CN103135651A - 基于双闭环的apd反向偏置电压控制电路以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路以及控制方法，所述电路包括：控制电路、反向偏置电压提供电路、电流镜像电路、反馈电路；其中，反向偏置电压提供电路的输入端与控制电路相连，反向偏置电压提供电路输出的电压通过电流镜像电路加载于APD；反馈电路将APD的反向偏置电压反馈到控制电路；控制电路根据反馈电路输出的电压调整其输出到反向偏置电压提供电路的电压。由于采用反馈电路，形成完整的闭环控制，从而控制电路可以调整其输出的控制电压，保证APD上的反向偏置电压的稳定性和精度。

Description

基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路以及控制方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术，尤其涉及一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路以及控制方法。

背景技术

目前的国内市场以及国际市场，高带宽、高速率和多种业务融合的光纤通信方向已经开始应用；在众多的解决方案中，光纤到户(FTTH)的出现便被认为是宽带接入的终极解决方案。国内市场已经大面积应用。

在光纤通信系统中，激光探测器被广泛应用于各种光模块或光端机中，比如应用于设置在光纤通信系统的接入网系统的中心局OLT（Optical LineTerminator，光线路终端）设备中，或者应用于设置在局端的ONU（optical netunit，光网络单元）光模块中，用以进行光信号的探测与接收。

如图1所示，激光探测器中通常包括：ROSA（Receiver OpticalSubassembly，光接收组件）和限幅放大电路；ROSA中包括：光电二极管和TIA（Tranimpedance Amplifier，跨阻放大器）；光电二极管在探测到光信号后，输出相应的响应电流Ipd；一般而言，光电二极管探测的光信号的功率越强，则输出的Ipd越大。

光电二极管具体可以是APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管），也可以是PIN光电二极管（在P、N结之间加进一个接近本征材料的I区，形成PIN结构的半导体光电探测器）。

APD可以比PIN更好的满足光信号的探测与接收的需求。但APD最佳工作条件下需要的反向偏置电压值较高，且对反向偏置电压的精度和稳定性非常敏感，偏离最佳工作电压可使APD性能变差或不可逆的损坏。因此对APD施加稳定性好，精度高且受控的反向偏置电压是APD正常工作的关键。

目前，现有的APD偏压电路如图2所示，其工作原理为：

控制电路输出控制电压到升压电路，升压电路对接收的控制电压进行升压，输出较高电压；现有技术中有多种具体的升压电路，此处不一一介绍；此外，升压电路也可采用集成的升压芯片来实现。

如果，升压电路输出的电压还达不到APD正常工作的电压的要求，则使用倍压电路对升压电路输出的电压进行倍压后，输出更高的电压。通常升压芯片具有反馈功能，集成有反馈电路，可以将升压芯片输出端的电压进行反馈，以调节、保持升压芯片输出端的电压的稳定。

倍压电路输出的电压经电流镜像电路输出到APD，为APD提供反向偏置电压。现有技术中有多种具体的电流镜像电路，此处不一一介绍；此外，电流镜像电路也可采用集成的电流镜像芯片来实现。

然而，在实际应用中，本发明的发明人发现现有技术的APD偏压电路为APD提供反向偏置电压有时会出现与设定值发生较大偏差，也就是现有技术的APD偏压电路输出的电压稳定性不好。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路以及控制方法，用以为APD提供更为稳定的反向偏置电压。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路，包括：控制电路、反向偏置电压提供电路、电流镜像电路、反馈电路；

其中，所述反向偏置电压提供电路的输入端与所述控制电路的输出端相连，所述反向偏置电压提供电路根据加载于其输入端的电压输出为所述雪崩光电二极管APD提供的反向偏置电压；

所述电流镜像电路的输入端与所述反向偏置电压提供电路的输出端相连，所述电流镜像电路的第一输出端与所述APD相连；所述反向偏置电压提供电路输出的电压通过所述电流镜像电路加载于所述APD，作为所述APD的反向偏置电压；

反馈电路的输入端与所述电流镜像电路的第一输出端相连，反馈电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，用于将所述APD的反向偏置电压反馈到所述控制电路；

所述控制电路根据反馈电路的输出端输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出端输出的电压。

其中，所述反向偏置电压提供电路包括：升压电路；所述升压电路的输入端作为所述反向偏置电压提供电路的输入端，所述升压电路的输出端作为所述反向偏置电压提供电路的输出端。

或者，所述反向偏置电压提供电路包括：串联连接的升压电路和倍压电路；所述升压电路的输入端作为所述反向偏置电压提供电路的输入端，所述倍压电路的输出端作为所述反向偏置电压提供电路的输出端，所述升压电路的输出端与所述倍压电路的输入端相连。

