一种增益调控电路的制作方法

1.本实用新型涉及光通讯技术领域，尤其是一种增益调控电路。


背景技术：

2.通信技术和通信产业是20世纪80年代以来发展最快的领域之一，尤其是光纤通讯技术发展更是日新月异的变化。光传输网中的关键部件-掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，简称edfa)，是在光传输系统中对光信号进行中继放大的装置，经过edfa放大之后的输出与输入之比称为放大增益(gain)。edfa在光传输系统中，根据传输系统的控制要求或者所处的位置，其工作模式一般分为：恒功率控制(auto power control，apc)模式，以及恒增益控制(auto gain control，agc)模式，目前大部分光传输系统所用的edfa工作模式一般为agc模式。
3.现在光传输系统越来越复杂，为适应不断新增的扩容需求，edfa在光传输系统中需要放大增益可调：当传输的波数、信道较少时，设定为小增益工作，当传输的波数、信道随着市场的需求而增多时，设定为大增益工作，这类edfa称为变增益放大器(variable gain amplifier，vga)。国内edfa厂商在供应链没有受限制的状态下，vga都采用数控电位计(digital control potentiometer，dcp)来实现，dcp在整个ic分类里属于一个小众的细分行业，目前只有国外厂商设计、生产。常用的有adi的ad8400～ad8403系列，以及maxim生产的max5483～max548系列。近几年以美国为首的西方阵形对中国高新技术进行技术封锁，导致国内没有厂商生产dcp器件，如何利用国内现有资源设计出与dcp起到相同作用的器件，成为edfa实现国产化的关键突破口。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，利用国产器件搭建了一种增益调控电路，解决了国产化过程中dcp关键物料短缺的技术问题。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种增益调控电路，包括控制器、二进制权重电阻网络、运算放大器及其外围电路；二进制权重电阻网络的第一选择端连接运算放大器的同相输入端，二进制权重电阻网络的第二选择端连接运算放大器的反相输入端，二进制权重电阻网络的地端接地；外部给定的输入信号经过第一选择端连接运算放大器的同相输入端，外围电路连接在运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间；控制器连接二进制权重电阻网络的控制端，二进制权重电阻网络用于根据控制器输出的电平信号切换第一、第二选择端，从而以二进制权重形式调节整个电路的放大倍数，实现放大增益的调控，运算放大器的输出端作为增益调控电路的输出端，按照预定放大倍数输出相应信号给到外部器件。
7.其进一步的技术方案为，二进制权重电阻网络包括n个二选一模拟开关、第一电阻和第二电阻，二选一模拟开关分别设置在除了第一网络支路以外的相邻的网络支路上，形成模拟开关阵列；每个二选一模拟开关的共端连接与其在同一网络支路上的第一电阻的第
一端，每个二选一模拟开关的第一选择端作为二进制权重电阻网络的第一选择端，连接运算放大器的同相输入端，每个二选一模拟开关的第二选择端作为二进制权重电阻网络的第二选择端，连接运算放大器的反相输入端，在两个相邻网络支路上的第一电阻的第二端之间连接有第二电阻，第n+1网络支路上的第一电阻的第二端作为二进制权重电阻网络的地端接地；在第一网络支路上设有第一电阻，第一电阻的第一端连接运算放大器的反相输入端，第一电阻的第二端连接相邻网络支路上的第一电阻的第二端；每个二选一模拟开关的控制端作为二进制权重电阻网络的控制端连接控制器；
8.其中：n≥2；第一网络支路为最靠近运算放大器的支路，第n+1网络支路为最远离运算放大器的支路；第一电阻阻值为第二电阻阻值的2倍。
