1 引言
目前，雪崩光電二極管(APD)作為一種高靈敏、能精確接收數(shù)據(jù)和測量光功率的光探測器件廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信網(wǎng)絡(luò)中。它借助于內(nèi)部強(qiáng)電場作用產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，具有極高的內(nèi)部增益(可達(dá)102～104量級)。然而，APD隨溫漂的變化嚴(yán)重影響其增益的穩(wěn)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(shù)，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。可以控制APD的偏壓使之隨溫度按一定的規(guī)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(bǔ)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(tǒng)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、寬動態(tài)范圍的APD偏壓控制／光功率監(jiān)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(jiān)測功能的器件。
ADL5317的主要特性如下：
通過3
V線性偏置控制電路，在6 V～75 V范圍內(nèi)精確設(shè)置雪崩二極管(APD)偏置電壓；
在106范圍(5 nA一5 mA)內(nèi)以5：1的比率監(jiān)測光電流，其線性誤差僅為0．5％；
允許使用固定的高電壓轉(zhuǎn)換電路，降低傳統(tǒng)APD偏置設(shè)計(jì)中對電源解耦和低通濾波的要求；
過流保護(hù)和過熱保護(hù)。
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(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
ADL5317的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其內(nèi)部包括電流監(jiān)測電路、偏置控制電路、GARD電路、VCLH電路、過流和過熱保護(hù)電路。
3．1 電流監(jiān)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(jiān)測電路輸入端提供精確偏置。該電路采用了結(jié)型場效應(yīng)管輸入形式的放大器．驅(qū)動監(jiān)測電路的兩極，同時(shí)保持VAPD端電壓的穩(wěn)定度及非常低的漏電流。該監(jiān)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(jiān)測輸出端(IPDM)。在APD偏置電壓范圍內(nèi)，監(jiān)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(gè)運(yùn)算放大器相連，在線性工作模式下，兩者電壓之間存在一個(gè)簡單的關(guān)系：
同時(shí)VAPD端電壓調(diào)節(jié)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電路主要用來屏蔽VAPD線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(yùn)算放大器通過一個(gè)20 k歐姆的電阻進(jìn)行驅(qū)動。該電阻與GARD端外接電容構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)，用于濾除運(yùn)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(nèi)部電阻20 k歐姆和外接電容CGRD構(gòu)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)會延緩對VSET端電壓變換的響應(yīng)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VCLH端電壓。其內(nèi)部通過一只25k歐姆電阻將電位設(shè)置在相對于VPHV始終低2．0 V處，并不受溫度影響。
在線性模式下，VCLH端與VPHV端連接，可擴(kuò)展線性工作范圍(上限高達(dá)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(hù)電路
FALT是集電極開路邏輯輸出端(低電平有效)，用于警示是否有過流或過熱狀況出現(xiàn)。
當(dāng)流經(jīng)APD的光電流超過18 mA時(shí)，F(xiàn)ALT將報(bào)警，并將電流監(jiān)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(yùn)算放大器的電流限定值(約2．5 mA)以下時(shí)，電流監(jiān)測電路將會重新工作，VAPD端電壓恢復(fù)到其正常工作水平。
當(dāng)ADL5317溫度超過140℃時(shí)。電流監(jiān)測電路會停止工作，導(dǎo)致VAPD降低，F(xiàn)ALT將報(bào)警。這個(gè)保護(hù)模式將會持續(xù)到過熱狀況被排除為止。
4 APD偏壓控制／光功率監(jiān)測電路
基于ADL5317的APD偏壓控制／光功率監(jiān)測功能的核心電路如圖3所示。
在該電路中，ADL5317處于線性工作模式。采用溫度傳感器來監(jiān)測APD的環(huán)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(dāng)?shù)难┍辣对鲆蜃印?/p>
IPDM端連接跨導(dǎo)線性對數(shù)運(yùn)算放大器AD8305，加寬了對輸入光功率的動態(tài)范圍測量。消除了動態(tài)范圍的限制，從而解決了鎖相放大器的電流敏感問題。
APD的陽極可直接連接跨阻運(yùn)算放大器，以提取數(shù)據(jù)流，而無需單獨(dú)引出線路監(jiān)測光功率。
5 結(jié)束語
下一代高速光纖傳感、光纖通信網(wǎng)絡(luò)需要APD，以實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)傳輸和較低的比特誤差率。而對APD偏置電壓的精確控制．是系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。基于ADL5317的APD偏壓控制／光功率監(jiān)測電路具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出精確可調(diào)、可監(jiān)測光功率等特點(diǎn)，并具有優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景。