基于ADL5317的APD偏压控制/光功率监测电路的设计

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1 引言
　　目前，雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应，具有极高的内部增益(可达102～104量级)。然而，APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性．甚至引起测量精度的恶化。理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定APD工作时的增益，而且在维持APD增益比较恒定的条件下，其偏压和温度之间存在一定的关系。因此。可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。这样就可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。
　　由此可知．施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。本文针对该要求。采用ADL5317器件。给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD偏压控制／光功率监测功能的核心电路。

2 引脚排列及功能
　　ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。







　　ADL5317的主要特性如下：
　　通过3

V线性偏置控制电路，在6 V～75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压；
　　在106范围(5 nA一5 mA)内以5：1的比率监测光电流，其线性误差仅为0．5％；
　　允许使用固定的高电压转换电路，降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求；
　　过流保护和过热保护。
　　ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装，其引脚排列如图1所示。各引脚功能描述如表1所列。
3 内部结构及工作原理
　　ADL5317的内部结构如图2所示。其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。




　3．1 电流监测电路
　　ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路，为监测电路输入端提供精确偏置。该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器．驱动监测电路的两极，同时保持VAPD端电压的稳定度及非常低的漏电流。该监测电路将流经VAPD端的光电流衰减至其1／5，然后传送至APD光电流监测输出端(IPDM)。在APD偏置电压范围内，监测电流与APD光电流之间都保持极高的线性度。
3．2偏置控制电路
　　VAPD端与VSET端通过一个运算放大器相连，在线性工作模式下，两者电压之间存在一个简单的关系：



　　同时VAPD端电压调节范围与高电压电源端VPHV之间存在以下关系：



3．3 GARD电路
　　GARD电路主要用来屏蔽VAPD线路不受漏电流的影响，以及滤除偏置控制电路的噪声。GARD电路由VSET端运算放大器通过一个20 k欧姆的电阻进行驱动。该电阻与GARD端外接电容构成RC网络，用于滤除运算放大器反馈网络的热噪声。
　　GARD电路的噪声和小信号的截止频率定义如下：



　　其中：f3db是内部电阻20 k欧姆和外接电容CGRD构成的低通滤波器的截止频率；CGRD是GARD端至地的滤波电容。
　　CGRD的容值越大(最大约0．01μF)，ADL5317在最低输入电流处的噪声抑制性能越好，但是同时会延缓对VSET端电压变换的响应时间。
3．4 VCLH电路
　　高电压箝制电路(VCLH)是用于限制APD偏置电压不能超过VCLH端电压。其内部通过一只25k欧姆电阻将电位设置在相对于VPHV始终低2．0 V处，并不受温度影响。
　　在线性模式下，VCLH端与VPHV端连接，可扩展线性工作范围(上限高达VPHV-1．5 V)。在电源跟随模式下，VCLH端则必须置空。 3．5 过流和过温保护电路
　　FALT是集电极开路逻辑输出端(低电平有效)，用于警示是否有过流或过热状况出现。
　　当流经APD的光电流超过18 mA时，FALT将报警，并将电流监测电路关闭，以降低APD的电流和偏压。直到光电流下降到VSET运算放大器的电流限定值(约2．5 mA)以下时，电流监测电路将会重新工作，VAPD端电压恢复到其正常工作水平。
　　当ADL5317温度超过140℃时。电流监测电路会停止工作，导致VAPD降低，FALT将报警。这个保护模式将会持续到过热状况被排除为止。
4 APD偏压控制／光功率监测电路
　　基于ADL5317的APD偏压控制／光功率监测功能的核心电路如图3所示。




　　在该电路中，ADL5317处于线性工作模式。采用温度传感器来监测APD的环境温度，通过改变VSET端电压控制APD偏置电压(VAPD=30×VSET)，保证APD具有适当的雪崩倍增因子。
    IPDM端连接跨导线性对数运算放大器AD8305，加宽了对输入光功率的动态范围测量。消除了动态范围的限制，从而解决了锁相放大器的电流敏感问题。

　　APD的阳极可直接连接跨阻运算放大器，以提取数据流，而无需单独引出线路监测光功率。
5 结束语
　　下一代高速光纤传感、光纤通信网络需要APD，以实现精确的数据传输和较低的比特误差率。而对APD偏置电压的精确控制．是系统成功运行的关键。基于ADL5317的APD偏压控制／光功率监测电路具有结构简单、输出精确可调、可监测光功率等特点，并具有优良的性能和广泛的应用前景。