一种基于apc和aer环路电学测量电路的测试方法
阅读说明：本技术 一种基于apc和aer环路电学测量电路的测试方法 (Test method based on APC and AER loop electrical measurement circuit ) 是由 祝晓辉 陶蕤 陈盛文 赵欣 毛毅 李广生 于 2021-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于APC和AER环路电学测量电路的测试方法,新型的、纯电学领域的关于APC和AER功能的测试电路。不需要激光器、监控PD(MPD)、光纤和光学示波器,用普通的分离器件来代替激光器和MPD,用电学示波器来检测电信号,在很大程度上可以降低APC和AER环路测试的成本和复杂度。(The invention provides a test method based on an APC (automatic Power control) and AER (automatic energy recovery) loop electrical measurement circuit, and relates to a novel test circuit related to APC and AER functions in the pure electrical field. The laser, the Monitoring PD (MPD), the optical fiber and the optical oscilloscope are not needed, the laser and the MPD are replaced by common separation devices, and the electric oscilloscope is used for detecting electric signals, so that the cost and the complexity of the APC loop test and the AER loop test can be reduced to a great extent.)
技术领域
本发明属于通信光模块激光测量调节技术领域，具体地说，涉及一种基于APC和AER环路电学测量电路的测试方法。
背景技术
随着大视频、VR/AR、物联网等业务的快速发展，用户对带宽的需求也越来越高，光纤到户得到越来越广泛的应用。
在高速光通信应用中，半导体激光器的性能直接决定了在光纤传输线中的光信号的质量。而激光器的特性随着环境温度的变化表现出很大的差异，主要表现在激光器的阈值电流随温度的升高而明显增大，发光效率也会随着温度的升高而下降。如何让激光器在不同环境下依然能够保持优良的发光性能，是光通信领域里非常关键的技术。
为了让激光器保持快的开启速度以及避免光信号失真，需要设置合适的平均光功率。光功率如果设置的太小，激光器传输“0”光脉冲的时候有可能处于阈值电流之下，激光器处于关闭状态，在传输“1”光脉冲的时候，激光器打开。频繁的打开和关断激光器会增大激光器的光电延迟，减弱开关速度。如果激光器的平均光功率设置的太大，存在烧毁激光器的风险。合适的平均光功率能够让激光器保持持续的开启状态，不存在开和关的频繁操作，同时又避免烧毁激光器的风险。自动平均功率控制（APC，Automatic Power Control）技术，实时监测激光器的平均发光光功率，经过反馈和调节激光器的偏置电流(BIAS Current)，可以让激光器在不同的环境下，保持合适的工作状态，表现出优良的发光性能。
消光比(ER，Extinction Ratio)是激光器发光性能的另一个关键指标，用来衡量激光器发送出来的“1”光脉冲和“0”脉冲区分度。记P1为“1”光脉冲的光功率，P0为“0”光脉冲的光功率，则消光比定义为10lg(P1/P0)。消光比要求足够大，才能让沿光纤传输的下游的接收端芯片获得足够低的误码率。和APC存在的意义相似，激光器随着环境温度的升高，阈值电流增大，发光效率在减小，消光比也在下降。自动消光比控制（AER, AutomaticExtinction Ratio control）技术通过检测激光器的消光比信息，经过反馈和调节激光器的调制电流（Modulation Current），来维持激光器的消光比。
