基於ADL5317的APD偏壓控制／光功率監測電路的設計

1 引言

　　目前，雪崩光電二極體(APD)作為一種高靈敏、能精確接收資料和測量光功率的光探測器件廣泛應用於光纖傳感、光纖通信網路中。它借助於內部強電場作用產生雪崩倍增效應，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係。因此。可以控制APD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APD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。採用ADL5317器件。給出了一種具有高精度、寬動態範圍的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公司率先在業界推出的一款片上集成雪崩光電二極體(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3V線性偏置控制電路，在6 V～75 V範圍內精確設置雪崩二極體(APD)偏置電壓；

　　在106範圍(5 nA一5 mA)內以5：1的比率監測光電流，其線性誤差僅為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；

　　過流保護和過熱保護。

　　ADL5317採用3 mm* 3 m m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、過流和過熱保護電路。

3．1 電流監測電路

　　ADL5317的核心部分是一個具有電壓跟隨性質的精密電流衰減電路，為監測電路輸入端提供精確偏置。該電路採用了結型場效應管輸入形式的放大器．驅動監測電路的兩極，同時保持VAPD端電壓的穩定度及非常低的漏電流。該監測電路將流經VAPD端的光電流衰減至其1／5，然後傳送至APD光電流監測輸出端(IPDM)。在APD偏置電壓範圍內，監測電流與APD光電流之間都保持極高的線性度。

　　3．2偏置控制電路

　　VAPD端與VSET端通過一個運算放大器相連，在線性工作模式下，兩者電壓之間存在一個簡單的關係：

 

　　同時VAPD端電壓調節範圍與高電壓電源端VPHV之間存在以下關係：

　　3．3 GARD電路

　　GARD電路主要用來遮罩VAPD線路不受漏電流的影響，以及濾除偏置控制電路的雜訊。GARD電路由VSET端運算放大器通過一個20 k歐姆的電阻進行驅動。該電阻與GARD端外接電容構成RC網路，用於濾除運算放大器回饋網路的熱雜訊。

　　GARD電路的雜訊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雜訊抑制性能越好，但是同時會延緩對VSET端電壓變換的回應時間。

　　3．4 VCLH電路

　　高電壓箝制電路(VCLH)是用於限制APD偏置電壓不能超過VCLH端電壓。其內部通過一隻25k歐姆電阻將電位設置在相對於VPHV始終低2．0 V處，並不受溫度影響。

　　在線性模式下，VCLH端與VPHV端連接，可擴展線性工作範圍(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 過流和過溫保護電路

　　FALT是集電極開路邏輯輸出端(低電平有效)，用於警示是否有過流或過熱狀況出現。

　　當流經APD的光電流超過18 mA時，FALT將報警，並將電流監測電路關閉，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，電流監測電路將會重新工作，VAPD端電壓恢復到其正常工作水準。

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

4 APD偏壓控制／光功率監測電路

　　基於ADL5317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處於線性工作模式。採用溫度感測器來監測APD的環境溫度，通過改變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數。

note:

ADL5317:  雪崩光電二極體偏置控制器和寬範圍(5 nA - 5 mA)電流監控器

ADL5317是一款高壓、寬動態範圍偏置和電流監控器件，最適合與雪崩光電二極體一起使用。當提供最高80 V的穩定高壓電源時，可以利用3 V相容 VSET 引腳在6 V至75 V範圍內設置VAPD 引腳上的偏置電壓。VAPD 引腳提供5 nA至5 mA範圍內的源電流，電流鏡以5:1比例精確鏡像該電流，並通過IPDM 監控器輸出源電流。在典型應用中，監控器輸出驅動一個電流輸入對數放大器，產生代表光電二極體入射光功率的輸出。光電二極體陽極可以與高速跨阻放大器相連，以便提取資料流程。                     

施加於VSET 引腳的0.2 V至2.5 V信號（相對於COMM ）以固定增益30放大，在VAPD引腳產生6 V至75 V偏置。ADL5317偏置控制介面的精度很高，只需簡單校準便可消除溫度影響，使光電二極體的雪崩倍增係數保持恒定。在整個APD偏置電壓範圍內，電流監控器輸出IPDM均能保持其與光電二極體電流的高度線性關係。電流比5:1不隨 VSET 和 VPHV 而變化。

ADL5317針對高性能和低雜訊設計而開發，適合新一代光纖網路中的所有APD模組和系統。