一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统及其控制方法与流程

本发明涉及集成光电子芯片的驱动与控制电路领域，特别涉及一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统及其控制方法。

背景技术：

1、热光移相器是硅基光子集成芯片中的核心调控元件，通过在硅波导上方或周边制作金属加热电阻器，驱动电流流过时产生焦耳热改变波导温度，利用硅材料的热光效应（折射率随温度变化）实现对光信号相位的调控。热光移相器因其工艺兼容性好、调谐范围大、插入损耗低等优点，被广泛应用于光学相控阵、马赫-曾德尔干涉仪阵列、光开关阵列及计算重建型光谱仪等集成光子系统中。

2、随着集成光子技术向大规模、高密度方向发展，单个光芯片上集成的热光移相器数量急剧增加。例如，光学相控阵中往往包含数十乃至上百个阵元通道，计算重建型光谱仪的片上光谱分析模块同样需要大规模热光移相器阵列以实现多样化的光谱编码状态。每个热光移相器均需要独立的模拟驱动电压以精确调控其相移量，这对驱动电路的通道密度、精度及功耗提出了极高要求。

3、目前，用于热光移相器阵列驱动的现有技术方案主要分为以下几类：

4、第一类：每通道独立dac并行驱动方案。 该方案为每一路热光移相器配置独立的dac通道和输出缓冲器，控制逻辑简单、各路之间相互独立；但当通道数达到数十路乃至上百路时，需要多片dac芯片及大量外围电路级联部署，驱动电路体积急剧膨胀，远超光芯片本身尺寸。同时，不同dac芯片及同一芯片不同通道之间固有的增益误差、失调误差和温漂差异，导致通道间一致性难以保证。

5、第二类：基于数字电位器的调压方案。 该方案结构简单、成本较低，但分辨率有限，且输出噪声和温度漂移指标不如精密dac，难以满足高精度光相位调控的要求。

6、第三类：pwm加低通滤波方案。 该方案几乎不占用额外硬件资源，但存在固有纹波，输出电压中残留交流分量会导致光相位抖动，同时等效分辨率受限于定时器位数，难以达到高精度要求。

7、综上所述，现有热光移相器阵列驱动方案在大规模应用场景下普遍存在硬件规模大、通道一致性差、静态功耗高、缺乏针对热光移相器热惯性特性进行优化设计等问题。如何在保证驱动精度的前提下大幅精简硬件架构、降低功耗、提升通道一致性，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统及其控制方法，达到以少量高精度dac驱动大规模热光移相器阵列，在保证驱动精度的前提下实现驱动电路小型化、低功耗和高一致性的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统，包括：

4、数模转换单元，用于接收数字电压设定值并输出对应的模拟电压信号；

5、模拟开关阵列，其输入端连接所述数模转换单元的输出端，用于在时序控制信号的控制下，将所述模拟电压信号分时择一地传输至对应的输出通路；

6、采样保持电路阵列，包含与所述模拟开关阵列的输出通路一一对应的多个采样保持单元，各所述采样保持单元的输入端连接对应输出通路，用于在采样阶段存储所述模拟电压信号，并在保持阶段维持输出电压；

7、输出缓冲驱动阵列，包含与所述多个采样保持单元的输出端一一对应连接的多个输出缓冲器，各所述输出缓冲器的输出端用于连接对应的热光移相器负载，以提供驱动电流；

8、时序控制逻辑单元，分别连接所述数模转换单元和所述模拟开关阵列，用于产生控制所述模拟开关阵列选通状态的控制信号，并根据各通道的电压变化量和距上次刷新的时间间隔动态确定各通道的刷新优先级。

9、上述方案中，系统还包括：

10、通道自校准单元，包含模数转换器和校准多路选择器，所述校准多路选择器的输入端分别连接各所述输出缓冲器的输出端，其输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述数模转换单元；所述通道自校准单元用于在系统初始化或空闲时段，对各驱动通道的实际输出电压进行回采测量，以生成各通道的校准参数。

11、上述方案中，所述采样保持单元包括：

12、保持电容，其一端连接所述模拟开关阵列的输出端；

13、缓冲放大器，其输入端连接所述保持电容的一端，其输出端作为所述采样保持单元的输出端；

14、放电复位开关，并联连接于所述保持电容两端，用于在复位控制信号的控制下对所述保持电容进行放电。

15、上述方案中，所述时序控制逻辑单元包括：

16、刷新调度状态机，用于维护各通道的刷新请求标志和刷新定时器；

17、通道优先级计算模块，用于根据各通道的电压变化量和距上次刷新的时间间隔计算各通道的刷新优先级；

18、dac指令队列，用于缓存待写入所述数模转换单元的电压设定值。

19、一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统的控制方法，基于如上所述的系统实现，包括以下步骤：