在传统测试电路中，APC和AER都需要搭建完整的光电测试环境，包含激光器驱动器（LDD, Laser Diode Driver）、激光器（LD, Laser Diode）、监控PD（MPD, Monitor PhotoDiode）、光纤、光学示波器、误码仪等器件和设备，如图1所示。通过光学示波器上获取光眼的平均光功率和消光比等指标。而在某些测试应用场合，比如可靠性测试中，上述测试环境会增加测试成本和难度。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提出了一种基于APC和AER环路电学测量电路的测试方法，新型的、纯电学领域的关于APC和AER功能的测试电路。不需要激光器、监控PD（MPD）、光纤和光学示波器，用普通的分离器件来代替激光器和MPD，用电学示波器来检测电信号，在很大程度上可以降低APC和AER环路测试的成本和复杂度。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种基于APC和AER环路电学测量电路的测试方法，使用APC和AER环路电学测量电路进行电信号的检测；
所述APC和AEC环路电学测量电路包括电学示波器、误码仪设备、激光器驱动器、模拟转换电路、VEB/R电流产生电路；
所述模拟转换电路包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1；
所述误码仪设备与所述激光器驱动器连接，所述电阻R1连接VDD电源后与所述激光器驱动器连接，分别输送决定激光器平均光功率的IBIAS直流电流和决定激光器消光比的IMOD交流电流；
所述电阻R2连接VDD电源后与三极管Q1的发射极连接；所述三极管Q1的基极与电阻R1连接，三极管Q1的集电极连接VEB/R电流产生电路的输出端并接收汇合所述VEB/R电流产生电路发送来的VER/R电流后与所述激光器驱动器连接，向所述激光器驱动器输送IMPD电流；
所述三极管Q1为PNP型三极管；
所述方法具体操作为：
步骤1：使用电阻R1作为导通电阻来模拟激光器，将电阻R1上流经的电流记为I1；
步骤2：使用电学示波器检测电阻R1和三极管Q1的基极处的电压V1，通过电压V1和电阻R1计算得到电流I1的值；
步骤3：使用电阻R2和三极管Q1组成电压到电流的转换电路，进行流过的电流I1的比例以及一个误差项的提取；将电阻R2和三极管Q1流过的电流记为I2；
步骤4：设定电阻R2与R1的比值，从而模拟出电流I1和IMPD电流之间的镜像比例关系；
步骤5：使用VEB/R电流产生电路生成VEB/R电流，记为I3，通过电流I3作为误差项的补偿与电流I2汇合，作为IMPD电流连接到激光器驱动器的IMPD接口；
步骤6：使用IMPD电流分别用于实现自动消光比控制AER功能和自动平均功率控制APC功能。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述VEB/R电流产生电路包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R22、电阻R23、NMOS管M1和NMOS管M2；
所述三极管Q4的发射极连接三极管Q5的集电极；所述三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4的基极连接在一起；所述电阻R22连接VDD电源后与三极管Q2的发射极连接；所述电阻R23连接VDD电源后与三极管Q3的发射极连接；所述三极管Q5的发射极连接VDD电源；三极管Q5的基极与三极管Q4的发射极连接；所述三极管Q4的基极还与集电极搭接在一起；
所述NMOS管M1和NMOS管M2接地后构成钳位电流镜，分别与三极管Q3的集电极和三极管Q4的集电极连接；
所述三极管Q2的集电极连接三极管Q1的集电极；
所述三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5为PNP型三极管，且与三极管Q1为同样的三极管；所述NMOS管M1和NMOS管M2为同样的NMOS管；所述电阻R22和电阻R23为同样的电阻；
所述步骤5中生成VEB/R电流的具体操作为：
步骤5.1：使用钳位电流镜的NMOS管M1和NMOS管M2组成1:1的电流镜，将三极管Q3和三极管Q4的发射极的电流调整为相等，且将电阻R23和三极管Q5的电流同样调整为相等；
步骤5.2：将三极管Q3和三极管Q4设置为相同的三极管，用作钳位电压，使得电阻R23和三极管Q5的电压VEB相等；
步骤5.3：使用三极管Q2和电阻R22作为三极管Q3和电阻R23支路的复制，从而引出VEB/R22的电流，即VEB/R电流，同样也为电流I3。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电压V1和电流I1之间的计算转换公式如下：
