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巧用數字電位計調節 APD 偏置電壓

發布時間:2023-05-08 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】APD 是光學應用中經常使用的光敏元件,在以硅或者鍺為材料制成的光電二極管的 P-N 結上加反偏電壓后,射入的光被 P-N 結吸收后會形成光電流。增大反向偏置電壓的時候會產生 “雪崩” (即光電流成倍的激增) 現象,因此這種二極管被稱為 “雪崩光電二極管”。


APD 工作時,如果兩個電極之間的電壓差為零,此時 APD 處于零偏模式;如果兩個電極之間存在反向偏置電壓,則 APD 處于反偏模式。當反偏電壓增加到一定程度,反相飽和電流 IR 會突然急劇增加,這時 P-N 結被反向擊穿。我們把反向飽和電流增大到某一數值時對應的反偏電壓大小,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,而此類系統的供電通常在+5V 或者+12V,因此需要一個專門的電路來產生偏置電壓。專用的偏置電壓控制器,針對此類應用進行了優化和功能擴展,本文將由ADI代理商駿龍科技的工程師 Luke Lu 以 ADI 的 LT3905 和 LT3571 為例做簡單介紹。


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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,它內部集成了 DMOS 開關和肖特基整流二極管,外部只需要很少的器件就可以實現升壓功能。LT3905 的 APD 應用電路如上圖 (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,如下圖 (圖2) 所示,所以也可以通過 CTRL 調整輸出電壓大小。


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圖2 LT3905 FB 電壓和CTRL 電壓關系圖


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展,優化了電流監控器動態范圍,對一些需要測量光功率的應用場合非常友好。


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 是一個無量綱值,是指初級光電流經過雪崩倍增后獲得了 M 倍的放大。然而溫度變化對倍增因子 M 的影響十分明顯,通常 APD 的手冊數據手冊中都會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。


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圖3 溫度變化對 APD 倍增因子 M 的影響


實際應用中如果環境溫度的變化范圍比較大,為了保證系統增益的穩定性,需要對倍增因子 M 進行控制。當然最佳的方式是通過增加半導體加熱制冷器 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) 發現,當溫度變化時,如果改變偏置電壓也可以達到控制倍增因子 M 的目的,無形之中我們有了另外一種思路來解決該問題。


實時控制 APD 偏置電壓


上文我們提到了對于電源輸出電壓 Vout 可以通過 CTRL 來控制,那么我們就來設計一個調整 CTRL 電壓來微調 Vout 電壓的電路。以 LT3571 為例,其實際 APD 偏壓設計電路,如下圖 (圖4) 所示:


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圖4 LT3571 實際 APD 偏壓設計電路


以 AD5142 為例,數字調節 CTRL 電壓電路,如下圖 (圖5) 所示: 


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圖5 AD5142 數字調節 CTRL 電壓電路


電路描述


LT3571的 VREF 管腳是對外電壓,通常情況下在 1.2V,R8 電阻 20K 和 AD5142 內部的電阻串聯分壓給到 CTRL 管腳來控制 FB 電壓,達到控制輸出電壓的目的。AD5142 內部 256 步進,提供了很大程度的微調精度,在選擇內部 100K 電阻的情況下,微調一位可以控制電壓在 50mV 左右。AD5142 是一款雙通道 256 位、SPI 控制、非易失性數字電位計,它具有以下特點及優勢:


●   寬帶寬:3MHz

●   4 kV ESD 保護

●   游標電流:±6mA

●   線性增益設置模式

●   單電源及雙電源供電

●   快速啟動時間 < 75μs

●   電阻容差:±8% (最大值)

●   低溫度系數:35 ppm/°C

●   10 kΩ 和 100 kΩ 電阻可選

●   獨立邏輯電源 (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


本文介紹了 APD 雪崩二極管工作的原理,APD 重要參數倍增因子 M 隨溫度以及偏置電壓變化的影響,并探討了用數字電位計控制 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。



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