模数转换模块DSP&DAC的输出端与第二晶体管M2的栅极连接；

第二晶体管M2，所述第二晶体管M2的源极接地，所述第二晶体管M2的漏极与所述第二开关K2的另一端连接；

所述高速电流镜Icurrent_source主要包括：

第三晶体管M3，所述第三晶体管M3的漏极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第三晶体管M3的栅极与所述第三晶体管M3的漏极连接；

第一电流源I1，所述第一电流源I1的一端与所述第三晶体管M3的漏极连接，所述第一电流源I1的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第四晶体管M4,所述第四晶体管M4的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第四晶体管M4的漏极与所述第三晶体管M3的源极相连；所述第四晶体管的源极与第二电流源I2的一端连接，所述第二电流源I2的另一端接地；

第五晶体管M5，所述第五晶体管M5的栅极与所述第三晶体管M3的栅极、所述光电二极管PD的正极连接；所述第五晶体管M5的源极与所述第三晶体管M3的源极连接；所述第五晶体管M5的漏极与第三电流源I3的一端连接，所述第三电流源I3的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第六晶体管M6，所述第六晶体管M6的栅极与所述第四晶体管M4的源极连接；所述第六晶体管M6的源极接地；所述第六晶体管M6的漏极与所述第五晶体管M5的源极、第四电流源I4的一端连接；所述第四电流源I4的另一端与所述输入电压Vdd连接；

第七晶体管M7，所述第七晶体管M7的源极与所述输入电压Vdd连接；所述第七晶体管M7的漏极与所述第五晶体管M5的漏极连接；所述第七晶体管M7的栅极与所述第七晶体管M7的漏极连接；

第八晶体管M8，所述第八晶体管M8的栅极与所述第七晶体管M7的栅极连接；所述第八晶体管M8的源极与所述输入电压Vdd连接；

第三开关K3，所述第三开关K3的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第三开关的另一端与第二电阻R2的一端连接；所述第二电阻R2的另一端与所述比较控制器comp的第一输入端连接；所述第三开关K3由所述使能控制信号BEN控制；

第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第八晶体管M8的漏极连接；第一电阻R1的另一端接地；

第一电容C1，所述第一电容C1的一端与所述第二电阻R2的另一端连接；所述第一电容C1的另一端接地；

第九晶体管M9，所述第九晶体管M9的栅极与所述光电二极管PD的正极连接；所述第九晶体管M9的源极与所述第五晶体管M5的源极连接； 所述第九晶体管M9的漏极与第五电流源I5的一端、所述高速电流比较器current comp的第一输入端连接；所述第五电流源I5的另一端与所述输入电压Vdd连接。

3.根据权利要求2所述的一种可用于突发模式的激光驱动器双闭环控制电路，其特征在于：所述数字处理及模数转换模块DSP&DAC的具体结构为:

D锁存器，所述D锁存器由所述使能控制信号BEN控制；所述D锁存器与所述输入电压Vdd连接；所述D锁存器的时钟输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；所述D锁存器在每次时钟信号CLK的上升沿到来时，Reset端给出一个负载脉冲信号，使所述D锁存器复位，输出低电平；

或非运算器NOR，所述或非运算器NOR的第一输入端与所述D锁存器的输出端连接；所述或非运算器的第二输入端与所述高速电流比较器current comp的输出端连接；

8位计算器counter，所述8位计算器counter由所述使能控制信号BEN控制；所述8位计算器的输入端与所述或非运算器NOR的输出端连接；所述8位计算器的时钟输入端与时钟信号CLK连接；

8位DAC，所述8位DAC的输入端与所述8位计算器counter的输出端连接，所述8位DAC的输出端与所述第二晶体管M2的栅极连接。