APD高壓電路的設(shè)計(jì)

會(huì)計(jì)學(xué)1APD高壓電路的設(shè)計(jì)一、APD的工作特性

在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用的光電檢測器的作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。最常用的光電檢測器是半導(dǎo)體PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。

WTD自制APDJDSUMini-DILAPD第1頁/共12頁1.APD總體介紹

APD—AvalanchePhotonDiode

APD光電檢測器能對(duì)器件內(nèi)部的光生載流子電流進(jìn)行放大，即所謂內(nèi)部倍增作用。這種倍增作用的大小與器件的工作偏置有關(guān)，其響應(yīng)度隨偏置電壓的增加而增加，當(dāng)其偏置接近擊穿電壓時(shí)，響應(yīng)度急劇增加，這就是所謂的“雪崩”效應(yīng)。正因?yàn)椤把┍馈毙?yīng)，在一定的輸入光功率Pin條件下，APD能夠產(chǎn)生數(shù)倍于PIN光電流的光生電流，使其光電靈敏度更高，故APD常用于長程傳輸或DWDM等需要高接收靈敏度的光纖通信系統(tǒng)。2.APD內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)第2頁/共12頁3.APD主要參數(shù)偏置電壓—APD的偏置電壓（即通常所說的高壓）一般約為常溫60V；最近市場上也有低偏壓APD推出，其高壓只需20、30幾伏。響應(yīng)度—

典型的APD響應(yīng)度為0.8A/W（M=1），其中M為倍增因子，M=倍增后的電流Ig/無倍增的光生電流Ip。飽和光功率—

如圖，當(dāng)輸入APD的光功率Pin達(dá)到一定值后，光電流將趨于飽和，只有在Pin低于一定值的情況下，其輸出光電流與偏壓有較大的線性范圍，APD的內(nèi)阻R越小，線性范圍越大。

不同輸入光強(qiáng)下，APD的光電流隨偏壓的變化第3頁/共12頁4.APD的溫度特性如圖，環(huán)境溫度的變化對(duì)APD的特性影響很大，當(dāng)溫度升高時(shí)，APD的擊穿電壓VBR也隨著上升，如果APD的工作電壓（即高壓）不變，APD的光電檢測性能會(huì)變?nèi)?，靈敏度降低。溫度對(duì)APD的增益-電壓特性的影響APDVBR的溫度系數(shù)一般約為：0.1V/℃

第4頁/共12頁二、APD高壓電路

目前光模塊的工作電壓一般為3.3V或5V，而APD所需的工作電壓高達(dá)幾十伏。為保證APD的正常工作，需要引入高壓電路及相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施。APD高壓電路主要包括升壓電路、倍壓電路和溫度補(bǔ)償三個(gè)部分。APD熱敏電阻升壓電路倍壓電路溫度補(bǔ)償光電流Ig第5頁/共12頁1.升壓電路光模塊內(nèi)部采用的升壓電路一般都是非常成熟了的能夠?qū)崿F(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換功能的專用升壓芯片，如Linear的LT1930、Maxim的MAX1771等。通過DC/DCConverter能將輸入的電源電壓（3.3V或5V）轉(zhuǎn)換成20、30幾伏的高壓輸出。這里提到的Converter是指BoostConverter（升壓變換器）。BoostConverter主要由開關(guān)晶體管VT、二極管VD、儲(chǔ)能電感L和輸出濾波電容C所組成。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波形如圖所示。第6頁/共12頁電路拓?fù)?b)工作波形升壓過程：VT的工作周期Ts=ton+toff，VT在ton期間導(dǎo)通，在toff期間截止。①在ton期間，電源Uin的能量存儲(chǔ)于L中，VT導(dǎo)通，VD反偏，由C向負(fù)載供給能量。

②在toff期間，VT截止，L中的電流不能突變，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)阻止電流減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性為右正左負(fù)，VD導(dǎo)通，L中存儲(chǔ)的能量經(jīng)VD、流入C，并供給負(fù)載。tontoff第7頁/共12頁③

其中，δ=ton/

Ts為占空比，當(dāng)改變?chǔ)臅r(shí)，就能獲得所需的上升的電壓值。

在實(shí)際應(yīng)用中，DC/DCConverter芯片的輸出電壓經(jīng)分壓得到的反饋電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)由PWM控制器（根據(jù)誤差信號(hào)產(chǎn)生不同的占空比δ來控制信號(hào)）來控制功率管的開關(guān)。當(dāng)誤差放大器EA的輸出增加時(shí)，輸出的開關(guān)電流增加；當(dāng)EA的輸出減小時(shí)，輸出的開關(guān)電流減小，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出的自動(dòng)調(diào)節(jié)。EAPWM控制器振蕩器Gate驅(qū)動(dòng)器BoostConverterConverter內(nèi)部參考電壓輸入DC/DCConverter升壓原理框圖反饋電壓輸入高壓輸出第8頁/共12頁2.倍壓電路雖然DC/DCConverter能輸出20、30幾伏的電壓，但APD的工作電壓高達(dá)50、60幾伏，這就需要將Converter的輸出電壓進(jìn)行倍壓，以滿足APD的工作需要。倍壓電路一般由整流二極管和電容構(gòu)成，對(duì)前面介紹的BoostConverter進(jìn)行倍壓，典型的倍壓電路如圖所示。倍壓過程：①

VT截止時(shí)，L放電，D1導(dǎo)通，D2截止，電流經(jīng)過D1對(duì)C1充電，C1兩端電壓達(dá)到VC1（L產(chǎn)生的反向感應(yīng)電勢(shì)）。②

VT導(dǎo)通時(shí)，L儲(chǔ)能，VC1>Va

，D1截止，D2

導(dǎo)通。此時(shí)，C1的電荷經(jīng)過D2對(duì)C2充電，直至C2兩端電壓VC2=VC1

。③

VT再次截止時(shí)，L放電，L產(chǎn)生的反向感應(yīng)電勢(shì)和C2上的電壓聯(lián)合作用VC2+VC1

，通過D3對(duì)C3充電，此時(shí)C3上的電壓就近似為2VC1

，實(shí)現(xiàn)了二倍壓。第9頁/共12頁3.溫度補(bǔ)償

APD的溫度補(bǔ)償一般是通過負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)的。熱敏電阻（APD內(nèi)部集成或者外圍提供）將環(huán)境溫度的變化反映到DC/DCConverte