可變光衰減器的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)（自動(dòng)衰減控制和自動(dòng)功率控制）

在密集波分復(fù)用（DWDM）網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)緊密的信道間隔需要精確控制頻譜發(fā)射和功率。這需要連續(xù)監(jiān)視和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)元素，例如傳輸激光源，光學(xué)插件，光放大器和可變光衰減器（VOA）。這些最后的元素通常用于調(diào)整DWDM頻譜的功率電平，以最大限度地減少串?dāng)_并保持所需的信噪比。

例如，VOA可以與級(jí)聯(lián)摻鉺光纖放大器（EDFA）有助于均衡放大器的非均勻增益與波長(zhǎng)分布，提高線性度并增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的控制。遞歸測(cè)量和控制算法可用于提供快速準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，從而確保可重復(fù)性并最大限度地減少生產(chǎn)校準(zhǔn)和修整。對(duì)數(shù)放大器前端調(diào)節(jié)寬范圍輸入信號(hào)，從而允許在下游使用分辨率較低，成本較低的信號(hào)處理元件。

經(jīng)典混合信號(hào)解決方案

經(jīng)典解決方案結(jié)合了線性跨阻抗放大器（TIA）和高分辨率信號(hào)處理，以測(cè)量和控制VOA的吸光度。起初，由于TIA前端的低成本，這似乎是一個(gè)有吸引力的解決方案。然而，TIA是線性的，因此計(jì)算VOA上的分貝（對(duì)數(shù)）衰減需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行后處理。以數(shù)字方式執(zhí)行，這需要浮點(diǎn)處理器來(lái)處理計(jì)算中涉及的除法和取冪過(guò)程?；蛘?，可以使用在生產(chǎn)校準(zhǔn)期間生成的窮舉查找表來(lái)執(zhí)行基于整數(shù)的處理。這兩種方法通常都需要具有至少14位分辨率和中等高處理器速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以最小化由固有處理開(kāi)銷導(dǎo)致的測(cè)量延遲。選擇線性TIA前端所尋求的成本優(yōu)勢(shì)通常被獲得測(cè)量信號(hào)和計(jì)算衰減所需的更高價(jià)格的轉(zhuǎn)換器和處理器的成本所淹沒(méi)。如果在生產(chǎn)測(cè)試期間需要生成冗長(zhǎng)的查找表，則會(huì)產(chǎn)生額外的成本（和生產(chǎn)延遲）。

可變光學(xué)衰減器的自適應(yīng)控制

圖1說(shuō)明了圍繞自適應(yīng)控制的VOA應(yīng)用的這種經(jīng)典解決方案。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波，有助于降低測(cè)量噪聲。然后將濾波的信號(hào)數(shù)字化并計(jì)算衰減器的吸光度。

如果使用線性放大將測(cè)量的光電流轉(zhuǎn)換為比例電壓，則需要計(jì)算測(cè)量信號(hào)的比率，然后進(jìn)行反冪運(yùn)算，乘以計(jì)算VOA的實(shí)際吸光度。

如果探測(cè)器前端的響應(yīng)度和跨阻抗增益相等，那么

其中 R _TIA 是以歐姆為單位的 transresistance

ρ是A / W中光電二極管的響應(yīng)度

實(shí)際上，前端跨阻抗不會(huì)相等，因此需要額外的校準(zhǔn)和校正。在數(shù)字解決方案中，為了提供可接受的計(jì)算精度，需要使用具有足夠分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號(hào)數(shù)字化，以保持預(yù)定的精度水平。只要輸入信號(hào)足夠大以使檢測(cè)到的信號(hào)高于本底噪聲，該設(shè)計(jì)就可以作為閉環(huán)工作。可變阻抗可用于幫助擴(kuò)展閉環(huán)操作的范圍。當(dāng)測(cè)量的信號(hào)電平低于可接受的信號(hào)電平以進(jìn)行精確檢測(cè)時(shí)，VOA必須指示信號(hào)功率不足并進(jìn)行開(kāi)環(huán)操作，并且不再能夠滿足精度要求。

