CN101692521B - 用于光通信发送机的激光二极管驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用于光通信发送机的激光二极管驱动器，包括：输入整形电路；具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路，连接所述输入整形电路的输出端、及待驱动的激光二极管；具有偏置电流开关的激光二极管偏置电流控制电路，连接所述激光二极管；光电转换电路；与所述光电转换电路直流耦合的峰值检波电路，用于对所述光电转换电路输出的电信号进行快速检波以输出检波信号；与所述峰值检波电路直流耦合的差分比较放大电路，其输出端与所述激光二极管调制电流控制电路、及所述激光二极管偏置电流控制电路相连接，以形成负反馈回路。本发明的有益效果在于：既适用于突发信号发送，也适用于随机平衡信号流发送。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信领域，特别涉及一种用于光通信发送机的激光二极管驱动器。
背景技术
用于光通信发送机的激光二极管驱动器在光通信系统中的作用是将被传输的电压信号转变为光信号。通常它由一个激光二极管驱动电路、一个激光二极管(LD)和自动功率控制电路组成。其中，激光二极管驱动电路将被传输的电压信号转变为相应的电流信号，该电流信号驱动激光二极管，激光二极管将该驱动电流信号转变为光信号输出。由于每一个激光二极管的电流/光功率转换效率都存在差异，而且该转换效率不仅会随环境温度变化加大，同时也会随激光二极管的老化(即随时间)而变化。所以激光二极管驱动器中往往需要一个自动功率控制电路，以保证发送机发出的光功率保持稳定，从而使整个光通信系统工作稳定，并延长激光器的使用寿命。因而激光二极管驱动器是光通信系统的核心构件之一。
传统激光二极管驱动器，多数只适用于随机平衡码流(即光发送平均功率约等于1/2峰值功率的码流)的光发送，而不适用突发信号(即光发送平均功率不等于1/2峰值功率的码流，突发光信号的平均发送功率与峰值功率之间没有稳定的数量关系)的光发送。原因是传统的激光二极管驱动器只能控制光发送的平均功率，而通过平均功率约等于1/2峰值功率的数量关系间接控制随机平衡信号的峰值功率。而对于突发信号的发送，则必须直接控制发送信号的峰值功率。随着近年来光纤接入网的发展，已有数量不多的技术产品，提供使用突发信号发送的激光二极管驱动器，他们大致分为两类：一类是没有自动功率控制功能，采用全温度补偿的办法稳定发送功率，缺点是发送峰值功率稳定性不高，且不能补偿LD老化引起的发送功率衰落，缩短LD的使用寿命，但目前推广应用的多数是该类产品；第二类是有自动功率控制功能，但现有技术多数只能适用于要求相对较低的EPON(以太网无源光网络)，或者控制精度稳定性尚不足，目前少见推广应用就足以证明其技术不成熟。
因此提供一种具有完善的发送光信号峰值功率自动控制功能的激光二极管驱动器，是目前光通信技术发展，尤其是光纤接入网技术及其他涉及突发信号光传输的技术领域发展的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术方案是提供一种用于光通信发送机的激光二极管驱动器，以解决现有技术的不足。
为解决上述技术方案，本发明提供一种用于光通信发送机的激光二极管驱动器，包括：输入整形电路、用于对输入的差分电压信号的波形进行整形放大，以消除输入的差分信号的不平衡性和张弛失真；具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路，连接所述输入整形电路的输出端、及待驱动的激光二极管，用于将所述输入整形电路输出的信号转化为具有正温度系数的调制电流信号，并使所述调制电流信号通过所述调制电流开关以驱动所述激光二极管发出光脉冲信号；具有偏置电流开关的激光二极管偏置电流控制电路、连接所述激光二极管，用于向所述激光二极管提供具有正温度系数的偏置电流；光电转换电路，用于将所述激光二极管输出的背向光信号转换为电信号；与所述光电转换电路直流耦合的峰值检波电路，用于对所述光电转换电路输出的电信号进行快速检波以输出检波信号，且其检波时间常数远小于检波信号的保持时间，以便能实现对突发信号的峰值检测；与所述峰值检波电路直流耦合的差分比较放大电路，其能输出与所述激光二极管发送光峰值功率相关且成反比的电压的输出端与所述激光二极管调制电流控制电路、及所述激光二极管偏置电流控制电路相连接，以形成负反馈回路，实现对所述偏置电流及所述调制信号的控制。
较佳的，所述输入整形电路包括对所述差分电压信号进行衰减的衰减网络、及连接在所述衰减网络输出端的差分放大器。
较佳的，所述衰减网络为由电阻串联构成的串联电路，其输出的差分信号的峰峰值大于双极型晶体管差放的翻转电压。
较佳的，所述差分放大器包括一差分对管、向所述差分对管提供电流的恒流源电路、与所述恒流源电路相连接且用于补偿所述恒流源电路温度特性的比例电流镜、分别连接所述差分对管输出端且各自将输出信号反馈回所述恒流源电路以构成直流负反馈偏置的两个射极跟随器。
