魯維德 摘要：本文主要對(duì)工業(yè)、測(cè)試、分析、攝影中普通光檢測(cè)與高速光通信系統(tǒng)中光度測(cè)量(即光電二極管電流的測(cè)量)技術(shù)與激光器控制技術(shù)作分析介紹關(guān)鍵詞：光源 光纖 寬帶 偏置 對(duì)數(shù)放大器 激光器 前言 關(guān)于光度測(cè)量與激光器控制技術(shù) 用于工業(yè)、測(cè)試、分析、實(shí)驗(yàn)室、攝影以及普通光檢測(cè)和高速光通信系統(tǒng)中的光度測(cè)量(即光電二極管電流的測(cè)量)與激光器控制技術(shù)是影響可靠性和精度(誤碼率)的關(guān)鍵技術(shù)。而對(duì)于工業(yè)、測(cè)試、分析、實(shí)驗(yàn)室、攝影以及普通光檢測(cè)的光度測(cè)量與高速光通信系統(tǒng)中的光度測(cè)量具有許多相似的要求。能否獲得最佳的測(cè)量結(jié)果取決于光電二極管的使用方法以及伴隨所采用的放大器技術(shù)。 雖然許多光源產(chǎn)生的變化很緩慢，但卻常常具有高達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)或160db的寬動(dòng)態(tài)范圍。相比之下，光纖傳輸系統(tǒng)則具有高帶寬和很寬的光功率電平變化范圍。為了討論光電二極管電流的測(cè)量，為此先述實(shí)現(xiàn)光電二極管電路最佳配置的多種方法。1． 光電二極管電路的最佳配置 常見技術(shù)之一是采用跨阻抗放大器，在該放大器中，光電二極管的兩端被強(qiáng)行短路。這樣做可以保持很低的光電二極管暗電流以及相關(guān)的噪聲的溫度漂移，但是，光電二極管電容卻會(huì)因此而增加。于是，對(duì)于光功率電平會(huì)從非常微小變至非常大的緩慢系統(tǒng)，為此采用了零偏壓技術(shù)。而對(duì)于速度較快的系統(tǒng)，常常采用反向偏壓光電二極管電路。盡管這樣一來光電二極管電容有所減小，但暗電流、溫度漂移和噪聲卻增加了。為了最大限度地抑制誤差，偏壓必須非常規(guī)則，這就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲和上佳的溫度穩(wěn)定性。有些速度非常快的系統(tǒng)采用了具有很大的有源聚光面積的雪崩光電二極管，在這樣的系統(tǒng)中，必須施加反向偏壓。 除了二極管偏壓之外，還采用了不同類型的跨阻抗電路。一種方法是采用在反饋環(huán)路中設(shè)置了電阻器的運(yùn)算放大器，見圖1(a)所示。這產(chǎn)生了輸出電壓對(duì)輸入電流的線性、連續(xù)響應(yīng)。然而，如果在信號(hào)采集過程中通過改變反饋電阻器阻值來調(diào)整增益，則將出現(xiàn)尖峰瞬變。 另一種方法是采用在運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路布設(shè)了二極管的對(duì)數(shù)放大器，見圖1(b)所示。這產(chǎn)生了輸出電壓對(duì)輸入電流的連續(xù)、非線性響應(yīng)。它具有在向高電平信號(hào)提供低增益的同時(shí)對(duì)低電平信號(hào)施加高增益的獨(dú)特能力。它就像是沒有開關(guān)瞬變的平滑自動(dòng)增益電路，任何時(shí)候都不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。 還有一種方法是采用在反饋環(huán)路中設(shè)有電容器的開關(guān)積分器，見圖1(c)所示。其優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)噪聲進(jìn)行積分，并能夠簡(jiǎn)單地通過改變電容器的允許充電時(shí)間來輕松實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。輸出電壓取決于電容器的容許充電時(shí)間。事實(shí)上，增益調(diào)整可通過改變充電時(shí)間來輕松完成。 在模擬輸出電壓將在同一塊芯片上被直接轉(zhuǎn)換為高分辨率數(shù)字的直接數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ddc)中，這種開關(guān)積分器配置被用作模擬前端。2、光電二極管電流的測(cè)量：光測(cè)量和激光器控制2.1光測(cè)量 線性跨阻抗放大器在具有高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)輸入范圍的寬帶應(yīng)用中尋覓到了用武之地。諸如opa353等寬帶放大器具有用于提供高跨阻抗增益所需的增益帶寬。然而，此類放大器缺乏在低輸入電流條件下獲得較寬動(dòng)態(tài)輸入范圍的dc精度。為了改善dc參數(shù)，采用復(fù)合型配置的自動(dòng)置零放大器，如opa335(見圖2所示)。寬帶放大器用于在信號(hào)通路中提供電流至電壓轉(zhuǎn)換，而自動(dòng)置零放大器則對(duì)其失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，這種復(fù)合型放大器能夠在5個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)輸入范圍內(nèi)提供寬帶寬(在高跨阻抗增益條件下)。 復(fù)合型跨阻抗放大器的設(shè)計(jì)需要在穩(wěn)定性計(jì)算方面投入巨大的精力。為了縮短光電二極管前端的設(shè)計(jì)周期，ti公司開發(fā)了在120db跨阻抗增益條件下具有1mhz帶寬的新型寬帶跨阻抗放大器opa380，見圖3所示。其動(dòng)態(tài)輸入范圍超過5個(gè)數(shù)量級(jí)，并允許對(duì)低至5na的電流進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)數(shù)放大器可提供最寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍(高達(dá)7-8個(gè)數(shù)量級(jí))。然而，其3db帶寬卻會(huì)隨著輸入電流的減小呈現(xiàn)線性下降。線性跨阻抗放大器用于測(cè)量輸入電流的絕對(duì)值，并通過反饋電阻器將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓(vout=iin*rf)，而對(duì)數(shù)放大器則以輸出電壓的形式來提供兩個(gè)輸入電流的對(duì)數(shù)比(vout=logi1/i2)。i1通常代表需要測(cè)量的電流，而i2則是參考電流(見圖4所示)。對(duì)兩個(gè)輸入電流進(jìn)行對(duì)數(shù)比較所帶來的好處是可對(duì)物理傳輸系統(tǒng)(不管是光學(xué)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)還是機(jī)械系統(tǒng))的輸入和輸出量進(jìn)行測(cè)量。 光放大器的恒定增益控制和增益調(diào)節(jié)(由圖4所示說明) 傳輸光纖中的負(fù)載變化會(huì)在放大器輸出端上引發(fā)光功率瞬變，為了最大限度地減小這種瞬變，采用兩個(gè)用于測(cè)量光放大器和輸出功率的對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)了光增益控制。差分放大器diff對(duì)兩個(gè)數(shù)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，并向位于其后的pid控制器施加誤差電壓verror