其中，所述反馈电路为分压电路。

其中，所述控制电路的输出端具体为数字模拟转换DAC输出端口，其输入端具体为模拟数字转换ADC输入端口。

较佳地，所述电流镜像电路的第二输出端与光功率检测电路相连，所述光功率检测电路用于根据所述电流镜像电路输出的电流检测所述APD接收的光信号的功率。

较佳地，所述升压电路包括升压芯片；所述电流镜像电路包括电流镜像芯片。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制方法，包括：

控制电路接收反馈电路输出的电压；并

根据反馈电路输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出到反向偏置电压提供电路的控制电压；

其中，所述控制电路输出的控制电压加载于所述反向偏置电压提供电路的输入端；所述反向偏置电压提供电路根据加载于其输入端的电压输出为所述APD提供的反向偏置电压；

所述反向偏置电压提供电路的输出端与电流镜像电路的输入端相连，所述电流镜像电路的第一输出端与所述APD相连；所述反向偏置电压提供电路输出的电压通过所述电流镜像电路加载于所述APD，作为所述APD的反向偏置电压；

反馈电路的输入端与所述电流镜像电路的第一输出端相连，反馈电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，用于将所述APD的反向偏置电压反馈到所述控制电路。

其中，所述反向偏置电压提供电路包括：升压电路；或者

所述反向偏置电压提供电路包括：串联连接的升压电路和倍压电路。

其中，所述根据反馈电路输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出到升压电路的控制电压具体包括：

所述控制电路根据反馈电路输出的电压计算所述APD的反向偏置电压，将计算出的电压与所述预先设定的电压值进行比较，根据比较结果调整输出的控制电压。

本发明实施例的APD反向偏置电压控制电路中，由于采用反馈电路向控制电路反馈APD的反向偏置电压形成完整的闭环控制，从而即使在温度变化或电压纹波干扰的情况下，控制电路可以通过反馈电路输出的反馈电压及时获知APD的反向偏置电压偏离设定电压的情况，以及时调整其输出的控制电压，保证APD上的反向偏置电压的稳定性和精度。

附图说明

图1为现有技术的激光探测器内部结构示意图；

图2为现有技术的APD偏压电路的示意图；

图3a和3b为本发明实施例的基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路的示意图；

图4为本发明实施例的反馈电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。

本发明的发明人对现有的APD偏压电路进行分析，发现虽然现有的APD偏压电路中采用了闭环控制的技术来保证升压芯片输出的电压的稳定性，但该闭环系统只是局部的闭环，没有形成完整的闭环控制；若温度变化，或电压纹波等干扰，就会使升压芯片输出的高压值与设定值发生较大偏差；

此外，虽然电流镜像电路在理想情况下可视为电路压降为零，但实际中，电流镜像电路是具有一定压降的；也就是说，输出电流镜像电路的电压比输入电流镜像电路的电压要略低；而电流镜像电路的压降会随温度的变化而变化，从而导致在电流镜像电路的输入电压一定的情况下，其输出电压会随温度的变化而变化，这也导致现有的APD偏压电路输出到APD上的反向偏置电压精度不高。

基于上述分析，本发明的主要思路为，将APD的偏压电路设计成一个完整的闭环系统，且是双闭环的系统，从而可以大大增加电路输出电压的稳定性和精度，而且，不需要增加成本。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明实施例提供的基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路可应用于光模块或光端机中，如图3a或3b所示，包括：控制电路301、反向偏置电压提供电路302、电流镜像电路303、反馈电路305。

其中，控制电路301的输出端与反向偏置电压提供电路302的输入端相连，控制电路301通过其输出端向反向偏置电压提供电路302输出控制电压u1；

反向偏置电压提供电路302根据加载于其输入端的电压，从其输出端输出为APD提供的反向偏置电压；

具体地，反向偏置电压提供电路302中可以包括升压电路311（如图3a所示），升压电路311的输入端作为反向偏置电压提供电路302的输入端，升压电路311的输出端作为反向偏置电压提供电路302的输出端；升压电路311对反向偏置电压提供电路302的输入端输入的电压进行升压后，从反向偏置电压提供电路302的输出端输出，作为反向偏置电压提供电路302的输出端输出的电压u2，为APD提供的反向偏置电压；升压电路中具体可以包括升压芯片。升压芯片具有反馈功能，集成有反馈电路，可以将升压芯片输出端的电压进行反馈，以调节、保持升压芯片输出端的电压的稳定。