较佳的，所述恒流源电路由晶体管与电阻构成，所述比例电流镜由二极管与电阻构成。
较佳的，所述调制电流开关包括一晶体管对管，其中，所述晶体管对管中的一者的基极连接所述输入整形电路的一输出端、集电极连接所述激光二极管，所述晶体管对管中的另一者的基极连接所述输入整形电路的另一输出端、集电极连接电源端。
较佳的，所述激光二极管调制电流控制电路还包括：与所述晶体管对管的两晶体管的发射极相连接且用于提供调制电流的调制电流源电路、向所述调制电流源电路提供偏置电压的负反馈串联稳压电路、及将所述负反馈串联稳压电路的输出耦合至所述调制电流源电路的射极跟随器。
较佳的，所述调制电流源电路引出一激光二极管调制电流监测端。
较佳的，所述射极跟随器的输入端引出一激光二极管调制电流设置端以通过接设的电阻来设置初始调制电流。
较佳的，所述激光二极管调制电流控制电路还包括：连接在所述负反馈串联稳压电路输出端，并能够使所述负反馈串联稳压电路输出的偏置电压低于所述调制电流源电路所需的偏置电压、进而导致所述调制电流源电路不输出调制电流的驱动电流全关断电路。
较佳的，所述驱动电流全关断电路为一两级串联的共射极电路，且所述共射极电路引出一驱动电流全关断电压输入端。
较佳的，所述偏制电流开关包括一晶体管对管和向所述晶体管对管的两者分别提供基极偏置电压的基极偏置电路，其中，所述晶体管对管中的一者的基极偏置电压高于另一者的基极偏置电压，且基极偏置电压高者的集电极连接所述激光二极管，低者的集电极连接电源端。
较佳的，所述所述激光二极管偏置电流控制电路还包括：与所述晶体管对管的两晶体管的发射极相连接且用于提供偏置电流的偏置电流源电路、向所述偏置电流源电路提供偏置电压的负反馈串联稳压电路、及将所述负反馈串联稳压电路的输出耦合至所述偏置电流源电路的射极跟随器。
较佳的，所述偏置电流源电路引出一激光二极管偏置电流监测端。
较佳的，所述射极跟随器的输入端引出一激光二极管偏置电流设置端以通过接设的电阻来设置初始偏置电流。
较佳的，所述激光二极管偏置电流控制电路还包括：连接在所述负反馈串联稳压电路输出端，并能够使所述负反馈串联稳压电路输出的偏置电压低于所述偏置电流源电路所需的偏置电压、进而导致所述偏置电流源电路不输出偏置电流的偏置电流关断电路。
较佳的，所述偏置电流关断电路为一两级串联的共射极电路，且所述共射极电路引出一偏置电流关断电压输入端。
较佳的，所述激光二极管调制电流控制电路引出驱动电流全关断电压控制端，所述偏置电流关断电压控制端与所述驱动电流全关断电压控制端通过一单向隔离二极管相连接，以便所述偏置电流关断电路关断时对所述调制电流全关断电路不产生影响。
较佳的，所述光电转换电路包括一光电二极管、以及和所述光电二极管直流耦合的跨阻放大器。
较佳的，所述峰值检波电路包括：直流耦合所述光电转换电路输出信号的射极跟随器、与所述射极跟随器直流耦合的检波二极管、与所述检波二极管连接的检波电容、以及与所述检波电容连接且包括场效应晶体管的共源极放大器。
较佳的，所述检波电容与所述检波二极管导通电阻构成的充电时间常数为几个ns数量级，所述检波电容与所述检波二极管反向截止电阻构成的放电时间常数为几十个ms数量级。
较佳的，所述差分比较放大电路包括：连接在所述峰值检波电路输出端的第一射极跟随器、与所述第一射极跟随器输出端相连接且包括差分对管构成的差分比较放大器、及与所述差分对管的两输出端分别连接的第二射极跟随器及第三射极跟随器，其中所述差分对管中的一者的输入端连接所述第一射极跟随器，另一者的输入端连接参考电压，连接参考电压者的输出端能输出与所述激光二极管发送光峰值功率相关且成反比的电压。
较佳的，在所述差分对管中，连接参考电压者引出一激光二极管输出光峰值功率设置端。
较佳的，在所述差分对管中，连接所述第一射极跟随器者其通过所述第二射极跟随器引出一激光二极管发送光峰值功率监测端。
较佳的，所述差分比较放大电路还包括负极连接在所述第三射极跟随器且正极连接在所述激光二极管调制电流控制电路的第一隔离二极管、以及负极连接在所述第三射极跟随器且正极连接在所述激光二极管偏置电流控制电路之间的第二隔离二极管。
较佳的，所述第二隔离二极管的负极静态电压工作点低于所述第一隔离二极管的静态工作点，以使偏置电流较调制电流先入控。
本发明的有益效果在于：发射峰值光功率自动控制功能完善，发射峰值光功率动态稳定性更好，发射峰值光功率不受发送码型影响，也不受LD偏置电流帧同步开关的影响，因而既适用于突发信号发送，也适用于随机平衡信号流发送。
附图说明
图1为用于光通信发送机的激光二极管驱动器较佳实施例方框图。