；
式中，V1为电阻R1和三极管Q1基极处的电压，VDD为输入的电源电压，I1为流经电阻R1的电流，R1为电阻R1的阻值。
为了更好地实现本发明，进一步地，流经电阻R2的电流I2的计算公式如下：
；
式中，VDD为输入的电源电压，I2为流经电阻R2的电流，R2为电阻R2的阻值，VEB为电阻R22、电阻R23和三极管Q5处的电压值，R为电阻R22、电阻R23的阻值，I1为电阻R1处流经的电流。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述IMPD电流的计算公式如下：
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电流I1为IBIAS直流电流和IMOD交流电流之和，具体表达式如下：
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电阻R1的阻值取值范围在10Ω-15Ω之间。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
本发明采用普通的分离器件来代替激光器和监控PD（MPD），不需要设置激光器、MPD、光纤和光学示波器，仅仅通过电学示波器来检测电信号，在很大程度上可以降低APC和AER环路测试的成本和复杂度。实现了以很低的成本及方便快捷的搭接方式实现了测试的实现。其提供了一种大众可轻易实现的测试电路及测试方法。
附图说明
图1为现有技术的电路示意图；
图2为本发明的电路示意图；
图3为1Gbps PRBS7 模式的仿真波形；
图4为在100Mbps 数据率下的仿真波形。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种基于APC和AER环路电学测量电路的测试方法，使用APC和AER环路电学测量电路进行电信号的检测；如图2所示，
所述APC和AEC环路电学测量电路包括电学示波器、误码仪设备、激光器驱动器、模拟转换电路、VEB/R电流产生电路；
所述模拟转换电路包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1；
所述误码仪设备与所述激光器驱动器连接，所述电阻R1连接VDD电源后与所述激光器驱动器连接，分别输送决定激光器平均光功率的IBIAS直流电流和决定激光器消光比的IMOD交流电流；
所述电阻R2连接VDD电源后与三极管Q1的发射极连接；所述三极管Q1的基极与电阻R1连接，三极管Q1的集电极连接VEB/R电流产生电路的输出端并接收汇合所述VEB/R电流产生电路发送来的VER/R电流后与所述激光器驱动器连接，向所述激光器驱动器输送IMPD电流；
所述三极管Q1为PNP型三极管；
所述方法具体操作为：
步骤1：使用电阻R1作为导通电阻来模拟激光器，将电阻R1上流经的电流记为I1；
步骤2：使用电学示波器检测电阻R1和三极管Q1的基极处的电压V1，通过电压V1和电阻R1计算得到电流I1的值；
步骤3：使用电阻R2和三极管Q1组成电压到电流的转换电路，进行流过的电流I1的比例以及一个误差项的提取；将电阻R2和三极管Q1流过的电流记为I2；
步骤4：设定电阻R2与R1的比值，从而模拟出电流I1和IMPD电流之间的镜像比例关系；
步骤5：使用VEB/R电流产生电路生成VEB/R电流，记为I3，通过电流I3作为误差项的补偿与电流I2汇合，作为IMPD电流连接到激光器驱动器的IMPD接口；
步骤6：使用IMPD电流分别用于实现自动消光比控制AER功能和自动平均功率控制APC功能。
工作原理：图2中的误码仪设备，用以给激光器LD的驱动器加载输入信号。电学示波器用于探测V1节点的电压信号。电阻R1和R2阻值比例为1:N，模拟激光器上的电流和MPD电流之间的比例N:1。
将图1中的LD用约15欧姆的电阻R1代替，设定R2和R1的比值，即可模拟LD上的电流I1和MPD电流IMPD之间的镜像比例关系。Q1用PNP管实现，提取出I1的一个比例，同时带有一个误差项，VEB/R2，如式（2）所示。利用图2所示的右半部分电路， 由Q2~Q5，M1~M2，和电阻R22、R23，制造出VEB/R2的直流电流，如式（3）所示，用以抵消Q1提取出来的比例电流的误差项。图2中，Q1~Q5由相同型号的PNP组成，M1和M2由相同型号的NMOS组成1比1的钳位电流镜。I2和I3电流汇合后流向LDD的IMPD端口，等效于图1中的MPD产生出来的电流IMPD，如式（4）所示，同样包含了直流电流和交流电流，分别用于实现APC和AER功能。
