用於光學電壓傳感器的主動噪聲抑制的製作方法

2023-09-27 07:02:10 3

相關申請的交叉引用

本申請要求於2016年2月26日提交的且題為「activenoisesuppressionforopticalvoltagesensor」的美國臨時專利申請no.152062/300,659的權益，其公開據此通過引用完全併入本文。

本公開總體涉及測試和測量儀器，並且更具體地涉及在存在大的共模電壓的情況下測量小差分、高帶寬信號。

背景技術：

光學電壓傳感器具有優異的交流（ac）電氣性能，並且固有地電氣隔離。大多數的光學電壓傳感器已經被通信行業用來將數位訊號耦合到大量光纖網絡中。這些信號通常是ac耦合的。因為光學傳感器易受周圍環境的變化的影響，因此（特別是在低電平信號下）使用光學電壓傳感器精確地測量直到直流（dc）/低頻尚未取得很大成功。溫度、機械應力和施加到光學傳感器的信號都可能導致光學輸出信號顯著移位。另外，當經受相同的機械和溫度應力時，該光學傳感器的上遊光纖和雷射源可能具有顯著的極化串擾、噪聲等。

因此，仍然需要解決傳感器、上遊光纖和雷射源的這種dc/低頻不穩定性/限制。

附圖說明

圖1是圖示了包括傳感器頭的測試測量系統的第一示例的方框圖。

圖2是圖示了包括傳感器頭的測試測量系統的第二示例的方框圖。

圖3是圖示了根據所公開的技術的某些實施方式的測試測量系統的示例的方框圖，該測試測量系統包括光學電壓傳感器和集成噪聲抑制架構。

圖4是圖示了根據所公開的技術的替代性實施方式的測試測量系統的示例的方框圖，該測試測量系統包括光學電壓傳感器和集成噪聲抑制架構。

具體實施方式

由於新一波較快功率器件的邊緣速度正在進入市場，在存在大的共模電壓的情況下精確測量小差分、高帶寬信號的能力已經成為對用戶的關鍵測量挑戰。寬帶隙器件（諸如氮化鎵（gan）和碳化矽（sic）器件）準備取代具有第一代性能的傳統矽（si）基器件，該寬帶隙器件實現si的8至10倍的更快的邊緣速度。考慮到性能增益方面的這個階躍函數，當前的測試測量系統完全不能進行這些測量。所公開的技術的實施方式有利地使用戶能夠開發解決這些測量挑戰的突破測量解決方案。

本文公開的主動（active）噪聲抑制方案的某些實施方式有利地使得能夠使用光學電壓傳感器通過完全補償光學電壓傳感器、上遊光纖和雷射源的dc/低頻不穩定性來測量從dc到ghz的電氣信號。光學傳感器的dc/低頻輸出易受環境中的變化（諸如例如機械和熱變化）以及所施加的信號/偏置的影響。增加這種噪聲抑制電路使得能夠開發具有世界級共模抑制和電壓範圍的完全電氣隔離、dc耦合、高帶寬、高靈敏度（低噪聲和穩定）的差分探頭。

圖1是圖示了測試測量系統100的第一示例的方框圖，該測試測量系統100包括諸如電氣測試和測量儀器的主機110、控制器120、傳感器頭130和被測試器件（dut）150。在示例100中，傳感器頭130包括校準/補償單元140以及開關132和134。

在測量操作模式期間，來自dut150的信號可以在傳感器頭130的輸入端131和133處被接收。開關132和134可以被接合以讀取來自dut150的輸入並通過放大器142發送信號。測量的信號可以通過主信號路徑121和路徑111經由控制器120被發送到主機110。

主機110可以是測試和測量儀器，諸如示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀或類似的這樣的設備。連接到傳感器頭130的控制器120的可以是如本領域普通技術人員已知的有線、光纖或無線連接。應當注意，如果dut150和傳感器頭130位於遠程位置，則可能必須具有無線連接。信號路徑中的任一個（例如111和121）都可以是如本領域普通技術人員已知的有線、光纖或無線連接。

圖2是圖示了測試測量系統200的第二示例的方框圖，該測試測量系統200包括諸如電氣測試和測量儀器的主機210、控制器220、傳感器頭230和被測試器件（dut）250。在示例200中，傳感器頭230包括校準/補償單元240和單個開關232，該單個開關232與放大器242耦接並且被配置為在校準/補償單元240與從dut250接收的信號之間切換。

圖3是圖示了根據所公開的技術的某些實施方式的測試測量系統300的示例的方框圖，該測試測量系統300包括光學電壓傳感器350和集成噪聲抑制架構。系統300分別類似於圖1和圖2所圖示的系統100和200，因為系統300包括主機310、控制器320、傳感器頭330和dut350。然而，不同於與放大器耦接的一個或多個開關，系統300包括光學電壓傳感器340。光學電壓傳感器340可以是例如馬赫-曾德爾光學傳感器，但是在替代實施方式中可以使用其他合適的光學傳感器。