图2为用于光通信发送机的激光二极管驱动器较佳实施例电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参照图1，本发明提供的用于光通信发送机的突发信号激光二极管驱动器包括两个差分信号输入端1和2、一个输入整形电路3、一个调制电流开关4、一个激光二极管LD5、一个激光二极管调制电流控制电路6、一个激光二极管调制电流设置端IMSET7、一个激光二极管调制电流设置电阻RIM8、一个激光二极管调制电流监测端IMMON9、一个激光二极管驱动电流关断电压VDISABLE输入端10、一个单向隔离二极管11、一个具有偏置电流开关的激光二极管偏置电流控制电路12、一个激光二极管偏置电流设置端IBSET13、一个激光二极管偏置电流设置电阻14、一个激光二极管偏置电流监测端IBMON15、一个激光二极管偏置电流关断电压输入端VIBOFF16、一个光电二极管PD17、一个跨阻抗放大器TIA18、一个峰值检波比较放大电路19、一个激光二极管发送峰值光功率设置端APCSET20、一个激光二极管发送峰值光功率设置电阻RAPC21、以及一个激光二极管发送峰值光功率监测端PWMON22。其中，调制电流开关4及激光二极管调制电流控制电路6构成具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路，峰值检波比较放大电路19包括峰值检波电路及差分比较放大电路两部分，图中的LD即表示激光二极管，激光二极管调制电流控制电路6与LD调制电流控制电路6指代同一主体，同理适用于其他采用“LD”代替激光二极管的方式。
差分输入端1和2将输入差分信号直流耦合到输入整形电路3，输入整形电路3消除输入差分信号可能的不对称(正负相信号不平衡)和可能的张弛失真。LD调制电流开关4将输入整形电路3输出的电压信号转换为开关电流信号调制激光二极管5，激光二极管5将调制电流信号转换为相应光信号馈入传输媒介。LD调制电流控制电路6为LD调制电流开关提供调制电流，其根据峰值检波比较放大电路19提供的反馈电压、一个LD调制电路设置端7、LD驱动电流全关断电压输入端10的状态动态控制LD调制电流及LD偏置电流，并提供通常光通信系统所要求提供的功能端口。其包括LD调制电流设置端7，LD调制电流监测端9和LD驱动电流(包括调制电流和偏置电流)全关断电压输入端10(目的是保证系统维护人员安全)。LD调制电流设置电阻8由用户根据LD的功率/电流曲线(PI曲线)和系统要求设定。LD偏置电流源及控制电路12为激光二极管5提供偏置电流，其根据峰值检波比较放大电路提供的反馈电压，以及LD偏置电流设置端13、LD偏置电流关断电压输入端16。二极管11起单向隔离作用，其正极与端口16连接，负极与端口10连接，当端口16输入低电平(≤0.7V)时，LD偏置电流关断，二极管11处于截止状态，不影响端口10，而当端口10输入低电平时，二极管11导通，LD调制电流和LD偏置电流同时关断。此外，LD偏置电流源及控制电路还提供通常光通信系统所要求提供的功能端口13、15和16。LD偏置电流设置电阻14由用户根据LD的PI曲线和系统要求来设定。光电二极管17和跨阻放大器18将LD背向光信号转换为电压信号，峰值检波比较放大电路19对该电压信号进行峰值检波并进行比较放大，从而使其输出电压与LD发送峰值光功率线性相关，并将该与LD发送峰值光功率线性相关电压按负反馈原理馈送至LD调制电流控制电路6和LD偏置电流源及控制电路12，从而实现对LD发送峰值光功率的动态自动控制。此外，峰值检波比较放大电路19还提供通常光通信系统要求提供的功能端口即LD发送光功率监测端口22和LD发送光功率设置端口20，LD发送光功率设置电阻21由用户根据系统要求设定。
请参照图2，其为上述用于光通信发送机的激光二极管驱动器实施电路图。
电阻器R1、R2、R3依次串联连接，组成一个电阻衰减网络，差分电压信号分别从R1和R3的另一端输入，从R2的两端输出被衰减的差分电压，其衰减后的输出差分信号峰峰值约为150mV～200mV，大于双极型晶体管差放的翻转电压(约为80mV)。
按上述连接，由R1、R2、R3组成的电阻衰减网络有效提高了输入信号的回波损耗，降低了输入信号的驻波比，同时防止后续电路输入过载失真。
差分放大晶体管对管Q1、Q2，其集电极分别通过电阻R4、R5连接电源VCC，其两基极分别连接上述R2的两端，其两个发射极与晶体管Q3的集电极连接，Q3的发射极通过电阻R6接地，构成恒流源电路，其基极通过一个二极管D1和电阻R0串联接地。晶体管Q4、Q5，与电阻R7、R8构成两个射极跟随器。电阻R9、R10串联后跨接于Q4、Q5的发射极，其串联连接点与Q3的基极连接，以此为Q3基极提供负反馈偏置电压，其中R9＝R10。
按照上述连接晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R0以及二极管D1构成一个差分放大器，差分放大器的恒流源晶体管Q3基极通过电阻R9、R10与差放输出射随连接，由于R9＝R10，其串联连接点的交流信号幅度为0，从而实现直流负反馈偏置，二极管D1和电阻R0构成一个比例电流镜，用以补偿Q3的温度特性，使所述差分放大器的稳定性和平衡特性良好。加上上述输入衰减网络的高回波损耗，使所述差放的输出波形保持差分放大限幅的近似矩形波，消除输入信号波形可能的张弛失真。