拯救 - 跨線性對(duì)數(shù)放大器電路

1953年發(fā)布的Ebers-Moll方程預(yù)測(cè)了基極 - 發(fā)射極電壓之間的固有對(duì)數(shù)關(guān)系（ V _BE ）和雙極晶體管的集電極電流（ I _C ）。 ¹ 當(dāng)在高質(zhì)量的模擬工藝上制造時(shí)，這種關(guān)系非常明顯精確到IC范圍長(zhǎng)達(dá)90年。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始利用對(duì)數(shù)性質(zhì)開(kāi)始，取得了重大進(jìn)展.2一個(gè)重要的里程碑是巴里吉爾伯特對(duì)其廣義跨線性屬性中固有的權(quán)力的描述。 ³ 多年來(lái)，雙極結(jié)的對(duì)數(shù)和相關(guān)特性已被用于創(chuàng)建各種寬范圍線性和非線性器件，包括精密乘法器和分頻器，rms-to-dc轉(zhuǎn)換器， ⁴ 和調(diào)制器。它們使得可以描述緊湊，寬范圍，精確的模擬解決方案成為可能。

簡(jiǎn)而言之，在大約90年的范圍內(nèi)，BJT在其集電極電流和其基極之間呈現(xiàn)出自然的對(duì)數(shù)關(guān)系 - 發(fā)射極電壓，

其中 I _S 是傳輸飽和電流，大約為10 ^-16 A， k / q 是玻爾茲曼常數(shù)與電子電荷之比（1 / 11,605 V / K），T是開(kāi)爾文的絕對(duì)溫度。因此，熱電壓 kT / q 簡(jiǎn)單地與絕對(duì)溫度（PTAT）成比例，在300 K時(shí)約為25.85 mV。不幸的是，當(dāng)前的 I _S 定義不明確，各個(gè)設(shè)備之間存在顯著差異;它也強(qiáng)烈依賴于溫度，在-35°C和+ 85°C之間變化大約109倍。由于這些強(qiáng)烈的溫度依賴性，單獨(dú)的BJT將是非常不實(shí)用的對(duì)數(shù)放大器。要利用BJT進(jìn)行精確的對(duì)數(shù)變換，必須使溫度依賴性無(wú)效。

一對(duì)BJT的基極 - 發(fā)射極電壓之間的差值，一個(gè)工作在光電二極管電流， I _PD ，以及第二個(gè)以參考電流運(yùn)行， I _REF ，可以表示為

如果兩個(gè)晶體管緊密匹配，它們表現(xiàn)出幾乎相同的飽和電流，公式4可以寫(xiě)成

在300 K的環(huán)境溫度下，上述等式評(píng)估為

定義不良且與溫度相關(guān)的飽和電流 I _{S <現(xiàn)在已經(jīng)消除了等式1中出現(xiàn)的/ sub>} 。為了消除 kT / q 的溫度變化，該差分電壓被施加到模擬分頻器，其分母與絕對(duì)溫度成正比。最終輸出電壓現(xiàn)在基本上與溫度無(wú)關(guān)，可以表示為

< p>對(duì)數(shù)斜率 V _Y ，以伏特/十進(jìn)制表示。典型的跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器（如ADL5306和ADL5310）經(jīng)過(guò)縮放，可提供200 mV / decade的標(biāo)稱斜率。通過(guò)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的固定增益放大器或電壓衰減器網(wǎng)絡(luò)，可以增加或減少對(duì)數(shù)斜率。

當(dāng)光線落在光電二極管上時(shí)，產(chǎn)生的光電流與入射光功率成正比，單位為瓦特。在分貝標(biāo)度上，光功率的分貝與光電流的對(duì)數(shù)成比例，通過(guò)特定光電二極管的響應(yīng)度來(lái)縮放。任何光電二極管的分貝功率都可寫(xiě)為

