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1 引言 目前，雪崩光電二極管(APD)作為一種高靈敏、能精確接收數據和測量光功率的光探測器件廣泛應用于光纖傳感、光纖通信網絡中。它借助于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系。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。采用ADL5317器件。給出了一種具有高精度、寬動態范圍的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管(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3 V線性偏置控制電路，在6 V～75 V范圍內精確設置雪崩二極管(APD)偏置電壓； 在106范圍(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。 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。該電路采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，然后傳送至APD光電流監測輸出端(IPDM)。在APD偏置電壓范圍內，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系： 同時VAPD端電壓調節范圍與高電壓電源端VPHV之間存在以下關系： 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網絡，用于濾除運算放大器反饋網絡的熱噪聲。 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噪聲抑制性能越好，但是同時會延緩對VSET端電壓變換的響應時間。 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。其內部通過一只25k歐姆電阻將電位設置在相對于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，可擴展線性工作范圍(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)，用于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，并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平。 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 基于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處于線性工作模式。采用溫度傳感器來監測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子。 IPDM端連接跨導線性對數運算放大器AD8305，加寬了對輸入光功率的動態范圍測量。消除了動態范圍的限制，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算放大器，以提取數據流，而無需單獨引出線路監測光功率。 5 結束語 下一代高速光纖傳感、光纖通信網絡需要APD，以實現精確的數據傳輸和較低的比特誤差率。 而對APD偏置電壓的精確控制．是系統成功運行的關鍵。基于ADL5317的APD偏壓控制／光功率監測電路具有結構簡單、輸出精確可調、可監測光功率等特點，并具有優良的性能和廣泛的應用前景。 |