晶体管对Q6、Q7构成激光二极管调制电流开关，其两个基极分别与上述差分放大器的两个输出射随连接，其两个射极与恒流源晶体管Q8的集电极连接，Q6的集电极与激光二极管LD连接，Q7的集电极连接电源VCC，Q8的发射极通过电阻R11接地。晶体管Q9、Q10和电阻R13、R14、R15、R16构成一个负反馈串联稳压电路，从晶体管Q9的集电极引出输出电压，晶体管Q11的射极通过二极管D2和电阻R17串联接地，其集电极连接电源VCC，基极与所述串联稳压电路的输出端连接，构成一个射极跟随器。D2与R17的串联连接点与Q8的基极连接，为Q8提供基极偏置电压。从晶体管Q9的集电极引出LD调制电流设置功能端口IMSET，从晶体管Q8的发射极通过一个电阻R12引出LD调制电流监测端口IMMON。
恒流源晶体管Q8及其射极电阻构成一调制电流源电路，为晶体管Q6、Q7构成的LD调制电流开关提供LD调制电流，所述串联稳压电路和输出射随为恒流源晶体管Q8提供基极偏置电压，由于晶体管Q10的BE结具有-2mV/℃的温度系数，所以从Q9集电极输出的电压具有一个较大的正温度系数，晶体管Q11的BE结和二极管D2串联，更加强了这一正温度系数。所以恒流源晶体管的输出电流随着环境温度升高而增加，以补偿LD的电流——光功率转换率的负温度系数。当晶体管Q6的基极为高电平，晶体管Q7的基极为低电平时，Q6导通、Q7截止，Q8提供的电流被注入激光二极管LD，LD发出光脉冲信号，反之则Q6截止，Q7导通，LD调制电流被关断。用户可通过一个接地电阻RIM连接LD调制电流设置端IMSET。设置初始的LD调制电流。已知R11的阻值，从LD调制电流监测端口IMMON的输出电压可以作出一条拟合曲线(方程)送入系统的监控模块来检测LD调制电流。
晶体管Q12、Q13、电阻R18、R19组成的两级串联的共射极电路(两个反相器)作为驱动电流全关断电路，其中Q12、Q13的发射极接地，Q12的集电极和基极分别通过电阻R18、R19连接电源VCC，Q13的基极与Q12的集电极连接，Q13的基极与上述串联稳压器的电压输出端即晶体管Q9的集电极连接。从所述晶体管Q12的基极引出LD驱动电流全关断电压输入端DISABLE。
按照上述连接，所述调制电流开关、所述调制电流源电路、所述射极跟随器、所述负反馈串联稳压电路、即所述驱动电流全关断电路构成具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路。当LD驱动电流关断电压输入端DISABLE的输入电压为低电平(≤0.7V)时，上述晶体管Q12截止，Q13导通直至电流饱和，其集电极电压降至≤0.3V，从而使上述LD调制恒流源晶体管Q8截止，关断LD调制电流，并关断后述的LD偏置电流。当LD驱动电流全关断电压输入端为高电平(≥1.8V)或开路时，上述晶体管Q12导通并饱和，Q13截止，对LD调制电流恒流源晶体管的设置偏置电压(控制电压)不产生影响。
晶体管对管Q14、Q15构成偏置电流开关，其两个发射极与晶体管Q16的集电极连接，Q14的集电极与上述激光二极管LD的负极连接，Q15的集电极连接电源VCC。所述晶体管Q16的发射极通过一个电阻R25接地，构成偏置电流源电路。电阻R20、二极管D3、D4、电阻R21、电阻R22、二极管D5、D6和电阻R23构成了基极偏置电路。其中，电阻R20、二极管D3、D4和电阻R21依次串联连接，其中R20的一端连接电源VCC，R21的一端接地，晶体管Q14的基极连接R20与D3的串联连接点，为Q14提供基极偏置电压；电阻R22、二极管D5、D6和电阻R23依次串联连接，电阻R22的一端连接电源VCC，电阻R23的一端连接地，二极管D5、D6的串联连接点与所述晶体管Q15的基极连接，为Q15提供偏置电压；所述电阻R20＝R22，R21＝R23。晶体管Q17、Q18和电阻R27、R28、R29、R30构成一个负反馈串联稳压电路，其输出电压从晶体管Q17的集电极引出并经过由晶体管Q19和二极管D7、电阻R24构成的射随为上述晶体管Q16提供基极偏置电压，其中二极管D7和R24串联连接作为所述射随负载，上述晶体管Q16的基极连接二极管D7与电阻R24的串联连接点。
所述串联稳压电路包括所述电压输出射极跟随器的输出电压具有正温度系数，其为所述晶体管Q16提供基极偏置电压；则Q16的集电极电流同样具有正温度系数，以此补偿激光二极管阈值电流斜率的负温度系数。所述晶体管Q16的集电极电流即激光二极管LD的偏置电流，该电流被注入到晶体管Q14和Q15的发射极。由于在通常状态下Q14的基极偏置电压比Q15的基极偏置电压高一个二极管导通电压(约0.8V)，所以通常状态下，Q14导通而Q15截止。所以晶体管Q16的集电极电流通过Q14馈入激光二极管LD。