20、s1：所述时序控制逻辑单元根据各通道的电压变化量和距上次刷新的时间间隔，动态确定各通道的刷新优先级；

21、s2：按照所述刷新优先级由高至低的顺序，依次为对应通道分配数模转换单元的时隙资源；

22、s3：在分配给目标通道的时间片内，控制模拟开关阵列将所述数模转换单元的输出端与目标通道的采样保持单元接通，对所述采样保持单元中的保持电容进行充电；

23、s4：充电完成后，控制所述模拟开关阵列断开所述目标通道，使所述采样保持单元进入保持阶段，由所述采样保持单元维持输出电压直至下一轮刷新。

24、上述方案中，所述步骤s1中动态确定各通道刷新优先级的具体方法为：

25、所述通道优先级计算模块扫描所有通道的刷新请求标志，对于存在刷新请求的通道，根据以下原则综合评定刷新紧迫程度：

26、电压变化量越大的通道，其刷新紧迫程度越高；

27、在电压变化量相近时，距上次刷新的时间间隔越长的通道，其刷新紧迫程度越高；

28、所述时序控制逻辑单元优先将数模转换单元的时隙资源分配给刷新紧迫程度高的通道。

29、上述方案中，所述步骤s3中保持电容的充电时间满足以下条件：

30、；

31、其中， 为所述保持电容的单次充电时间长度， 为所述模拟开关阵列中对应开关的导通电阻， 为所述保持电容的电容值。

32、上述方案中，一轮完整刷新周期的时长设定为小于各所述热光移相器的热时间常数的最小值，以使所述热光移相器在两次刷新间隔内因电压波动产生的相位变化被其热惯性平滑吸收。

33、上述方案中，方法还包括通道自校准步骤：

34、t1：系统初始化或空闲时，控制模拟开关阵列依次将各通道的输出端接入通道自校准单元的模数转换器；

35、t2：控制数模转换单元依次输出第一已知电压值  和第二已知电压值 ，通过所述模数转换器分别测量对应通道的实际输出电压  和 ；

36、t3：根据下式计算该通道的增益误差系数  和失调误差系数 ：

37、；

38、t4：将各通道的增益误差系数和失调误差系数作为校准参数存入非易失存储器中；

39、t5：在正常运行时，根据所述校准参数对输入的目标电压值  进行预补偿，计算预补偿设定值 ，将  写入所述数模转换单元，以使实际输出电压逼近目标电压值。

40、上述方案中，当系统处于空闲状态或所有通道的目标电压在预设时间内均未发生变化时，所述时序控制逻辑单元控制所述数模转换单元进入低功耗待机模式，并维持所述采样保持电路阵列和所述输出缓冲驱动阵列的静态偏置。

41、通过上述技术方案，本发明提供的一种面向热光移相器阵列的模拟开关复用型驱动系统及其控制方法具有如下有益效果：

42、（1）硬件架构大幅精简，实现驱动电路小型化

43、本发明通过模拟开关阵列实现少量高精度dac的分时复用，将所需dac通道数量从与移相器通道数等量缩减至仅需数路，配合采样保持电路在dac切换间隙维持电压稳定。驱动电路布板面积较传统“每通道独立dac”方案缩减一个数量级以上，使驱动模块尺寸与光芯片相匹配，为便携式光谱仪等设备的集成化奠定硬件基础。

44、（2）系统功耗显著降低

45、本发明中dac仅在刷新时段全速工作，非刷新时段可进入低功耗待机模式，系统总功耗较传统方案大幅降低，显著延长电池供电设备的续航时间。

46、（3）通道间一致性获得本质性提升

47、本发明所有驱动电压均源自同一dac核和同一基准源，从根本上消除了多芯片间的固有失配；进一步结合通道自校准机制对模拟链路误差进行自动测量和数字补偿，各通道实际输出电压精度收敛至dac自身精度水平，为高精度光谱编码提供可靠的电压基准。

48、（4）充分利用热光移相器热惯性特性实现电光协同优化

49、本发明将驱动刷新周期与热光移相器的热时间常数进行匹配设计，利用热光移相器温度变化的热惯性，使两次刷新间隔内电压的微小跌落经热容平滑后对光相位的实际影响可忽略不计，驱动效果与连续驱动等效，在保证相位稳定性的前提下实现dac资源的高效复用。

50、（5）动态刷新调度提升资源利用效率

51、本发明根据各路电压变化量和距上次刷新的时间间隔动态确定刷新优先级，优先将dac资源分配给电压变化量较大的通道，使有效dac带宽集中于真正需要更新电压的通道，进一步降低系统功耗和数字开关噪声。

52、（6）通道自校准消除模拟复用链路误差

53、本发明采用两点法对各驱动通道的增益误差和失调误差进行自动测量和数字预补偿，有效消除模拟开关导通电阻、采样保持运放失调电压等环节引入的通道间不一致性，长期稳定性好、无需频繁人工校准。

54、（7）扩展性与灵活性强

55、本发明通过逻辑配置和模拟开关阵列的模块化设计，可在不改变硬件主体的前提下通过软件配置适配不同规模的光芯片阵列，大幅缩短新系统开发周期。