9.其进一步的技术方案为，对于模拟开关阵列，将流经开关所在网络支路的电流按照二进制权重形式表达，从第n+1网络支路开始，各个网络支路的电流值的二进制权重依次减小。
10.其进一步的技术方案为，外围电路包括第三电阻、反馈电阻和电容，反馈电阻和电容并联，且反馈电阻的第一端连接运算放大器的反相输入端，反馈电阻的第二端连接运算放大器的输出端，反馈电阻的第一端还经过第三电阻接地。
11.其进一步的技术方案为，当用于调控edfa放大增益时，增益调控电路还包括控制回路和泵浦激光器，外部给定的输入信号为经分光器后edfa的输入光信号，运算放大器的输出端连接控制回路的输入端，控制回路的输出端连接泵浦激光器，泵浦激光器根据预定放大倍数输出的相应信号来调节输入光信号的放大倍数。
12.本实用新型的有益技术效果是：
13.本技术独辟蹊径、巧妙地利用呈倍数关系的电阻网络、二选一模拟开关及运算放大器等国产化器件，搭建一种增益调控电路，该电路摒弃了常规dcp设计方案，利用控制器控制模拟开关阵列是否接入运放，从而以二进制权重形式调节整个电路的放大倍数，实现对放大增益的多种组合调控，且通过选择合适的电阻阻值可以实现高精度增益的控制。当n的取值越大，相应的增益控制范围、精度都可以与dcp控制调节方案相媲美，为edfa实现国产化探索出新思路，该电路还可以推广到其他需要调控增益的技术领域，对振兴民族工业有着非常良好的应用前景。
附图说明
14.图1是本技术提供的一种增益调控电路的示意图。
15.图2是本技术提供的二进制权重电阻网络的等效电路图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。
17.如图1所示，本实施例提供了一种增益调控电路，包括控制器、二进制权重电阻网络、运算放大器u1及其外围电路，二进制权重电阻网络如图中虚线框圈定的范围所示。二进制权重电阻网络的第一选择端连接运算放大器u1的同相输入端，二进制权重电阻网络的第二选择端连接运算放大器u1的反相输入端，二进制权重电阻网络的地端接地agnd。外部给定的输入信号inpower经过第一选择端连接运算放大器u1的同相输入端，外围电路连接在
运算放大器u1的反相输入端和运算放大器u1的输出端之间。控制器连接二进制权重电阻网络的控制端，二进制权重电阻网络用于根据控制器输出的电平信号切换第一、第二选择端，从而以二进制权重形式调节整个电路的放大倍数，实现放大增益的调控，运算放大器u1的输出端作为增益调控电路的输出端，按照预定放大倍数输出相应信号给到外部器件。
18.可选的，控制器可以为mcu或fpga等可以提供电平信号的控制器，当电平信号为有效电平时，二进制权重电阻网络切换至第二选择端，当电平信号为无效电平时，二进制权重电阻网络切换至第一选择端，设定有效电平为高电平。
19.其中，二进制权重电阻网络包括n个二选一模拟开关、第一电阻和第二电阻。在本实施例中，为了简洁阐明本技术设计电路的原理，令n＝3，实际应用时根据控制需求n的取值可以扩展。如图1所示，三个二选一模拟开关s2～s0分别设置在除了第一网络支路以外的相邻的网络支路上，形成模拟开关阵列。每个二选一模拟开关的共端连接与其在同一网络支路上的第一电阻r1a/r1b/r1c的第一端，每个二选一模拟开关的第一选择端作为二进制权重电阻网络的第一选择端，连接运算放大器u1的同相输入端，每个二选一模拟开关的第二选择端作为二进制权重电阻网络的第二选择端，连接运算放大器u1的反相输入端，在两个相邻网络支路上的第一电阻的第二端之间(即r1a和r1b之间、r1b和r1c之间)连接有第二电阻r2a/r2b，第四网络支路上的第一电阻r1c的第二端作为二进制权重电阻网络的地端接地agnd。在第一网络支路上设有第一电阻r1d，第一电阻r1d的第一端连接运算放大器u1的反相输入端，第一电阻r1d的第二端连接相邻网络支路上的第一电阻r1a的第二端。每个二选一模拟开关的控制端作为二进制权重电阻网络的控制端连接控制器，控制器为每个网络支路提供电平信号d3～d1。其中，第一网络支路为最靠近运算放大器的支路，第四网络支路为最远离运算放大器的支路；第一电阻阻值为第二电阻阻值的2倍。