晶体管Q20、Q21、电阻器R31、R32、R33、二极管D8、D9、D10组成一个二级串联的共射极(反相器)电路作为偏置电流关断电路，其中，晶体管Q20、Q21的发射极分别通过二极管D8、D9接地，Q20的集电极和基极分别通过电阻R31和R32连接电源VCC，二极管D10的正极与晶体管Q20的基极连接，D10的负极与上述LD驱动电流全关断电压输入端VDISABLE连接。晶体管Q21的集电极与上述晶体管Q14的基极进行连接。此外，从上述晶体管Q17的集电极引出LD偏置电流设置端IBSET，从晶体管Q16的发射极通过一个电阻R26引出LD偏置电流监测端，从晶体管Q20的基极通过电阻R33引出LD偏置电流关断电压输入端口VIBOFF。
按上述连接，所述偏置电流开关、所述偏置电流源电路、所述基极偏置电路、所述负反馈串联稳压电路、及所述偏置电流关断电路构成具有偏置电流开关的LD偏置电流控制电路，当上述LD偏置电流关断电压输入端VIBOFF或(和)上述LD驱动电流全关断电压输入端VDISABLE为低电平(≤0.7V)时，晶体管Q20截止，晶体管Q21导通直至饱和，从而使晶体管Q14的基极偏置电压下拉至约为0.8V，使Q14截止，而Q15导通，LD偏置电流被关断，Q16的集电极电流通过Q15释放。其中，其中二极管D10起单向隔离作用，当LD偏置电流关断电压输入端VIBOFF为低电平，而LD驱动电流全关断电压输入端VIDSABLE为高电平或开路时，二极管D10截止，不影响LD调制电流。电阻R33的作用是保证LD驱动电流全关断电压输入端VDISABLE的强制关断功能，即使当LD偏置电流关断电压输入端VIBOFF处于高电平状态，只要当LD驱动电流关断电压输入端VDISABLE为低电平，因为此时二极管D10导通，在R33上产生的压降使晶体管Q20的基极偏置电压降低直至其截止，LD驱动电流，包括调制电流和偏置电流，被完全关断。所述强制关断功能的目的是保证系统维护人员的安全。此外用户可在LD偏置电流设置端口通过一个外接到地电阻RIB来设置LD偏置电流。
光电二极管PD及与其连接的跨阻放大器TIA构成光电转换电路，将激光器二极管LD的背向光信号转换为电信号，一个晶体管Q22与一个电阻R34构成的射极跟随器与跨阻放大器TIA直流耦合连接输出经光电转换后的脉冲电压信号。一个检波二极管D11的正极与所述射极跟随器的输出端直流耦合连接。其负极通过一个检波电容C1接地，一个场效应管Q23与一个电阻R35构成共源极电路，其中场效应晶体管Q23的源极接地，其漏极通过电阻R35连接电源VCC，其栅极与二极管D11的负极连接。
按上述连接，所述光电转换电路、所述射极跟随器、所述检波二极管、所述检波电容、及所述共源极放大器构成一个较为理想的峰值检波电路，其特征包括所述跨阻放大器射随输出的脉冲电压信号峰值幅度与所述激光二极管LD发送光信号峰值功率线性相关；所述射极跟随器输出端电压静态工作点低于所述检波二极管D11的导通电压(约为0.6V)；即检波二极管D11静态截止；当所述光电转换电路输出脉冲电压信号，其脉冲电压峰值叠加于静态电压工作点，二者叠加幅度达到检波二极管导通电压时，D11导通并对检波电容C1充电；当所述检波电容C1充电电压至高于所述场效应管Q23的夹断电压时，Q23导通，其源极电压随检波电路输入电压峰值幅度的升高而下降。
按上述连接构成的上述峰值检波电路，其特征还包括：所述峰值检波电路各组件之间，全部采用直流耦合方式(DC耦合)，从而消除了通常采用AC耦合方式带来的基限漂移波动和基线漂移时延；所述检波二极管D11的正相导通微分电阻Rd为100～1000Ω数量级，其反相漏电阻Rbck为1011Ω数量级，所述场效应晶体管Q23的栅极输入电阻为1013Ω数量级。因此，当峰值检波电路输入信号电压峰值不变时，所述检波电容C1充电电压最大值为VS，其检波充电时间常数Rd*C1(电容C1电压从0V到0.68VS所需时间)比检波电压保持(放电)时间Rbck*C1(即检波电路无输入信号时，电容C1上的电压从VS降至0.68VS所需的时间)小8个数量级。例如，选择C1＝6pf，则充电时间为ns数量级，而保持时间为100ms数量级，从而使所述峰值检波电路实现快速检波，并长时间保持记忆，使其峰值检波效率与输入码型及帧结构无关，即实现突发信号的峰值检波。并且由于其大的放电时间常数，即大的低通滤波时间常数，能有效滤除检波输出电压的交流分量，使电路工作稳定。实际上，为了适用于各种帧结构(即各种线路码型)波形的峰值检波，检波充电时间常数应小于或等于最小子帧(一个数据包)长度的1/10左右，才能保证检出峰值，且与子帧内传号率相关性可忽略，所以充电时间常数越小越接近理想。而检波电压保持时间则至少应大于最大复帧长度，最大复帧极限长度为50ms，50ms是实时交换网络的保护时间，所以不管任何速率下，保持时间等于或大于50ms即可。从上述说明可以看到，检波充电时间常数与检波电压保持时间常数各有其独立的要求，二者之间并无必然数量级要求比例。但由于最小子帧通的1/10通常远小于最大复帧极限长度，检波充电时间常数通常需小于检波电压保持时间2个数量级。在实际电路设计中，由于充电和保持共用一个电容器，所以二者兼顾不易做到。而在本发明中设定的检波充电时间为几个ns，而保持时间为几十至100ms，达到了较佳效果。
