基于ADL5317的APD偏壓控制/光功率監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　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(cè)量光功率的光探測(cè)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(chǎng)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(jí))。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(cè)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(duì)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(duì)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(jiān)測(cè)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(cè)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(nèi)以5：1的比率監(jiān)測(cè)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(duì)電源解耦和低通濾波的要求；

　　過(guò)流保護(hù)和過(guò)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(cè)電路、偏置控制電路、GARD電路、VCLH電路、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)電路。

　3．1 電流監(jiān)測(cè)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(cè)電路輸入端提供精確偏置。該電路采用了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入形式的放大器．驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)輸出端(IPDM)。在APD偏置電壓范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)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(guò)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(jiǎn)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(lái)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(guò)一個(gè)20 k歐姆的電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(hào)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(huì)延緩對(duì)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(guò)VCLH端電壓。其內(nèi)部通過(guò)一只25k歐姆電阻將電位設(shè)置在相對(duì)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(guò)流和過(guò)溫保護(hù)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(xiàn)。

　　當(dāng)流經(jīng)APD的光電流超過(guò)18 mA時(shí)，F(xiàn)ALT將報(bào)警，并將電流監(jiān)測(cè)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(cè)電路將會(huì)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(guò)140℃時(shí)。電流監(jiān)測(cè)電路會(huì)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(huì)持續(xù)到過(guò)熱狀況被排除為止。

4 APD偏壓控制／光功率監(jiān)測(cè)電路

　　基于ADL5317的APD偏壓控制／光功率監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)APD的環(huán)境溫度，通過(guò)改變VSET端電壓控制APD偏置電壓(VAPD=30VSET)，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(duì)數(shù)運(yùn)算放大器AD8305，加寬了對(duì)輸入光功率的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。消除了動(dòng)態(tài)范圍的限制，從而解決了鎖相放大器的電流敏感問(wèn)題。

　　APD的陽(yáng)極可直接連接跨阻運(yùn)算放大器，以提取數(shù)據(jù)流，而無(wú)需單獨(dú)引出線路監(jiān)測(cè)光功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　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(duì)APD偏置電壓的精確控制．是系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵?；贏DL5317的APD偏壓控制／光功率監(jiān)測(cè)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精確可調(diào)、可監(jiān)測(cè)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。