或者，反向偏置电压提供电路302中也可以包括串联连接的升压电路311和倍压电路312（如图3b所示），升压电路311的输入端作为反向偏置电压提供电路302的输入端，升压电路311的输出端与倍压电路312的输入端相连，倍压电路312的输出端作为反向偏置电压提供电路302的输出端；升压电路311对反向偏置电压提供电路302的输入端输入的电压进行升压后，输出电压到倍压电路312，倍压电路312对升压电路311输出的电压进行倍压后，从反向偏置电压提供电路302的输出端输出，作为反向偏置电压提供电路302的输出端输出的电压u2，为APD提供的反向偏置电压。

反向偏置电压提供电路302的输出端与电流镜像电路303的输入端相连，电流镜像电路303的第一输出端与APD相连，反向偏置电压提供电路302通过电流镜像电路303将电压施加于APD上，为APD提供了反向偏置电压。

电流镜像电路303的第二输出端与光功率检测电路（图中未标）相连，光功率检测电路根据电流镜像电路303输出的电流检测出APD接收的光信号的功率。

事实上，反向偏置电压提供电路302输出的电压u2可直接加载到APD上，但是，在实际应用中，由于光模块或光端机一般都有接收光功率检测的需求；因此，反向偏置电压提供电路302一般通过电流镜像电路303将电压加载到APD上；而电流镜像电路303的第一输出端输出的电流与其第二输出端输出的电流相等，而流经APD的电流直接反映APD接收的光信号的功率，因此，可以通过检测电流镜像电路303的第二输出端输出的电流来确定APD接收的光信号的功率。电流镜像电路303具体可以包括电流镜像芯片。

反馈电路305的输入端与电流镜像电路303的第一输出端相连，反馈电路305的输出端与控制电路301的输入端相连；从而，反馈电路305将输出到APD的反向偏置电压反馈到控制电路301。

控制电路301进行APD反向偏置电压控制的方法为：控制电路301根据反馈电路305输出的反馈电压uf2与预先设定的电压值，调整其输出的控制电压u1。具体地，控制电路301可以根据反馈电路305输出的反馈电压uf2计算出反馈电路305输入端的电压，即计算出加载在APD上的反向偏置电压；将计算出的电压与预先设定的电压值进行比较，根据比较结果调整其输出的控制电压u1，以实现整个电路的闭环控制。

事实上，电流镜像电路303的第一输出端输出的电压u4（即加载在APD上的反向偏置电压）与控制电路301输出的控制电压u1之间通常具有线性关系；u4与u1之间的线性关系可以事先通过实验而获得；并将u4与u1之间的对应关系保存到控制电路301中；既可以以公式的形式保存在控制电路301中，也可以u4与u1的对照表的形式保存。例如，u4与u1之间的关系可以以公式：u4=k*u1+b来表达；其中，参数k、b为事先通过实验确定出的。

控制电路301根据反馈电压uf2以及反馈电路305的反馈系数，可以计算出电流镜像电路303的第一输出端输出的电压u4（即加载在APD上的反向偏置电压）；将计算出的电压值与预先设定的电压值进行比较，就可以了解到APD上的反向偏置电压偏离设定电压的情况，根据APD上的反向偏置电压偏离设定电压的情况调整控制电压u1，以达到将APD上的反向偏置电压向设定电压的方向进行调整的目的。而调整的方式可根据先验的u4与u1之间的关系来确定。

事实上，反馈电路305将电流镜像电路303的第一输出端输出的电压u4（即加载在APD上的反向偏置电压）反馈至控制电路301，从而形成一个完整的闭环控制系统；该完整的闭环控制系统可以对整个闭环系统中出现的因温度、电源纹波干扰等因素造成的APD上的反向偏置电压偏离设定电压的情况进行反馈、闭环控制，以提高APD反向偏置电压的稳定性；同时，因温度影响而造成的电流镜像电路的压降而导致输出到APD上的反向偏置电压随温度而变化的情况，也可由反馈电路305反馈至控制电路，由控制电路根据反馈进行控制电压的调整，从而提高输出到APD上的反向偏置电压精度。

其中，控制电路301具体可以包括单片机、或MCU（MicroprogrammedControl Unit，微程序控制器）、或CPU（Central Processing Unit，中央处理器）等处理器。控制电路301用以输出控制电压的输出端具体可以是DAC（Digital-to-Analog Converter，数字模拟转换）输出端口，其用以输入反馈电压uf2的输入端具体可以是ADC（Analogto Digital Converter，模拟数字转换）输入端口。

