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

發(fā)布時(shí)間:2023-06-05 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(mén)的電路來(lái)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。


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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(nèi)部集成了 DMOS 開(kāi)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(guò) CTRL 調(diào)整輸出電壓大小。


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圖2 LT3905 FB 電壓和CTRL 電壓關(guān)系圖


Vout 外部濾波后通過(guò) 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(jiàn)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(lái)描述電流倍增的程度。倍增因子 M 是一個(gè)無(wú)量綱值,是指初級(jí)光電流經(jīng)過(guò)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。


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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(guò)增加半導(dǎo)體加熱制冷器 TEC 來(lái)控制溫度,不過(guò)這無(wú)疑增加了很多成本。通過(guò)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(wú)形之中我們有了另外一種思路來(lái)解決該問(wèn)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(guò) CTRL 來(lái)控制,那么我們就來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整 CTRL 電壓來(lái)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:


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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: 


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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(lái)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(wèn)題。



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