20.其中，外围电路包括第三电阻r3、反馈电阻rf和电容c1，反馈电阻rf和电容c1并联，且反馈电阻rf的第一端连接运算放大器u1的反相输入端，反馈电阻rf的第二端连接运算放大器u1的输出端，反馈电阻rf的第一端还经过第三电阻r3接地agnd。
21.当电路用于调控edfa放大增益时，增益调控电路还包括控制回路u2和泵浦激光器u3，则外部给定的输入信号为经分光器后edfa的输入光信号，运算放大器的输出端连接控制回路u2的输入端，控制回路u2的输出端连接泵浦激光器u3，泵浦激光器u3根据预定放大倍数输出的相应信号来调节输入光信号的放大倍数。需要说明的是，本技术采用的控制回路u2和泵浦激光器u3均为edfa领域常用的现有模组，在此不再介绍其内部的具体结构。
22.以二进制权重形式调节整个电路的放大倍数，实现放大增益的调控的原理如下：
23.上述二进制权重电阻网络的等效电路如图2所示，假设第一电阻阻值为2r，第二电阻阻值为r，则无论从aa、bb、cc往右看，右侧圈定区域的等效电阻都是r，将流经开关所在网络支路的电流按照二进制权重形式表达，得到：
24.i3＝i/2＝(vin/r)/2＝vin*22/23r
25.i2＝i/4＝(vin/r)/4＝vin*21/23r
26.i1＝i/8＝(vin/r)/8＝vin*20/23r
27.式中，i为网络干路电流，vin为运算放大器u1输出的电压。
28.从上式可以看出，从第四网络支路开始，各个网络支路的电流值的二进制权重依次减小。当三个二选一模拟开关s2～s0都连接到运算放大器u1的反相输入端时，流经反馈
电阻rf的电流为：
29.if＝i3+i2+i1+i0＝vin*(d3
×22
+d2
×
21+d1
×
20+1)/23r
‑‑‑‑‑‑‑
公式(1)
30.式中，i0＝i1＝i/8。
31.利用公式(1)计算由二进制权重电阻网络、运算放大器及其外围电路构成的增益调节环的放大倍数为：
32.k＝1+((d3
×22
+d2
×
21+d1
×
20+1)/23)*rf/r
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
公式(2)
33.公式(1)、(2)中d3、d2、d1取值为0(代表无效电平)或者1(代表有效电平)。
34.d3、d2、d1组成的模拟开关阵列可以从000～111共8种组合，适当选择rf、r的值可以实现较高增益控制精度。如果扩展到8个模拟开关，则模拟开关阵列的组合由0000-0000～1111-1111共计256种组合，相应的增益控制范围、精度都可以与dcp控制调节方案相媲美，完全达到了不采用进口dcp器件同样实现edfa增益调节控制要求。
35.当n＝3时模拟开关阵列只有8种组合，在小增益处调节时即从组合000跳到001时，增益精度(增益变化量)达0.67db，因此不能满足产品指标要求。按照本技术提供的电路结构在实际产品设计时，令n＝6，根据公式(2)计算各个组合的放大倍数，选取在小增益处的调节控制精度如下表1所示。
36.表1.实际设计产品在小增益端的控制精度
[0037][0038][0039]
从上述表1可以看出，即使在最小增益处调节控制精度也有0.21db，模拟开关阵列组合值越大，使得放大倍数k越大、增益控制精度越高，可以完全与dcp控制方案媲美，达到了替代dcp、解决了关键物料卡脖子的困扰，真正实现edfa全国产化设计的需求，该电路还可以推广到其他需要调控增益的技术领域，对振兴民族工业有着非常良好的应用前景。