控制器320還包括光發射器324（諸如例如雷射源），其經由上遊光纖323連接到光學電壓傳感器340。控制器320還包括光接收器塊322和光-電轉換器塊326，光-電轉換器塊326可以被配置為例如經由連接311向主機310提供輸出信號。另外，一個或多個指令可以經由連接311從主機310被發送到控制器320。

傳感器頭330的輸入端331和333可以連接到光學電壓傳感器340的信號輸入電極342和344。來自信號輸入電極342和344的輸出可以通過主信號路徑321（例如，在本文中也稱為下遊光纖的輸出（調製）信號光纖）從光學電壓傳感器340發送到控制器320。在該示例中，傳感器頭330包括偏置控制單元332，該偏置控制單元332連接到光學電壓傳感器340的一組控制電極346和348。這些控制電極346和348被分離並且還與光學電壓傳感器340的信號輸入電極342和344電氣隔離。

光學電壓傳感器340的輸出可以通過主信號路徑321被發送到控制器320的輸出塊322。在測量操作期間，來自dut350的信號可以通過光學電壓傳感器340從信號輸入電極342和344讀取。

圖示的測量系統300通過監視和補償上遊光纖323、光學電壓傳感器340和雷射源324的組合的dc/低頻率缺陷來利用光學電壓傳感器340的優異的ac性能，從而提供穩定的dc-ghz測量解決方案。將dc/低頻主動噪聲抑制集成到設計中克服了上遊光纖323、光學電壓傳感器340和雷射源324的這種dc/低頻不穩定性/限制。

該dc/低頻噪聲抑制反饋/校正電路通常包括以下三個功能部分：監視塊（例如利用光電二極體338），校正單元334和所得到的偏置控制單元332。

測量系統300的監視部分可以通過使用集成在光學電壓傳感器340中的光電二極體vpd338來精確地測量光學電壓傳感器340的光輸出功率339。監視部分還可以將來自dut350的電氣輸入信號331和333採樣到光學電壓傳感器340，並且在某些實施例中，使用該信號作為參考信號vin。

可以比較這兩個電壓vin和vpd，從而在校正塊334中得到dc/低頻誤差信號。這通常可以例如利用模數轉換器（adc）數字地執行或者使用硬體控制迴路來執行。

來自校正塊334的結果誤差信號可以反饋到偏置電壓控制塊332，例如以使誤差信號為零（nullout）。偏置控制塊332的輸出可以被施加到光學電壓傳感器340的偏置電極。

在某些實施例中，監視、校正和偏置控制功能塊可以連續地監視vin和vpd電壓，並且在某些情況下調整偏置電壓，例如以消除或至少最小化誤差信號。

這種噪聲抑制方案克服了已使光學電壓傳感器技術在探頭測試和測量儀器應用中不具吸引力的一些主要障礙。

所公開的技術也不限於在電壓探頭上使用。附件器件可以是需要電壓、電流、功率等以用於操作的任何類型的換能器器件或一般附件器件，諸如測量探頭、測量探頭適配器、有源濾波器器件、探頭校準固定件、探頭隔離附件、監視設備等。

圖4是圖示了根據所公開的技術的替代性實施方式的測試測量系統的示例的方框圖，該測試測量系統包括光學電壓傳感器和集成噪聲抑制架構。在示例400中，不需要控制器。也就是說，主機310直接連接到傳感器頭330。在這樣的實施例中，主信號路徑321直接連接到主機310。此外，來自傳感器頭330的輸出可以直接發送到主機310，即，而不是通過控制器發送到主機310。

如這裡使用的術語「控制器」和「處理器」旨在包括微處理器、微計算機、asic和專用硬體控制器。本發明的一個或多個方面可以體現在由一個或多個計算機（包括監視模塊）或其他器件執行的計算機可用數據和計算機可執行指令中（諸如在一個或多個程序模塊中）。通常，程序模塊包括當由計算機或其他電子器件中的處理器執行時實行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等。

計算機可執行指令可以被存儲在諸如硬碟、光碟、可移動存儲介質、固態存儲器，ram等的非暫時性計算機可讀介質上。如本領域技術人員將理解的，程序模塊的功能可以根據需要在各種實施例中進行組合或分布。另外，功能可以整體或部分地體現在諸如集成電路、現場可編程門陣列（fpga）等的固件或硬體等同物中。特定數據結構可以用於更有效地實現本發明的一個或多個方面，並且這樣的數據結構被預期在本文所描述的計算機可執行指令和計算機可用數據的範圍內。

在本發明的優選實施例中已經描述和說明了所公開的技術的原理，應當顯而易見的是，在不脫離這些原理的情況下，可以在布置和細節上修改所公開的技術。我們要求在下面的權利要求的精神和範圍內的所有修改和變化。