CN104156022A - 雪崩光电二极管偏置电压产生电路、方法及光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种雪崩光电二极管偏置电压产生电路、方法及光模块，雪崩光电二极管偏置电压产生电路为多个雪崩光电二极管提供偏置电压，其包括：升压模块，用于提供一预定偏置电压，预定偏置电压的值大于多个雪崩光电二极管中每一个雪崩光电二极管正常工作所需的电压的值；与升压模块连接的多个电压微调模块，多个电压微调模块将预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。通过这种一路升压，多路电压微调的方式，可以减少升压模块的设置数量，减少占用PCB板的面积，降低成本。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种雪崩光电二极管偏置电压产生电路、方法以及应用其的光模块。
背景技术
光模块技术已经非常成熟，但目前的挑战主要在大容量、低成本、高密度几个方面。低成本、低功耗通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展。小型化光收发模块作为光纤接入网的核心器件推动了干线光传输系统向低成本方向发展，使得光网络的配置更加完备合理。目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。可以说小封装光收发模块技术代表了新一代光通信器件的发展趋势，是下一代高速网络的基石。
一般而言，光模块的接收端是将通过光电二极管实现光电转换，将光信号转换为电流信号。而雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）由于其优异的灵敏度性能，应用非常广泛。而由于40G、100G这种包含了多路收发路径光模块的出现，需要同时对多路（例如4路）APD提供不同的偏置电压。而传统的单路APD偏置电路无论从成本还是面积上已经不适合40G、100G光模块的应用需求。
发明内容
本申请一实施例提供一种雪崩光电二极管偏置电压产生电路，用于为多个雪崩光电二极管提供偏置电压，其成本较低且占用PCB板面积更小，该雪崩光电二极管偏置电压产生电路包括：
升压模块，用于提供一预定偏置电压，所述预定偏置电压的值大于所述多个雪崩光电二极管中每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压的值；
与所述升压模块连接的多个电压微调模块，所述多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。
一实施例中，还包括微处理器，所述微处理器对所述多个电压微调模块分别发送电压微调信号，所述多个电压微调模块根据所述电压微调信号对所述预定偏置电压分别进行调节。
一实施例中，所述电压微调模块包括电流调控单元以及与所述电流调控单元连接的第一电阻，所述电流调控单元通过调整流经所述第一电阻的电流来调整输出至每个雪崩光电二极管的电压。
一实施例中，所述电流调控单元包括运算放大器、三极管以及第二电阻，所述第一电阻与所述三极管的集电极相连，所述三极管的发射极连接至所述第二电阻，所述运算放大器的同相输入端与所述微处理器相连、反向输入端连接至所述三极管的发射极和第二电阻之间、输出端连接至所述三极管的基极。
一实施例中，所述电流调控单元包括运算放大器、场效应管以及第二电阻，所述第一电阻与所述场效应管的漏极相连，所述场效应管的源极连接至所述第二电阻，所述运算放大器的同相输入端与所述微处理器相连、反向输入端连接至所述场效应管的源极和第二电阻之间、输出端连接至所述场效应管的栅极。
一实施例中，所述多个电压微调模块的运算放大器中的至少部分集成于同一芯片上。
一实施例中，所述多个电压微调模块的运算放大器中每4个被集成于同一芯片上，集成有所述运算放大器的芯片型号为OPA4330AIRGYT。
一实施例中，所述多个电压微调模块的三极管两两集成于同一芯片上，集成有所述三极管的芯片型号为BC846BDW1T1G。
本申请的又一实施例提供一种光模块，包括多个光接收单元、光发射单元以及控制所述光接收单元和光发射单元对光信号进行收发的微处理器，所述多个光接收单元分别包括有雪崩光电二极管，所述光模块还包括：
升压模块，用于提供一预定偏置电压，所述预定偏置电压的值大于所述多个光接收单元中每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压的值；
与所述升压模块连接的多个电压微调模块，所述多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管；其中，
