可变光衰减器的闭环控制设计（自动衰减控制和自动功率控制）

在密集波分复用（DWDM）网络中实现紧密的信道间隔需要精确控制频谱发射和功率。这需要连续监视和调整网络元素，例如传输激光源，光学插件，光放大器和可变光衰减器（VOA）。这些最后的元素通常用于调整DWDM频谱的功率电平，以最大限度地减少串扰并保持所需的信噪比。

例如，VOA可以与级联掺铒光纤放大器（EDFA）有助于均衡放大器的非均匀增益与波长分布，提高线性度并增强整个系统的控制。递归测量和控制算法可用于提供快速准确的动态闭环控制，从而确保可重复性并最大限度地减少生产校准和修整。对数放大器前端调节宽范围输入信号，从而允许在下游使用分辨率较低，成本较低的信号处理元件。

经典混合信号解决方案

经典解决方案结合了线性跨阻抗放大器（TIA）和高分辨率信号处理，以测量和控制VOA的吸光度。起初，由于TIA前端的低成本，这似乎是一个有吸引力的解决方案。然而，TIA是线性的，因此计算VOA上的分贝（对数）衰减需要对测量信号进行后处理。以数字方式执行，这需要浮点处理器来处理计算中涉及的除法和取幂过程。或者，可以使用在生产校准期间生成的穷举查找表来执行基于整数的处理。这两种方法通常都需要具有至少14位分辨率和中等高处理器速度的模数转换器，以最小化由固有处理开销导致的测量延迟。选择线性TIA前端所寻求的成本优势通常被获得测量信号和计算衰减所需的更高价格的转换器和处理器的成本所淹没。如果在生产测试期间需要生成冗长的查找表，则会产生额外的成本（和生产延迟）。

可变光学衰减器的自适应控制

图1说明了围绕自适应控制的VOA应用的这种经典解决方案。放大后的信号经过低通滤波，有助于降低测量噪声。然后将滤波的信号数字化并计算衰减器的吸光度。

如果使用线性放大将测量的光电流转换为比例电压，则需要计算测量信号的比率，然后进行反幂运算，乘以计算VOA的实际吸光度。

如果探测器前端的响应度和跨阻抗增益相等，那么

其中 R _TIA 是以欧姆为单位的 transresistance

ρ是A / W中光电二极管的响应度

实际上，前端跨阻抗不会相等，因此需要额外的校准和校正。在数字解决方案中，为了提供可接受的计算精度，需要使用具有足够分辨率的模数转换器（ADC）将信号数字化，以保持预定的精度水平。只要输入信号足够大以使检测到的信号高于本底噪声，该设计就可以作为闭环工作。可变阻抗可用于帮助扩展闭环操作的范围。当测量的信号电平低于可接受的信号电平以进行精确检测时，VOA必须指示信号功率不足并进行开环操作，并且不再能够满足精度要求。

拯救 - 跨线性对数放大器电路

1953年发布的Ebers-Moll方程预测了基极 - 发射极电压之间的固有对数关系（ V _BE ）和双极晶体管的集电极电流（ I _C ）。 ¹ 当在高质量的模拟工艺上制造时，这种关系非常明显精确到IC范围长达90年。从20世纪60年代开始利用对数性质开始，取得了重大进展.2一个重要的里程碑是巴里吉尔伯特对其广义跨线性属性中固有的权力的描述。 ³ 多年来，双极结的对数和相关特性已被用于创建各种宽范围线性和非线性器件，包括精密乘法器和分频器，rms-to-dc转换器， ⁴ 和调制器。它们使得可以描述紧凑，宽范围，精确的模拟解决方案成为可能。

