ADL5317設計的APD偏壓控制/光功率監測電路技術(shù)

　　目前，雪崩光電二極管(APD)作為一種高靈敏、能精確接收數據和測量光功率的光探測器件廣泛應用于光纖傳感、光纖通信網(wǎng)絡(luò )中。它借助于內部強電場(chǎng)作用產(chǎn)生雪崩倍增效應，具有極高的內部增益(可達102～104量級)。然而，APD隨溫漂的變化嚴重影響其增益的穩定性．甚至引起測量精度的惡化。理論上可以證明APD的增益是其偏壓V和溫度T的函數，二者共同決定APD工作時(shí)的增益，而且在維持APD增益比較恒定的條件下，其偏壓和溫度之間存在一定的關(guān)系。因此?？梢钥刂艫PD的偏壓使之隨溫度按一定的規律改變。這樣就可以維持APD增益基本恒定，保證其正常工作。這就是對APD溫度漂移的偏壓補償原理。

　　由此可知．施加在A(yíng)PD上的偏置電壓必須能夠精確受控是保證光纖系統性能的首要要求。本文針對該要求。采用ADL5317器件。給出了一種具有高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的APD偏壓控制／光功率監測功能的核心電路。

　　2 引腳排列及功能

　　ADL5317是ADI公司率先在業(yè)界推出的一款片上集成雪崩光電二極管(APD)偏置電壓控制和光電流監測功能的器件。

　　ADL5317的主要特性如下：

　　通過(guò)3

　　在106范圍(5 nA一5 mA)內以5：1的比率監測光電流，其線(xiàn)性誤差僅為0．5％；

　　允許使用固定的高電壓轉換電路，降低傳統APD偏置設計中對電源解耦和低通濾波的要求；

　　過(guò)流保護和過(guò)熱保護。

　　ADL5317采用3 mm*3 mm的16引腳LFCSP封裝，其引腳排列如圖1所示。各引腳功能描述如表1所列。

　　3 內部結構及工作原理

　　ADL5317的內部結構如圖2所示。其內部包括電流監測電路、偏置控制電路、GARD電路、VCLH電路、過(guò)流和過(guò)熱保護電路。

　　3．1 電流監測電路

　　ADL5317的核心部分是一個(gè)具有電壓跟隨性質(zhì)的精密電流衰減電路，為監測電路輸入端提供精確偏置。該電路采用了結型場(chǎng)效應管輸入形式的放大器．驅動(dòng)監測電路的兩極，同時(shí)保持VAPD端電壓的穩定度及非常低的漏電流。該監測電路將流經(jīng)VAPD端的光電流衰減至其1／5，然后傳送至APD光電流監測輸出端(IPDM)。在A(yíng)PD偏置電壓范圍內，監測電流與APD光電流之間都保持極高的線(xiàn)性度。

　　3．2偏置控制電路

　　VAPD端與VSET端通過(guò)一個(gè)運算放大器相連，在線(xiàn)性工作模式下，兩者電壓之間存在一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系：

　　同時(shí)VAPD端電壓調節范圍與高電壓電源端VPHV之間存在以下關(guān)系：

　　3．3 GARD電路

　　GARD電路主要用來(lái)屏蔽VAPD線(xiàn)路不受漏電流的影響，以及濾除偏置控制電路的噪聲。GARD電路由VSET端運算放大器通過(guò)一個(gè)20 k歐姆的電阻進(jìn)行驅動(dòng)。該電阻與GARD端外接電容構成RC網(wǎng)絡(luò )，用于濾除運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò )的熱噪聲。

　　GARD電路的噪聲和小信號的截止頻率定義如下：

　　其中：f3dB是內部電阻20 k歐姆和外接電容CGRD構成的低通濾波器的截止頻率；CGRD是GARD端至地的濾波電容。

　　CGRD的容值越大(最大約0．01μF)，ADL5317在最低輸入電流處的噪聲抑制性能越好，但是同時(shí)會(huì )延緩對VSET端電壓變換的響應時(shí)間。

　　3．4 VCLH電路

　　高電壓箝制電路(VCLH)是用于限制APD偏置電壓不能超過(guò)VCLH端電壓。其內部通過(guò)一只25k歐姆電阻將電位設置在相對于VPHV始終低2．0 V處，并不受溫度影響。

　　在線(xiàn)性模式下，VCLH端與VPHV端連接，可擴展線(xiàn)性工作范圍(上限高達VPHV-1．5 V)。在電源跟隨模式下，VCLH端則必須置空。 3．5 過(guò)流和過(guò)溫保護電路

　　FALT是集電極開(kāi)路邏輯輸出端(低電平有效)，用于警示是否有過(guò)流或過(guò)熱狀況出現。

　　當流經(jīng)APD的光電流超過(guò)18 mA時(shí)，FALT將報警，并將電流監測電路關(guān)閉，以降低APD的電流和偏壓。直到光電流下降到VSET運算放大器的電流限定值(約2．5 mA)以下時(shí)，電流監測電路將會(huì )重新工作，VAPD端電壓恢復到其正常工作水平。

　　當ADL5317溫度超過(guò)140℃時(shí)。電流監測電路會(huì )停止工作，導致VAPD降低，FALT將報警。這個(gè)保護模式將會(huì )持續到過(guò)熱狀況被排除為止。

　　4 APD偏壓控制／光功率監測電路

　　基于A(yíng)DL5317的APD偏壓控制／光功率監測功能的核心電路如圖3所示。

　　在該電路中，ADL5317處于線(xiàn)性工作模式。采用溫度傳感器來(lái)監測APD的環(huán)境溫度，通過(guò)改變VSET端電壓控制APD偏置電壓(VAPD=30×VSET)，保證APD具有適當的雪崩倍增因子。