APD高压电路的设计.ppt
APD高压电路介绍 May 2006,一、APD光电检测器的工作特性 二、APD工作的高压电路及温度补偿,一、 APD的工作特性,在光纤通信系统中应用的光电检测器的作用是把接收到的光信号转换成电流信号。最常用的光电检测器是半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。,WTD自制APD,JDSU Mini-DIL APD,1. APD总体介绍 APDAvalanche Photon Diode APD光电检测器能对器件内部的光生载流子电流进行放大，即所谓内部倍增作用。这种倍增作用的大小与器件的工作偏置有关，其响应度随偏置电压的增加而增加，当其偏置接近击穿电压时，响应度急剧增加，这就是所谓的“雪崩”效应。正因为“雪崩”效应，在一定的输入光功率Pin条件下，APD能够产生数倍于PIN光电流的光生电流，使其光电灵敏度更高，故APD常用于长程传输或DWDM等需要高接收灵敏度的光纤通信系统。 2. APD内部主要结构,3. APD主要参数 偏置电压 APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为常温60V；最近市场上也有低偏压APD推出，其高压只需20、30几伏。 响应度 典型的APD响应度为0.8A/W （M=1），其中M为倍增因子， M=倍增后的电流Ig/无倍增的光生电流Ip。 饱和光功率 如图，当输入APD的 光功率Pin达到一定值后，光电流将 趋于饱和，只有在Pin低于一定值的 情况下，其输出光电流与偏压有较 大的线性范围，APD的内阻R越小， 线性范围越大。,不同输入光强下，APD的光电流随偏压的变化,4. APD的温度特性 如图，环境温度的变化对APD 的特性影响很大，当温度升高时， APD的击穿电压VBR也随着上升， 如果APD的工作电压（即高压）不 变，APD的光电检测性能会变弱， 灵敏度降低。,温度对APD的增益-电压特性的影响,APD VBR的温度系数一般约为： 0.1V/,二、 APD高压电路,目前光模块的工作电压一般为3.3V或5V，而APD所需的工作电压高达几十伏。为保证APD的正常工作，需要引入高压电路及相应的温度补偿措施。APD高压电路主要包括升压电路、倍压电路 和温度补偿 三个部分。,1. 升压电路 光模块内部采用的升压电路一般都是非常成熟了的能够实现DC/DC转换功能的 专用升压芯片，如Linear的LT1930、Maxim的MAX1771等。通过DC/DC Converter 能将输入的电源电压（3.3V或5V）转换成20、30几伏的高压输出。 这里提到的Converter是指Boost Converter（升压变换器）。Boost Converter 主要由开关晶体管VT、二极管VD、储能电感L和输出滤波电容C所组成。其电路拓 扑结构及波形如图所示。,电路拓扑,(b)工作波形,升压过程： VT的工作周期Ts = ton+toff，VT在ton期间导通，在 toff期间截止。 在ton期间，电源Uin的能量存储于L中，VT导通， VD反偏，由C向负载供给能量。 在toff期间，VT截止，L中的电流不能突变，产 生感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为右 正左负，VD导通，L中存储的能量经VD、流入C， 并供给负载。, 其中， = ton / Ts 为占空比，当改变时，就能获得所需的上升的电压值。,在实际应用中，DC/DC Converter芯片的输出电压经分压得到的反馈电压与芯片内部的参考电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM控制器（根据误差信号产生不同的占空比来控制信号）来控制功率管的开关。当误差放大器EA的输出增加时，输出的开关电流增加；当EA的输出减小时，输出的开关电流减小，从而实现高压输出的自动调节。,EA,Gate 驱动器,Boost Converter,Converter内部参考电压输入,DC/DC Converter升压原理框图,反馈电压输入,高压输出,2. 倍压电路 虽然DC/DC Converter能输出20、30几伏的电压，但APD的工作电压高达50、60几伏，这就需要将Converter的输出电压进行倍压，以满足APD的工作需要。倍压电路一般由整流二极管和电容构成，对前面介绍的Boost Converter进行倍压，典型的倍压电路如图所示。,倍压过程： VT截止时，L放电，D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，C1两端电压达到VC1（ L产生的反向感应电势）。 VT导通时， L储能，VC1 Va ， D1截止，D2 导通。此时，C1的电荷经过D2对C2充电，直至C2两端电压VC2 =VC1 。 VT再次截止时，L放电，L产生的反向感应电势和C2上的电压联合作用VC2 +VC1 ，通过D3对C3充电，此时C3上的电压就近似为2 VC1 ，实现了二倍压。,3. 温度补偿 APD的温度补偿一般是通过负温度系数的热敏电阻来实现的。热敏电阻（APD内部集成或者外围提供）将环境温度的变化反映到DC/DC Converter的输入反馈电压处，从而控制APD的高压随工作温度的变化而变化。 下面给出一个实际的高压电路，说明高压电路的工作过程。,