简而言之，在大约90年的范围内，BJT在其集电极电流和其基极之间呈现出自然的对数关系 - 发射极电压，

其中 I _S 是传输饱和电流，大约为10 ^-16 A， k / q 是玻尔兹曼常数与电子电荷之比（1 / 11,605 V / K），T是开尔文的绝对温度。因此，热电压 kT / q 简单地与绝对温度（PTAT）成比例，在300 K时约为25.85 mV。不幸的是，当前的 I _S 定义不明确，各个设备之间存在显着差异;它也强烈依赖于温度，在-35°C和+ 85°C之间变化大约109倍。由于这些强烈的温度依赖性，单独的BJT将是非常不实用的对数放大器。要利用BJT进行精确的对数变换，必须使温度依赖性无效。

一对BJT的基极 - 发射极电压之间的差值，一个工作在光电二极管电流， I _PD ，以及第二个以参考电流运行， I _REF ，可以表示为

如果两个晶体管紧密匹配，它们表现出几乎相同的饱和电流，公式4可以写成

 

在300 K的环境温度下，上述等式评估为

定义不良且与温度相关的饱和电流 I _{S <现在已经消除了等式1中出现的/ sub>} 。为了消除 kT / q 的温度变化，该差分电压被施加到模拟分频器，其分母与绝对温度成正比。最终输出电压现在基本上与温度无关，可以表示为

< p>对数斜率 V _Y ，以伏特/十进制表示。典型的跨导线性对数放大器（如ADL5306和ADL5310）经过缩放，可提供200 mV / decade的标称斜率。通过增加一个简单的固定增益放大器或电压衰减器网络，可以增加或减少对数斜率。

 

当光线落在光电二极管上时，产生的光电流与入射光功率成正比，单位为瓦特。在分贝标度上，光功率的分贝与光电流的对数成比例，通过特定光电二极管的响应度来缩放。任何光电二极管的分贝功率都可写为

如果已知公式7的分母中的参考电流，则可以从 V _{LOG <计算光电二极管上的入射绝对功率/ sub>} 电压。

就光功率的分贝而言

< p>使用公式10，我们可以用光学功率来求解对数电压，单位为dB。

其中

这提供了线性dB传递函数，允许简单的直线线方程用于描述绝对光功率与对数输出电压的关系。实际上，光电二极管的实际参考电流值和响应度将通过简单的两点校准过程找到。通过测量两个已知光功率值的输出电压，可以确定直线方程的斜率和截距。然后，可以使用简单的减法和乘法来评估分贝的光功率，而无需使用取幂过程或在应用线性TIA前端时所需的穷举查找表。

如果分子电流来自输入抽头检测器的光电流 I _PD ，分母电流 I _REF < / em>，是输入信号通过吸收元件（如VOA）后产生的光电流，然后可以使用公式7得出对数电压的衰减。

<对于光放大器设计，可以推导出类似的表达式，其中需要计算放大器两端的增益dB。和以前一样，使用简单的两点校准来描述将输出电压与EDFA增益设置相关的直线方程。通过这种方式，跨导线性对数放大器提供了使用简单的直线近似测量绝对功率，光吸收和增益的能力。

 

单片集成电路设计的最新进展现在允许制造跨导线性对数放大器，提供宽动态范围信号压缩，几乎不受分立实现中固有的温度依赖性的影响。由Barrie Gilbert设计的第一个完整的单片跨导线性对数放大器（对数放大器）AD8304于2002年1月由ADI公司推出。自推出AD8304以来，其他半导体制造商已推出对数器件。

应用于VOA

在数字可变光衰减器（DVOA）应用中，输入和输出光学抽头用于测量输入端的绝对光功率和输出端口。然后可以处理功率测量值以计算DVOA对特定衰减设置的吸光度。使用闭环技术，可以动态地控制衰减，以基于输入和输出功率测量来维持期望的衰减水平。这种操作模式称为自动衰减控制或AAC。当DVOA的输出功率需要保持在恒定水平时，无论输入光功率如何变化（只要输入电平超过输入电平），就需要另一种模式自动功率控制（APC）。通过VOA的最小插入损耗获得所需的输出电平。