如果已知公式7的分母中的參考電流，則可以從 V _{LOG <計(jì)算光電二極管上的入射絕對(duì)功率/ sub>} 電壓。

就光功率的分貝而言

< p>使用公式10，我們可以用光學(xué)功率來(lái)求解對(duì)數(shù)電壓，單位為dB。

其中

這提供了線性dB傳遞函數(shù)，允許簡(jiǎn)單的直線線方程用于描述絕對(duì)光功率與對(duì)數(shù)輸出電壓的關(guān)系。實(shí)際上，光電二極管的實(shí)際參考電流值和響應(yīng)度將通過(guò)簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)過(guò)程找到。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)已知光功率值的輸出電壓，可以確定直線方程的斜率和截距。然后，可以使用簡(jiǎn)單的減法和乘法來(lái)評(píng)估分貝的光功率，而無(wú)需使用取冪過(guò)程或在應(yīng)用線性TIA前端時(shí)所需的窮舉查找表。

如果分子電流來(lái)自輸入抽頭檢測(cè)器的光電流 I _PD ，分母電流 I _REF < / em>，是輸入信號(hào)通過(guò)吸收元件（如VOA）后產(chǎn)生的光電流，然后可以使用公式7得出對(duì)數(shù)電壓的衰減。

<對(duì)于光放大器設(shè)計(jì)，可以推導(dǎo)出類似的表達(dá)式，其中需要計(jì)算放大器兩端的增益dB。和以前一樣，使用簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)描述將輸出電壓與EDFA增益設(shè)置相關(guān)的直線方程。通過(guò)這種方式，跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器提供了使用簡(jiǎn)單的直線近似測(cè)量絕對(duì)功率，光吸收和增益的能力。

單片集成電路設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展現(xiàn)在允許制造跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器，提供寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)壓縮，幾乎不受分立實(shí)現(xiàn)中固有的溫度依賴性的影響。由Barrie Gilbert設(shè)計(jì)的第一個(gè)完整的單片跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器（對(duì)數(shù)放大器）AD8304于2002年1月由ADI公司推出。自推出AD8304以來(lái)，其他半導(dǎo)體制造商已推出對(duì)數(shù)器件。

應(yīng)用于VOA

在數(shù)字可變光衰減器（DVOA）應(yīng)用中，輸入和輸出光學(xué)抽頭用于測(cè)量輸入端的絕對(duì)光功率和輸出端口。然后可以處理功率測(cè)量值以計(jì)算DVOA對(duì)特定衰減設(shè)置的吸光度。使用閉環(huán)技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)地控制衰減，以基于輸入和輸出功率測(cè)量來(lái)維持期望的衰減水平。這種操作模式稱為自動(dòng)衰減控制或AAC。當(dāng)DVOA的輸出功率需要保持在恒定水平時(shí)，無(wú)論輸入光功率如何變化（只要輸入電平超過(guò)輸入電平），就需要另一種模式自動(dòng)功率控制（APC）。通過(guò)VOA的最小插入損耗獲得所需的輸出電平。

在任一工作模式下，環(huán)路通常以混合信號(hào)解決方案的形式實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)字ADL5310雙跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器，它能夠連接兩個(gè)獨(dú)立的光電二極管，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的光監(jiān)控通道上的絕對(duì)功率。該器件允許絕對(duì)測(cè)量輸出光信號(hào)，同時(shí)提供衰減測(cè)量。

自動(dòng)衰減控制和自動(dòng)功率控制

利用ADL5310的片上運(yùn)算放大器可以獲得兩個(gè)緩沖輸出。圖2的電路配置使得可以測(cè)量入射在光電二極管PD1上的絕對(duì)功率，以及在兩個(gè)端口之間觀察到的吸光度的量度。使用未經(jīng)校準(zhǔn)的VOA的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。輸出提供閉環(huán)模擬控制所需的線性dB傳遞函數(shù)。通過(guò)將適當(dāng)?shù)妮敵鰬?yīng)用于單獨(dú)的誤差積分器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)衰減和功率控制。它的輸出驅(qū)動(dòng)VOA的控制電壓。