晶体管Q24和电阻R36构成一第一射极跟随器，其输入与上述场效应晶体管Q23的源极连接。差分放大晶体管对管Q25、Q26和电阻R37、R38、R39构成一个差分比较放大器，其中Q25的集电极通过电阻R37连接电源VCC，Q26的集电极通过电阻R38连接电源VCC，Q25和Q26的发射极通过电阻R39接地。两个电阻R40、R41相互串联连接后跨接电源VCC和地之间，构成一个电阻分压器，提供参考电压，所述差分比较放大器的两个输入端之一即所述晶体管Q25的基极与所述射随的输出端即晶体管Q24的发射极连接，峰值检波电压经所述射随馈入所述差分比较放大器。所述差分比较放大器的另一输入端即所述晶体管Q26的基极与所述电阻分压器连接，以获得比较参考电压(门限电压)。
上述差分比较放大器电压输出端即上述晶体管Q26的集电极输出电压在设定范围内与所述激光二极管发送光峰值功率线性相关并成反比。也就是当所述激光二极管LD发送光峰值功率增加时，所述差分比较放大器输出电压降低，反之该电压升高。
晶体管Q27，其基极与上述差分比较放大器的电压输出端即上述晶体管Q26的集电极连接，其集电极连接电源VCC，其发射极通过电阻R42和R43串联接地，构成第三射极跟随器。此外，晶体管Q27的发射极通过一个第一隔离二极管D12与上述晶体管Q9的集电极连接，其中第一隔离二激管D12的负极与上述晶体管Q27的发射极连接，第一隔离二极管D12的正极与上述晶体管Q9的集电极连接。电阻R42与电阻R43的串联连接点通过一个第二隔离二极管D13连接到上述晶体管Q17的集电极，其中第二隔离二极管D13的负极连接R42与R43的串联连接点，第二隔离二极管D13的正极与上述晶体管Q17的集电极连接。一个晶体管Q28，其基极与上述差分比较放大器的互补输出端即上述晶体管Q25的集电极连接，其集电极连接电源VCC，其发射极通过电阻R44接地，构成第二射极跟随器，并从Q28的发射极引出激光二极管发送光峰值功率监测端口PWMON。从上述晶体管Q26的基极引出激光二极管输出光峰值功率设置端口APCSET，用户可通过该端口外接一个到地电阻RAPC设置激光二极管LD发送光峰值功率。
按上述连接，所述第一射极跟随器、所述第二射极跟随器、所述第三射极跟随器、及所述差分比较放大器构成差分比较放大电路，所述差分比较放大电路连同所述峰值检波电路、所述光电转换电路、所述具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路、所述具有偏置电流开关的激光二极管偏置电流控制电路、及所述第一及第二隔离二级管构成本发明用于光通信发送机激光二极管驱动器的发送光峰值功率自动控制(APC)反馈回路。其特征包括：所述峰值检波比较放大器输出电压通过由所述晶体管Q27与电阻R42、R43构成的射随以及二极管D12、D13反馈到所述LD调制电流控制电路和所述LD偏置电流控制电路，从而控制LD的调制电流和偏置电流，以此达到控制LD发送光峰值功率的目的，如上所述，该反馈电压与LD发送光峰值功率线性相关且成反比，因而该反馈回路为电压负反馈。其中所述二极管D12和D13的作用是隔离在电路供电电源VCC开关及外部环干扰时可能引起的所述峰值检波比较放大器输出瞬间高电平脉冲，使LD驱动电流不超出设定的最大值，从而避免激光二极管LD收到冲击损伤。还有上述反馈控制回路既控制了激光二极管的调制电流，又控制了激光二极管LD的偏置电流，较通常大多数情况下只通过控制偏置电流来实现LD发送功率自动控制的方法，其控制动态范围更大。再有，由于所述二极管D13的负极静态电压工作点低于所述二极管D12的静态工作点，因而LD偏置电流较LD调制电流先入控，从而避免在控制过程中对LD调制电流的过度控制而引起LD发送光信号动态消光比劣化。
综上所述，在本发明提供的一种新型结构的突发信号激光二极管驱动器中，一个输入整形电路用来修正输入差分信号的不对称，消除输入信号可能的张弛失真和改善输入信号的驻波比。一个LD调制电流开关将电压信号转变为电流信号并调制激光二极管LD，一个激光二极管LD将上述调制电流信号转换为相应的光信号发送至光传输媒介。一个LD调制电流控制电路为LD调制电流开关提供调制电流并根据整个反馈控制回路状态动态控制LD调制电流；一个具有偏置电流开关的LD偏置电流控制电路为激光二极管LD提供偏置电流并根据整个反馈控制回路的状态动态控制LD偏置电流；一个光电二极管PD及与其连接的跨阻放大器TIA将激光二极管发送的光信号(背向)转换为电压信号；一个与跨阻放大器TIA直流耦合的峰值检波电路检出与激光二极管LD发送光峰值功率线性相关的电压信号，其快速检出的时间常数(充电时间)仅为ns数量级，其放电时间常数(保持时间)长达100ms数量级，而且由于该峰值检波电路各组件之间均采用直流耦合(DC耦合)方式，克服了通常AC耦合引起的基线漂移波动和基线漂移稳定时延，因而电路实现稳定可靠的峰值检波，其检波电压与LD发送光峰值功率线性相关而与调制码型及帧结构无关；一个差分比较放大器对峰值检波电路的输出电压与设定的比较参考电压进行比较放大，其比较放大输出电压与LD发送光峰值功率线性相关且成反比，将该输出电压反馈至LD调制电流控制电路和LD偏置电流控制电路，亦即将LD输出光峰值功率的变化量转化为线性相关并成反比电压变化量反馈至LD调制电流源和LD偏置电流源的电压偏置电路，当LD发送光峰值功率升高时，使上述偏置电压降低，反之使上述偏置电压升高，从而达到LD发送峰值光功率自动控制，并使其保持在设定范围内，本发明不但适用于突发信号的光发送机，也适用于随机平衡信号流的光发送。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (26)
