應(yīng)用筆記：美信低噪聲APD偏置電路

1、應(yīng)用筆記：美信低噪聲APD偏置電路    摘要：該電路產(chǎn)生并控制光通信中雪崩光電二極管(APD)的低噪聲偏置電壓。該可變電壓通過(guò)控制APD的雪崩增益，優(yōu)化光纖接收器的靈敏度特性。該電路采用低噪聲、固定頻率PWM升壓轉(zhuǎn)換器，帶有一個(gè)工作在非連續(xù)電流模式的電感。內(nèi)部MOSFET的低開(kāi)關(guān)速率降低了高頻電壓毛刺，降低了噪聲。本文給出了完備的電路，建議采用擴(kuò)展電路。擴(kuò)展電路采用ADC進(jìn)行數(shù)字控制，允許微控制器讀取熱敏電阻的值、并根據(jù)查找表進(jìn)行溫度補(bǔ)償。雪崩光電二極管(A摘要：該電路產(chǎn)生并控制光通信中雪崩光電二極管(APD)的低噪聲偏置電壓。該可變電壓通過(guò)控制APD

2、的雪崩增益，優(yōu)化光纖接收器的靈敏度特性。該電路采用低噪聲、固定頻率PWM升壓轉(zhuǎn)換器，帶有一個(gè)工作在非連續(xù)電流模式的電感。內(nèi)部MOSFET的低開(kāi)關(guān)速率降低了高頻電壓毛刺，降低了噪聲。本文給出了完備的電路，建議采用擴(kuò)展電路。擴(kuò)展電路采用ADC進(jìn)行數(shù)字控制，允許微控制器讀取熱敏電阻的值、并根據(jù)查找表進(jìn)行溫度補(bǔ)償。雪崩光電二極管(APD)被作為接收器探頭用于光通信中。APD的高靈敏度和高帶寬受到了設(shè)計(jì)者的廣泛認(rèn)可。APD工作時(shí)需要施加一個(gè)反向結(jié)壓，當(dāng)接收到射線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)被外加電場(chǎng)收集并轉(zhuǎn)換為電流，電流強(qiáng)度正比于射線強(qiáng)度。APD工作時(shí)施加在器件上的反向偏置電壓引發(fā)了雪崩效應(yīng)，雪崩增

3、益可通過(guò)改變偏壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。繼而通過(guò)改變雪崩增益得到最優(yōu)化的光纖接收器靈敏度。然而，要得到滿意的雪崩增益，許多APD需要一個(gè)比較高的反向偏壓，大多在40V至60V范圍，有些甚至要求高達(dá)80V。APD的缺點(diǎn)之一是雪崩增益會(huì)隨著溫度變化而改變，而且還受制造工藝的影響。因此，在一個(gè)典型系統(tǒng)中，如果要求APD工作于恒定增益，高壓偏置電源必須能夠改變，以補(bǔ)償因溫度和制造工藝而造成的雪崩增益變化。要獲得恒定的增益，APD電源一般來(lái)講必須具有大約+0.2%/°C的溫度系數(shù)，大約相當(dāng)于100mV/°C。APD電源有很多現(xiàn)成的方法可用于調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，以便補(bǔ)償因溫度造成的APD增益漂移。A

4、PD模塊內(nèi)含的溫度測(cè)量元件，例如熱敏電阻，可以被直接連接到電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。有些系統(tǒng)中，也可以由微控制器(µC)讀取電阻值，然后向電源發(fā)出指令來(lái)調(diào)節(jié)偏置電壓。圖1所示的APD偏置電源基于一個(gè)低噪聲、固定頻率PWM升壓轉(zhuǎn)換器(U1)設(shè)計(jì)，采用一個(gè)工作于非連續(xù)電流模式的電感。開(kāi)關(guān)速度被有意減慢，以便降低高頻電壓毛刺。開(kāi)關(guān)速度的降低減小了高頻di/dt和dv/dt速率，因而最大限度減小了通過(guò)電流環(huán)、PCB走線或元件管腳間的電容向周?chē)娐份椛浠騻鲗?dǎo)的噪聲。圖1. 從0至2.5V改變控制輸入電壓，這個(gè)低噪聲APD偏置電源可以產(chǎn)生從71V至24.7V的可調(diào)輸出電壓。非連續(xù)電感電流工作

5、模式利用跌落的電感電流自然地關(guān)斷二極管。MAX5026的開(kāi)關(guān)頻率為500kHz，內(nèi)部的橫向DMOS開(kāi)關(guān)器件具有40V的極限耐壓，再加上外部由C3、C4、D2和D3構(gòu)成的倍壓網(wǎng)絡(luò)，使輸出電壓可高達(dá)71V。穩(wěn)態(tài)時(shí)倍壓電路的工作過(guò)程如下：在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電容C2將電荷轉(zhuǎn)移給C3，同時(shí)L1被充電，LX引腳為低(內(nèi)部DMOS導(dǎo)通)。隨著內(nèi)部DMOS關(guān)斷，電感電流使D1和D3正向?qū)?。這樣，加到電容C4上的總電壓為VC2和VC3之和。MAX5026的特性對(duì)于該應(yīng)用非常有利：比較慢的內(nèi)部FET上升和下降時(shí)間降低了di/dt和dv/dt噪聲耦合。非連續(xù)電流電感工作模式使D1自然換流，本質(zhì)上消除了二極管的反向恢復(fù)所

6、帶來(lái)的高di/dt噪聲。固定的500kHz PWM工作頻率產(chǎn)生預(yù)知的噪聲頻譜，更易于濾除。高集成度帶來(lái)低成本和小尺寸。圖1電路在5V輸入，71V輸出時(shí)，能夠提供1mA以上的輸出電流。圖2顯示了輸出電壓隨控制輸入電壓的變化曲線，圖3給出了該電路工作于三種輸出電壓時(shí)的效率曲線。圖2. 該曲線顯示了圖1電路的輸出電壓隨控制輸入電壓的變化圖3. 該曲線顯示了圖1電路的效率隨輸出電流的變化輸出電壓可依據(jù)下面的關(guān)系設(shè)定：VOUT = VREF × (R2× R3 + R1 × R2 + R1 × R3) - VC × R2 × R3 / R1 &

7、#215; R3其中，VREF = 1.25V，VC是控制輸入電壓。圖1電路在輸出71V，驅(qū)動(dòng)1mA負(fù)載電流時(shí)具有大約100mVP-P的輸出紋波。該項(xiàng)性能還可以通過(guò)在1µF陶瓷電容旁并聯(lián)一個(gè)低成本電解電容(10µF/100V，Nichicon VX系列)改善到低于20mV的水平(圖4)。如果想更進(jìn)一步降低噪聲，可以采用附加的濾波手段。APD電源要求的典型噪聲電平在2mV上下。由于MAX5026的500kHz固定開(kāi)關(guān)頻率，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的LC濾波器就可達(dá)到這個(gè)水平。圖4. 該曲線顯示了圖1電路的輸出電壓紋波，VOUT = 71V、IOUT = 1mA，1µF輸出電容旁并聯(lián)10µF電解電容。豎軸為50mV/div，橫軸為200µs/div。圖5所示的APD電源具有數(shù)字調(diào)節(jié)的輸出電壓。采用控制環(huán)路中的微控制器讀取熱敏電阻的值，實(shí)施溫度補(bǔ)償，通過(guò)查表對(duì)熱敏電阻進(jìn)行曲線修