巧用數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié) APD 偏置電壓

APD 是光學(xué)應(yīng)用中經(jīng)常使用的光敏元件，在以硅或者鍺為材料制成的光電二極管的 P-N 結(jié)上加反偏電壓后，射入的光被 P-N 結(jié)吸收后會(huì)形成光電流。增大反向偏置電壓的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生 “雪崩” (即光電流成倍的激增) 現(xiàn)象，因此這種二極管被稱為 “雪崩光電二極管”。

APD 工作時(shí)，如果兩個(gè)電極之間的電壓差為零，此時(shí) APD 處于零偏模式；如果兩個(gè)電極之間存在反向偏置電壓，則 APD 處于反偏模式。當(dāng)反偏電壓增加到一定程度，反相飽和電流 IR 會(huì)突然急劇增加，這時(shí) P-N 結(jié)被反向擊穿。我們把反向飽和電流增大到某一數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的反偏電壓大小，定義為 APD 的反向擊穿電壓。

APD 偏置方案

雪崩二極管 APD 的偏置電壓需要幾十伏甚至更高，而此類系統(tǒng)的供電通常在＋5V 或者＋12V，因此需要一個(gè)專門的電路來產(chǎn)生偏置電壓。專用的偏置電壓控制器，針對(duì)此類應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化和功能擴(kuò)展，本文將由ADI代理商駿龍科技的工程師 Luke Lu 以 ADI 的 LT3905 和 LT3571 為例做簡(jiǎn)單介紹。

圖1 LT3905 APD 偏置方案

LT3905 是 ADI 公司適用于光接收器中提供 APD 偏置電壓的升壓型 DCDC 控制器，它內(nèi)部集成了 DMOS 開關(guān)和肖特基整流二極管，外部只需要很少的器件就可以實(shí)現(xiàn)升壓功能。LT3905 的 APD 應(yīng)用電路如上圖 (圖1) 所示，輸入電壓范圍在 2.7-12V，升壓后在 Vout 輸出。LT3905 FB 管腳電壓和 CTRL 電壓有關(guān)，如下圖 (圖2) 所示，所以也可以通過 CTRL 調(diào)整輸出電壓大小。

圖2 LT3905 FB 電壓和CTRL 電壓關(guān)系圖

Vout 外部濾波后通過 MONIN 管腳返回芯片，在 APD 引腳上給外部 APD 施加偏置電壓。除了 LT3905 之外，LT3571 也是一款比較常見且能提供 APD 偏置電壓的 DCDC 轉(zhuǎn)換器方案，相比 LT3905 在輸入電壓范圍，LT3571 的輸出電壓范圍做了一定程度的擴(kuò)展，優(yōu)化了電流監(jiān)控器動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)一些需要測(cè)量光功率的應(yīng)用場(chǎng)合非常友好。

APD 平均倍增因子

雪崩二極管 APD 是利用雪崩倍增效應(yīng)獲得輸出光電流增益，倍增因子 M 用來描述電流倍增的程度。倍增因子 M 是一個(gè)無量綱值，是指初級(jí)光電流經(jīng)過雪崩倍增后獲得了 M 倍的放大。然而溫度變化對(duì)倍增因子 M 的影響十分明顯，通常 APD 的手冊(cè)數(shù)據(jù)手冊(cè)中都會(huì)給出不同溫度條件下的倍增因子曲線。如下圖 (圖3) 所示，為 C3095E 雪崩二極管的 M 在不同溫度變化下的影響。

圖3 溫度變化對(duì) APD 倍增因子 M 的影響

實(shí)際應(yīng)用中如果環(huán)境溫度的變化范圍比較大，為了保證系統(tǒng)增益的穩(wěn)定性，需要對(duì)倍增因子 M 進(jìn)行控制。當(dāng)然最佳的方式是通過增加半導(dǎo)體加熱制冷器 TEC 來控制溫度，不過這無疑增加了很多成本。通過觀察上圖 (圖3) 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度變化時(shí)，如果改變偏置電壓也可以達(dá)到控制倍增因子 M 的目的，無形之中我們有了另外一種思路來解決該問題。

實(shí)時(shí)控制 APD 偏置電壓

上文我們提到了對(duì)于電源輸出電壓 Vout 可以通過 CTRL 來控制，那么我們就來設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整 CTRL 電壓來微調(diào) Vout 電壓的電路。以 LT3571 為例，其實(shí)際 APD 偏壓設(shè)計(jì)電路，如下圖 (圖4) 所示：

圖4 LT3571 實(shí)際 APD 偏壓設(shè)計(jì)電路

以 AD5142 為例，數(shù)字調(diào)節(jié) CTRL 電壓電路，如下圖 (圖5) 所示： 

圖5 AD5142 數(shù)字調(diào)節(jié) CTRL 電壓電路

電路描述

LT3571的 VREF 管腳是對(duì)外電壓，通常情況下在 1.2V，R8 電阻 20K 和 AD5142 內(nèi)部的電阻串聯(lián)分壓給到 CTRL 管腳來控制 FB 電壓，達(dá)到控制輸出電壓的目的。AD5142 內(nèi)部 256 步進(jìn)，提供了很大程度的微調(diào)精度，在選擇內(nèi)部 100K 電阻的情況下，微調(diào)一位可以控制電壓在 50mV 左右。AD5142 是一款雙通道 256 位、SPI 控制、非易失性數(shù)字電位計(jì)，它具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

●   寬帶寬：3MHz

●   4 kV ESD 保護(hù)

●   游標(biāo)電流：±6mA

●   線性增益設(shè)置模式

●   單電源及雙電源供電

●   快速啟動(dòng)時(shí)間 < 75μs

●   電阻容差：±8% (最大值)

●   低溫度系數(shù)：35 ppm/°C

●   10 kΩ 和 100 kΩ 電阻可選

●   獨(dú)立邏輯電源 (1.8V 至 5.5V)

●   寬工作溫度范圍：–40°C 至 +125°C

●   3mm × 3mm 封裝可選

總結(jié)

本文介紹了 APD 雪崩二極管工作的原理，APD 重要參數(shù)倍增因子 M 隨溫度以及偏置電壓變化的影響，并探討了用數(shù)字電位計(jì)控制 APD 偏置電壓的方案，在最大程度控制成本的情況下解決此問題。