反向偏置电压提供电路302中的升压电路具体可以包括升压芯片；电流镜像电路303具体可以包括电流镜像芯片。

一种具体的反馈电路305如图4所示，为分压电路，由两个串联的电阻构成；其中，电阻R3和电阻R4串联，构成第二串联电路；第二串联电路的一端接地，其另一端与电流镜像电路303的第一输出端相连，作为反馈电路305的输入端；电流镜像电路303的第一输出端的电压u4加载于电阻R3和电阻R4上；电阻R3和电阻R4的连接点作为反馈电路305的输出端，输出经电阻R3和电阻R4分压后的电压作为APD的反向偏置电压的反馈电压uf2。

由电阻R3、R4构成的反馈电路305中的反馈系数为：(R3+R4)/R4；控制电路301根据反馈电压uf2以及反馈电路305的反馈系数R4/(R3+R4)，计算出的电流镜像电路303的第一输出端输出的电压u4（即加载在APD上的反向偏置电压）为：u4=uf2×(R3+R4)/R4。

显然，本领域技术人员还可以其它电路来实现上述反馈电路305的功能，此处不再一一列举。

本发明实施例的APD反向偏置电压控制电路中，由于反馈电路向控制电路反馈APD的反向偏置电压形成完整的闭环控制，从而即使在温度变化或电压纹波干扰的情况下，控制电路可以通过反馈电路输出的反馈电压及时获知APD的反向偏置电压偏离设定电压的情况，以及时调整其输出的控制电压，保证APD上的反向偏置电压的稳定性和精度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制电路，其特征在于包括：控制电路、反向偏置电压提供电路、电流镜像电路、反馈电路；

其中，所述反向偏置电压提供电路的输入端与所述控制电路的输出端相连，所述反向偏置电压提供电路根据加载于其输入端的电压输出为所述雪崩光电二极管APD提供的反向偏置电压；

所述电流镜像电路的输入端与所述反向偏置电压提供电路的输出端相连，所述电流镜像电路的第一输出端与所述APD相连；所述反向偏置电压提供电路输出的电压通过所述电流镜像电路加载于所述APD，作为所述APD的反向偏置电压；

反馈电路的输入端与所述电流镜像电路的第一输出端相连，反馈电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，用于将所述APD的反向偏置电压反馈到所述控制电路；

所述控制电路根据反馈电路的输出端输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出端输出的电压。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述反向偏置电压提供电路包括：升压电路；所述升压电路的输入端作为所述反向偏置电压提供电路的输入端，所述升压电路的输出端作为所述反向偏置电压提供电路的输出端。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述反向偏置电压提供电路包括：串联连接的升压电路和倍压电路；所述升压电路的输入端作为所述反向偏置电压提供电路的输入端，所述倍压电路的输出端作为所述反向偏置电压提供电路的输出端，所述升压电路的输出端与所述倍压电路的输入端相连。

4.如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述反馈电路为分压电路。

5.如权利要求1-4任一所述的电路，其特征在于，所述控制电路的输出端具体为数字模拟转换DAC输出端口，其输入端具体为模拟数字转换ADC输入端口。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述电流镜像电路的第二输出端与光功率检测电路相连，所述光功率检测电路用于根据所述电流镜像电路输出的电流检测所述APD接收的光信号的功率。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述升压电路包括升压芯片；所述电流镜像电路包括电流镜像芯片。

8.一种基于双闭环的APD反向偏置电压控制方法，包括：

控制电路接收反馈电路输出的电压；并

根据反馈电路输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出到反向偏置电压提供电路的控制电压；

其中，所述控制电路输出的控制电压加载于所述反向偏置电压提供电路的输入端；所述反向偏置电压提供电路根据加载于其输入端的电压输出为所述APD提供的反向偏置电压；

所述反向偏置电压提供电路的输出端与电流镜像电路的输入端相连，所述电流镜像电路的第一输出端与所述APD相连；所述反向偏置电压提供电路输出的电压通过所述电流镜像电路加载于所述APD，作为所述APD的反向偏置电压；

反馈电路的输入端与所述电流镜像电路的第一输出端相连，反馈电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，用于将所述APD的反向偏置电压反馈到所述控制电路。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述反向偏置电压提供电路包括：升压电路；或者

所述反向偏置电压提供电路包括：串联连接的升压电路和倍压电路。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述根据反馈电路输出的电压以及预先设定的电压值，调整其输出到升压电路的控制电压具体包括：

所述控制电路根据反馈电路输出的电压计算所述APD的反向偏置电压，将计算出的电压与所述预先设定的电压值进行比较，根据比较结果调整输出的控制电压。

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