电阻R1用来模拟激光器的导通电阻，约为10~15欧姆。电阻R1上流过的电流记为I1，如式(5)所示，包含决定激光器平均光功率的直流电流IBIAS和决定激光器消光比的交流电流IMOD。电阻R2和PNP管Q1组成电压到电流的转换电路，如式(2)所示，用以提取流过激光器的电流I1。最后，将I2和I3合并在一起，如式(4)所示，抵消VEB/R2部分的电流
观测点由图1中激光器经过光纤传送到光学示波器的光口，改为图2中的V1电压点。由V1和已知的VDD、R1阻值，可将V1折算为实际流经激光器的电流，包含决定激光器平均光功率的直流电流IBIAS和决定激光器消光比的交流电流IMOD。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述VEB/R电流产生电路包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R22、电阻R23、NMOS管M1和NMOS管M2；
所述三极管Q4的发射极连接三极管Q5的集电极；所述三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4的基极连接在一起；所述电阻R22连接VDD电源后与三极管Q2的发射极连接；所述电阻R23连接VDD电源后与三极管Q3的发射极连接；所述三极管Q5的发射极连接VDD电源；三极管Q5的基极与三极管Q4的发射极连接；所述三极管Q4的基极还与集电极搭接在一起；
所述NMOS管M1和NMOS管M2接地后构成钳位电流镜，分别与三极管Q3的集电极和三极管Q4的集电极连接；
所述三极管Q2的集电极连接三极管Q1的集电极；
所述三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5为PNP型三极管，且与三极管Q1为同样的三极管；所述NMOS管M1和NMOS管M2为同样的NMOS管；所述电阻R22和电阻R23为同样的电阻；
所述步骤5中生成VEB/R电流的具体操作为：
步骤5.1：使用钳位电流镜的NMOS管M1和NMOS管M2组成1:1的电流镜，将三极管Q3和三极管Q4的发射极的电流调整为相等，且将电阻R23和三极管Q5的电流同样调整为相等；
步骤5.2：将三极管Q3和三极管Q4设置为相同的三极管，用作钳位电压，使得电阻R23和三极管Q5的电压VEB相等；
步骤5.3：使用三极管Q2和电阻R22作为三极管Q3和电阻R23支路的复制，从而引出VEB/R22的电流，即VEB/R电流，同样也为电流I3。
工作原理： NMOS管M1-2， PNP管Q3-5和电阻R22、电阻R23组成VEB/R电流产生电路。 M1和M2组成1:1的电流镜， 使得Q3和Q4的发射级电流相等、R23和Q5的电流相等。 Q3和Q4起钳位电压的作用，由于其电流相同，并且型号相同，因此Q3和Q4的VEB相同，最终电阻R23上的压降等于Q5的压降，即VEB。Q2和电阻R22作为Q3、R23之路的复制， 用以将VEB/R2的电流引出，如式(3)所示。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，图3所示为1Gbps PRBS7 模式的仿真波形。所用仿真软件为Spectre，波形截图来自仿真结果显示窗口。 R1=40欧姆， R2=800欧姆，IMOD=20mA，IBIAS=40mA。I1为模拟流经激光器的电流， 即IBIAS + IMOD， V1为Q1的基级电压， V2为Q1的发射级电压，IMPD为I2+I3， 即图2中送往LDD做APC和AER反馈的MPD电流。
从仿真波形上得到，I1包含40mA的IBIAS和20mA的IMOD。 IMPD包含2mA的平均电流和0.81mA的交流电流。 由于R2/R1=20，理论上IMPD应该由2mA的平均电流和1mA的交流电流组成。 IMPD上的交流电流有0.19mA的损失，来自Q1的寄生电容限制。寄生电容会导致交流电容的流失。 因此，PNP选型时应注意其寄生电容不能太大，尤其是基级电容。寄生电容越小，IMPD的交流电流损失就越小，更能准确还原激光器电流的比例镜像。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，数据率越低, IMPD的交流电流损失也会同样的降低，如图4所示为同样的测试电路在100Mbps 数据率下的仿真波形。用仿真软件为Spectre，波形截图来自仿真结果显示窗口。IMPD由2mA的平均电流和0.92mA的交流电流组成，有80uA的交流电流损失。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。