[0040]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种增益调控电路，其特征在于，包括控制器、二进制权重电阻网络、运算放大器及其外围电路；二进制权重电阻网络的第一选择端连接运算放大器的同相输入端，二进制权重电阻网络的第二选择端连接运算放大器的反相输入端，二进制权重电阻网络的地端接地；外部给定的输入信号经过所述第一选择端连接所述运算放大器的同相输入端，所述外围电路连接在所述运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间；所述控制器连接二进制权重电阻网络的控制端，所述二进制权重电阻网络用于根据控制器输出的电平信号切换第一、第二选择端，从而以二进制权重形式调节整个电路的放大倍数，实现放大增益的调控，所述运算放大器的输出端作为增益调控电路的输出端，按照预定放大倍数输出相应信号给到外部器件。2.根据权利要求1所述的增益调控电路，其特征在于，所述二进制权重电阻网络包括n个二选一模拟开关、第一电阻和第二电阻，所述二选一模拟开关分别设置在除了第一网络支路以外的相邻的网络支路上，形成模拟开关阵列；每个二选一模拟开关的共端连接与其在同一网络支路上的第一电阻的第一端，每个二选一模拟开关的第一选择端作为所述二进制权重电阻网络的第一选择端，连接所述运算放大器的同相输入端，每个二选一模拟开关的第二选择端作为所述二进制权重电阻网络的第二选择端，连接所述运算放大器的反相输入端，在两个相邻网络支路上的第一电阻的第二端之间连接有所述第二电阻，第n+1网络支路上的第一电阻的第二端作为所述二进制权重电阻网络的地端接地；在所述第一网络支路上设有所述第一电阻，第一电阻的第一端连接所述运算放大器的反相输入端，第一电阻的第二端连接相邻网络支路上的第一电阻的第二端；每个二选一模拟开关的控制端作为所述二进制权重电阻网络的控制端连接所述控制器；其中：n≥2；所述第一网络支路为最靠近所述运算放大器的支路，所述第n+1网络支路为最远离所述运算放大器的支路；第一电阻阻值为第二电阻阻值的2倍。3.根据权利要求2所述的增益调控电路，其特征在于，对于所述模拟开关阵列，将流经开关所在网络支路的电流按照二进制权重形式表达，从所述第n+1网络支路开始，各个网络支路的电流值的二进制权重依次减小。4.根据权利要求1所述的增益调控电路，其特征在于，所述外围电路包括第三电阻、反馈电阻和电容，所述反馈电阻和电容并联，且反馈电阻的第一端连接所述运算放大器的反相输入端，反馈电阻的第二端连接所述运算放大器的输出端，所述反馈电阻的第一端还经过所述第三电阻接地。5.根据权利要求1-4任一所述的增益调控电路，其特征在于，当用于调控edfa放大增益时，所述增益调控电路还包括控制回路和泵浦激光器，所述外部给定的输入信号为经分光器后edfa的输入光信号，所述运算放大器的输出端连接控制回路的输入端，控制回路的输出端连接所述泵浦激光器，所述泵浦激光器根据预定放大倍数输出的相应信号来调节输入光信号的放大倍数。

技术总结
本实用新型公开了一种增益调控电路，涉及光通讯技术领域，该电路结构摈弃了原进口DCP器件方案，包括控制器、二进制权重电阻网络、运算放大器及其外围电路，二进制权重电阻网络的第一选择端连接运算放大器的同相输入端，第二选择端连接运算放大器的反相输入端，二进制权重电阻网络的地端接地；外部给定的输入信号经过第一选择端连接运算放大器的同相输入端，外围电路连接在运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间；控制器连接二进制权重电阻网络的控制端，二进制权重电阻网络用于根据控制器输出的电平信号切换第一、第二选择端。上述各部分均采用国产化器件，实现增益高精度、宽范围控制的要求。宽范围控制的要求。宽范围控制的要求。


技术研发人员：许建中 吴松桂 张正 李现勤
受保护的技术使用者：无锡市德科立光电子技术股份有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/14