1.一种用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，包括：
输入整形电路，用于对输入的差分电压信号的波形进行整形放大，以消除输入的差分信号的不平衡性和张弛失真；
具有调制电流开关的激光二极管调制电流控制电路，连接所述输入整形电路的输出端、及待驱动的激光二极管，用于将所述输入整形电路输出的信号转化为具有正温度系数的调制电流信号，并使所述调制电流信号通过所述调制电流开关以驱动所述激光二极管发出光脉冲信号；
具有偏置电流开关的激光二极管偏置电流控制电路，连接所述激光二极管，用于向所述激光二极管提供具有正温度系数的偏置电流；
光电转换电路，用于将所述激光二极管输出的背向光信号转换为电信号；
与所述光电转换电路直流耦合的峰值检波电路，用于对所述光电转换电路输出的电信号进行快速检波以输出检波信号，且其检波时间常数小于检波信号的保持时间至少2个数量级，以便能实现对突发信号的峰值检测；
与所述峰值检波电路直流耦合的差分比较放大电路，其能输出与所述激光二极管发送光峰值功率相关且成反比的信号，且其输出端与所述激光二极管调制电流控制电路、及所述激光二极管偏置电流控制电路相连接，以形成负反馈回路，实现对所述偏置电流及所述调制电流的控制。
2.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述输入整形电路包括对所述差分电压信号进行衰减的衰减网络、及连接在所述衰减网络输出端的差分放大器。
3.如权利要求2所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述衰减网络为由电阻串联构成的串联电路，其输出的差分信号的峰峰值大于双极型晶体管差放的翻转电压。
4.如权利要求2所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述差分放大器包括一差分对管、向所述差分对管提供电流的恒流源电路、与所述恒流源电路相连接且用于补偿所述恒流源电路温度特性的比例电流镜、分别连接所述差分对管输出端且各自将输出信号反馈回所述恒流源电路以构成直流负反馈偏置的两个射极跟随器。
5.如权利要求4所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述恒流源电路由晶体管与电阻构成，所述比例电流镜由二极管与电阻构成。
6.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述调 制电流开关包括一晶体管对管，其中，所述晶体管对管中的一者的基极连接所述输入整形电路的一输出端、集电极连接所述激光二极管，所述晶体管对管中的另一者的基极连接所述输入整形电路的另一输出端、集电极连接电源端。
7.如权利要求6所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述激光二极管调制电流控制电路还包括：与所述晶体管对管的两晶体管的发射极相连接且用于提供调制电流的调制电流源电路、向所述调制电流源电路提供偏置电压的负反馈串联稳压电路、及将所述负反馈串联稳压电路的输出耦合至所述调制电流源电路的射极跟随器。
8.如权利要求7所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述调制电流源电路引出一激光二极管调制电流监测端。
9.如权利要求7所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述射极跟随器的输入端引出一激光二极管调制电流设置端以通过接设的电阻来设置初始调制电流。
10.如权利要求7所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述激光二极管调制电流控制电路还包括：连接在所述负反馈串联稳压电路输出端，并能够使所述负反馈串联稳压电路输出的偏置电压低于所述调制电流源电路所需的偏置电压、进而导致所述调制电流源电路不输出调制电流的驱动电流全关断电路。
11.如权利要求10所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述驱动电流全关断电路为一两级串联的共射极电路，且所述共射极电路引出一驱动电流全关断电压输入端。