圖2中的解決方案假設(shè)每個(gè)通道的各個(gè)對(duì)數(shù)斜率是相同的。實(shí)際上，通道到通道的斜率不匹配可能高達(dá)5％。當(dāng)總功率電平改變時(shí)，這將導(dǎo)致殘余誤差。在超過(guò)50年的功率范圍內(nèi)，殘余誤差可能高達(dá)2.5 dB。在某些情況下這是可以接受的 - 快速全模擬閉環(huán)控制是必要的，并且精度可能會(huì)受到影響，以便允許簡(jiǎn)單的硬件解決方案。在混合信號(hào)技術(shù)可以提供足夠快的響應(yīng)的解決方案中，可以通過(guò)監(jiān)視一個(gè)檢測(cè)器上的絕對(duì)功率并使用查找表進(jìn)行糾錯(cuò)來(lái)預(yù)測(cè)和最小化殘留誤差。

< p>圖3中的測(cè)試結(jié)果受制于實(shí)驗(yàn)室中使用的VOA的不準(zhǔn)確性。使用校準(zhǔn)的電流源重復(fù)測(cè)量，以更好地評(píng)估設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。圖4顯示了圖2中電路的完整動(dòng)態(tài)范圍功能和對(duì)數(shù)一致性。在5年的范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.1 dB。

< p>圖6中提供了另一種解決方案，其中使用電流鏡將PD2的陰極光電流的相反極性復(fù)制品饋送到ADL5310的通道2。所示的電流鏡是改進(jìn)的Wilson鏡。雖然其他電流鏡電路也可以工作，但這種改進(jìn)的Wilson鏡在溫度范圍內(nèi)提供了相當(dāng)穩(wěn)定的性能。為了最大限度地降低溫度梯度和β失配的影響，在設(shè)計(jì)電流鏡時(shí)必須使用匹配對(duì)晶體管。

圖6的電路不再受先前解決方案中固有的對(duì)數(shù) - 斜率失配問(wèn)題的影響?，F(xiàn)在可以獨(dú)立校準(zhǔn)單個(gè)通道斜率和截距特性。使用一對(duì)校準(zhǔn)電流源驗(yàn)證精度，以消除由于VOA的積分非線性引起的任何誤差。圖6中所示電路的性能如圖7和8所示。為幾個(gè)功率電平提供傳遞函數(shù)和誤差圖。在五十年的范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.1 dB。對(duì)于強(qiáng) I _IN 輸入電流，動(dòng)態(tài)范圍略微減小。這是由于VLOG引腳的可用擺幅有限;通過(guò)仔細(xì)選擇輸入和輸出光學(xué)耦合比，可以改善它。

結(jié)論

跨線性對(duì)數(shù)放大器簡(jiǎn)化了VOA通過(guò)在輸入光電流和所得輸出電壓之間提供線性dB關(guān)系來(lái)測(cè)量吸光度。當(dāng)使用對(duì)數(shù)信號(hào)處理時(shí)，消除了線性解決方案所需的除法和取冪過(guò)程。有幾種方法可以使用跨導(dǎo)線對(duì)數(shù)放大器為AAC和APC控制回路提供吸光度和絕對(duì)功率測(cè)量。使用片上運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單差分放大器布置提供了緊湊的解決方案，但如果對(duì)數(shù)斜率失配是不可接受的，則可能需要額外的糾錯(cuò)。稍微復(fù)雜的解決方案涉及使用改進(jìn)的Wilson電流鏡。電流鏡方法基本上不受通道間不匹配的影響，能夠提供超過(guò)50年的測(cè)量和控制范圍。

參考電路

¹ 雙極結(jié)晶體管（BJT）這一非常重要的方面是深度基礎(chǔ)物理學(xué)的一個(gè)特征，它控制結(jié)器件中的少數(shù)載流子傳導(dǎo)。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的早期論文是：“結(jié)晶體管的大信號(hào)行為”，Ebers，I。和J. Moll， IRE的論文，1954年12月，第1761-1772頁(yè)。 / p>

² “運(yùn)算放大器 - 晶體管電路的乘法和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換”，Paterson，W。，科學(xué)儀器評(píng)論，34-12，12月1963。

³ “跨線性電路：擬議的分類”，Gilbert，B.， Electronics Letters ，11-1,1975，pp.14-16。

⁴ 非線性電路手冊(cè)，ADI公司的工程人員，Sheingold，D。，ed。馬薩諸塞州諾伍德市：ADI公司（1974年）。