在任一工作模式下，环路通常以混合信号解决方案的形式实现，其中数字ADL5310双跨导线性对数放大器，它能够连接两个独立的光电二极管，用于测量两个独立的光监控通道上的绝对功率。该器件允许绝对测量输出光信号，同时提供衰减测量。

自动衰减控制和自动功率控制

利用ADL5310的片上运算放大器可以获得两个缓冲输出。图2的电路配置使得可以测量入射在光电二极管PD1上的绝对功率，以及在两个端口之间观察到的吸光度的量度。使用未经校准的VOA的测试结果如图3所示。输出提供闭环模拟控制所需的线性dB传递函数。通过将适当的输出应用于单独的误差积分器，可以实现自动衰减和功率控制。它的输出驱动VOA的控制电压。

图2中的解决方案假设每个通道的各个对数斜率是相同的。实际上，通道到通道的斜率不匹配可能高达5％。当总功率电平改变时，这将导致残余误差。在超过50年的功率范围内，残余误差可能高达2.5 dB。在某些情况下这是可以接受的 - 快速全模拟闭环控制是必要的，并且精度可能会受到影响，以便允许简单的硬件解决方案。在混合信号技术可以提供足够快的响应的解决方案中，可以通过监视一个检测器上的绝对功率并使用查找表进行纠错来预测和最小化残留误差。

< p>图3中的测试结果受制于实验室中使用的VOA的不准确性。使用校准的电流源重复测量，以更好地评估设计的准确性。图4显示了图2中电路的完整动态范围功能和对数一致性。在5年的范围内，精度优于0.1 dB。

< p>图6中提供了另一种解决方案，其中使用电流镜将PD2的阴极光电流的相反极性复制品馈送到ADL5310的通道2。所示的电流镜是改进的Wilson镜。虽然其他电流镜电路也可以工作，但这种改进的Wilson镜在温度范围内提供了相当稳定的性能。为了最大限度地降低温度梯度和β失配的影响，在设计电流镜时必须使用匹配对晶体管。

图6的电路不再受先前解决方案中固有的对数 - 斜率失配问题的影响。现在可以独立校准单个通道斜率和截距特性。使用一对校准电流源验证精度，以消除由于VOA的积分非线性引起的任何误差。图6中所示电路的性能如图7和8所示。为几个功率电平提供传递函数和误差图。在五十年的范围内，精度优于0.1 dB。对于强 I _IN 输入电流，动态范围略微减小。这是由于VLOG引脚的可用摆幅有限;通过仔细选择输入和输出光学耦合比，可以改善它。

结论

跨线性对数放大器简化了VOA通过在输入光电流和所得输出电压之间提供线性dB关系来测量吸光度。当使用对数信号处理时，消除了线性解决方案所需的除法和取幂过程。有几种方法可以使用跨导线对数放大器为AAC和APC控制回路提供吸光度和绝对功率测量。使用片上运算放大器的简单差分放大器布置提供了紧凑的解决方案，但如果对数斜率失配是不可接受的，则可能需要额外的纠错。稍微复杂的解决方案涉及使用改进的Wilson电流镜。电流镜方法基本上不受通道间不匹配的影响，能够提供超过50年的测量和控制范围。

参考电路

¹ 双极结晶体管（BJT）这一非常重要的方面是深度基础物理学的一个特征，它控制结器件中的少数载流子传导。关于这个问题的早期论文是：“结晶体管的大信号行为”，Ebers，I。和J. Moll， IRE的论文，1954年12月，第1761-1772页。 / p>

² “运算放大器 - 晶体管电路的乘法和对数转换”，Paterson，W。，科学仪器评论，34-12，12月1963。

³ “跨线性电路：拟议的分类”，Gilbert，B.， Electronics Letters ，11-1,1975，pp.14-16。

⁴ 非线性电路手册，ADI公司的工程人员，Sheingold，D。，ed。马萨诸塞州诺伍德市：ADI公司（1974年）。