12.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述偏置电流开关包括一晶体管对管和向所述晶体管对管的两者分别提供基极偏置电压的基极偏置电路，其中，所述晶体管对管中的一者的基极偏置电压高于另一者的基极偏置电压，且基极偏置电压高者的集电极连接所述激光二极管，低者的集电极连接电源端。
13.如权利要求12所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述激光二极管偏置电流控制电路还包括：与所述晶体管对管的两晶体管的发射极相连接且用于提供偏置电流的偏置电流源电路、向所述偏置电流源电路提供偏置电压的负反馈串联稳压电路、及将所述负反馈串联稳压电路的输出耦合至所述偏置电流源电路的射极跟随器。
14.如权利要求13所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述偏置电流源电路引出一激光二极管偏置电流监测端。
15.如权利要求13所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述 射极跟随器的输入端引出一激光二极管偏置电流设置端以通过接设的电阻来设置初始偏置电流。
16.如权利要求13所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述激光二极管偏置电流控制电路还包括：连接在所述负反馈串联稳压电路输出端，并能够使所述负反馈串联稳压电路输出的偏置电压低于所述偏置电流源电路所需的偏置电压、进而导致所述偏置电流源电路不输出偏置电流的偏置电流关断电路。
17.如权利要求16所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述偏置电流关断电路为一两级串联的共射极电路，且所述共射极电路引出一偏置电流关断电压输入端。
18.如权利要求17所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述激光二极管调制电流控制电路引出偏置电流关断电压控制端和驱动电流全关断电压控制端，所述偏置电流关断电压控制端与所述驱动电流全关断电压控制端通过一单向隔离二极管相连接，以便所述偏置电流关断电路关断时对所述驱动电流全关断电路不产生影响。
19.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述光电转换电路包括一光电二极管、以及和所述光电二极管直流耦合的跨阻放大器。
20.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述峰值检波电路包括：直流耦合所述光电转换电路输出信号的射极跟随器、与所述射极跟随器直流耦合的检波二极管、与所述检波二极管连接的检波电容、以及与所述检波电容连接且包括场效应晶体管的共源极放大器。
21.如权利要求20所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述检波电容与所述检波二极管导通电阻构成的充电时间常数为几个ns数量级，所述检波电容与所述检波二极管反向截止电阻构成的放电时间常数为几十个ms数量级。
22.如权利要求1所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于，所述差分比较放大电路包括：连接在所述峰值检波电路输出端的第一射极跟随器、与所述第一射极跟随器输出端相连接且包括差分对管构成的差分比较放大器、及与所述差分对管的两输出端分别连接的第二射极跟随器及第三射极跟随器，其中所述差分对管中的一者的输入端连接所述第一射极跟随器，另一者的输入端连接参考电压，连接参考电压者的输出端能输出与所述激光二极管发送光峰值功率相关且成反比的电压。
23.如权利要求22所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：在所述差分对管中，连接参考电压者引出一激光二极管输出光峰值功率设置端。
24.如权利要求22所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：在所述差分对管中，连接所述第一射极跟随器者其通过所述第二射极跟随器引出一激光二极管发送光峰值功率监测端。
25.如权利要求22所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述差分比较放大电路还包括负极连接在所述第三射极跟随器且正极连接在所述激光二极管调制电流控制电路的第一隔离二极管、以及负极连接在所述第三射极跟随器且正极连接在所述激光二极管偏置电流控制电路之间的第二隔离二极管。
26.如权利要求25所述的用于光通信发送机的激光二极管驱动器，其特征在于：所述第二隔离二极管的负极静态电压工作点低于所述第一隔离二极管的静态工作点，以使偏置电流较调制电流先入控。
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