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巧用数字电位计调节 APD 偏置电压

analog_devices 来源:未知 2023-04-19 21:40 次阅读

APD 是光学应用中经常使用的光敏元件,在以硅或者锗为材料制成的光电二极管的 P-N 结上加反偏电压后,射入的光被 P-N 结吸收后会形成光电流。增大反向偏置电压的时候会产生 “雪崩” (即光电流成倍的激增) 现象,因此这种二极管被称为 “雪崩光电二极管”。

APD 工作时,如果两个电极之间的电压差为零,此时 APD 处于零偏模式;如果两个电极之间存在反向偏置电压,则 APD 处于反偏模式。当反偏电压增加到一定程度,反相饱和电流 IR 会突然急剧增加,这时 P-N 结被反向击穿。我们把反向饱和电流增大到某一数值时对应的反偏电压大小,定义为 APD 的反向击穿电压。

APD 偏置方案 雪崩二极管 APD 的偏置电压需要几十伏甚至更高,而此类系统的供电通常在+5V 或者+12V,因此需要一个专门的电路来产生偏置电压。专用的偏置电压控制器,针对此类应用进行了优化和功能扩展,本文将由ADI代理商骏龙科技工程师 Luke Lu 以 ADI 的 LT3905 和 LT3571 为例做简单介绍。

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图1LT3905APD 偏置方案

LT3905 是 ADI 公司适用于光接收器中提供 APD 偏置电压的升压型 DCDC 控制器,它内部集成了 DMOS 开关和肖特基整流二极管,外部只需要很少的器件就可以实现升压功能。LT3905 的 APD 应用电路如上图 (图1) 所示,输入电压范围在 2.7-12V,升压后在 Vout 输出。LT3905 FB 管脚电压和 CTRL 电压有关,如下图 (图2) 所示,所以也可以通过 CTRL 调整输出电压大小。

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图2LT3905 FB 电压和CTRL 电压关系图

Vout 外部滤波后通过 MONIN 管脚返回芯片,在 APD 引脚上给外部 APD 施加偏置电压。除了 LT3905 之外,LT3571 也是一款比较常见且能提供 APD 偏置电压的 DCDC 转换器方案,相比 LT3905 在输入电压范围,LT3571 的输出电压范围做了一定程度的扩展,优化了电流监控器动态范围,对一些需要测量光功率的应用场合非常友好。 APD 平均倍增因子 雪崩二极管 APD 是利用雪崩倍增效应获得输出光电流增益,倍增因子 M 用来描述电流倍增的程度。倍增因子 M 是一个无量纲值,是指初级光电流经过雪崩倍增后获得了 M 倍的放大。然而温度变化对倍增因子 M 的影响十分明显,通常 APD 的手册数据手册中都会给出不同温度条件下的倍增因子曲线。如下图 (图3) 所示,为 C3095E 雪崩二极管的 M 在不同温度变化下的影响。

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图3 温度变化对 APD 倍增因子 M 的影响

实际应用中如果环境温度的变化范围比较大,为了保证系统增益的稳定性,需要对倍增因子 M 进行控制。当然最佳的方式是通过增加半导体加热制冷器 TEC 来控制温度,不过这无疑增加了很多成本。通过观察上图 (图3) 发现,当温度变化时,如果改变偏置电压也可以达到控制倍增因子 M 的目的,无形之中我们有了另外一种思路来解决该问题。 实时控制 APD 偏置电压 上文我们提到了对于电源输出电压 Vout 可以通过 CTRL 来控制,那么我们就来设计一个调整 CTRL 电压来微调 Vout 电压的电路。以 LT3571 为例,其实际 APD 偏压设计电路,如下图 (图4) 所示:

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图4LT3571 实际 APD偏压设计电路

以 AD5142 为例,数字调节 CTRL 电压电路,如下图 (图5) 所示:

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图5AD5142 数字调节 CTRL电压电路

电路描述 LT3571的 VREF 管脚是对外电压,通常情况下在 1.2V,R8 电阻 20K 和 AD5142 内部的电阻串联分压给到 CTRL 管脚来控制 FB 电压,达到控制输出电压的目的。AD5142 内部 256 步进,提供了很大程度的微调精度,在选择内部 100K 电阻的情况下,微调一位可以控制电压在 50mV 左右。AD5142 是一款双通道 256 位、SPI 控制、非易失性数字电位计,它具有以下特点及优势:
  • 宽带宽:3MHz
  • 4 kV ESD 保护
  • 游标电流:±6mA
  • 线性增益设置模式
  • 单电源及双电源供电
  • 快速启动时间 < 75µs
  • 电阻容差:±8% (最大值)
  • 低温度系数:35 ppm/°C
  • 10 kΩ 和 100 kΩ 电阻可选
  • 独立逻辑电源 (1.8V 至 5.5V)
  • 宽工作温度范围:–40°C 至 +125°C
  • 3mm × 3mm 封装可选
总结

本文介绍了 APD 雪崩二极管工作的原理,APD 重要参数倍增因子 M 随温度以及偏置电压变化的影响,并探讨了用数字电位计控制 APD 偏置电压的方案,在最大程度控制成本的情况下解决此问题。


原文标题:巧用数字电位计调节 APD 偏置电压

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