所述微处理器还用于对所述多个电压微调模块分别发送电压微调信号，所述多个电压微调模块根据所述电压微调信号对所述预定偏置电压分别进行调节。
本申请的又一实施例提供一种雪崩光电二极管偏置电压产生方法，用于为多个雪崩光电二极管提供偏置电压，该方法包括以下步骤：
升压模块输出大于每个雪崩光电二极管正常工作所需电压值的预定偏置电压；
多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。
与现有技术相比，本申请的技术方案通过采用统一升压模块提供预定偏置电压，相应提供多个电压微调模块对该预定偏置电压进行微调，并提供给各路雪崩光电二极管，由此，避免了设置过多的升压模块，减少了占用PCB的面积且降低了生产成本。
附图说明
图1是本申请一实施例中雪崩光电二极管偏置电压产生电路的模块示意图；
图2是本申请一实施例中雪崩光电二极管偏置电压产生电路的升压模块的电路结构图；
图3是本申请一实施例中雪崩光电二极管偏置电压产生电路的电压微调模块的电路结构图；
图4是本申请一实施例中雪崩光电二极管偏置电压产生方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一电阻可以被称为第二电阻，并且类似地第二电阻也可以被称为第一电阻，这并不背离本发明的保护范围。
参图1，介绍本申请雪崩光电二极管偏置电压产生电路的一实施例，其用于为多个的雪崩光电二极管提供偏置电压，在本实施例中，该雪崩光电二极管偏置电压产生电路包括升压模块11、微处理器12、以及电压微调模块131、132、133、…、13N。
需要说明的是，在以下的一些实施例及附图中，仅仅以4路雪崩光电二极管为例，示范性地阐述本申请的技艺精神，但在实际的应用中，本申请提供的雪崩光电二极管偏置电压产生电路可以根据实际需求对更多数量的雪崩光电二极管提供偏置电压。
配合参照图2，升压模块11用于为多个雪崩光电二极管141、142、143、…、14N提供预定偏置电压VAPD。升压模块11采用能够实现DC/DC转换功能的专用升压芯片及外围电路，如LT3494EDDB。升压模块11将例如3.3V的供电电压升压至大于雪崩光电二极管141、142、143、…、14N正常工作所需的电压的值，并提供给电压微调模块131、132、133、…、13N进一步进行微调。
配合参照图3，微处理器12用于为多路雪崩光电二极管141、142、143、…、14N分别提供电压微调信号。根据每路雪崩光电二极管141、142、143、…、14N的实际所需偏置电压的不同，需要对各路雪崩光电二极管141、142、143、…、14N提供不同的电压微调信号进行微调。具体地，微处理器12的数字模拟转换输出管脚输出针对多路雪崩光电二极管141、142、143、…、14N的多个模拟控制信号DAC，并分别传输至与其连接的多个电压微调模块131、132、133、…、13N中，进行进一步的控制微调。
当然，在一些替换的实施方式中，雪崩光电二极管偏置电压产生电路中也可以不利用微处理器的电压微调信号进行调控，而例如仅仅通过反馈电路或分压电阻的方式将预定偏置电压分别进行调节，并进而提供给各雪崩光电二极管，此种实施方式也应当视为不超脱本申请的技艺精神范围。
在上述的实施例中，由于多路的雪崩光电二极管141、142、143、…、14N实际上共用了同一个升压模块11进行升压，故相对于为多路雪崩光电二极管141、142、143、…、14N分别设置对应的升压模块可以大大地减少占用PCB板的面积，且有效地控制了成本。
电压微调模块131、132、133、…、13N包括电流调控单元以及与电流调控单元连接的第一电阻R28、R23、R30、R29，电流调控单元通过调整流经第一电阻R28、R23、R30、R29的电流来调整输出至每个雪崩光电二极管的电压。其中，第一电阻R28、R23、R30、R29与升压模块11相连。电流调控单元包括由运算放大器、晶体管、以及第二电阻R24、R25、R26、R27组成的闭环负反馈回路。
在一实施例中，晶体管为三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4，第一电阻R28、R23、R30、R29与三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的集电极相连，三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的发射极连接至第二电阻R24、R25、R26、R27，运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+与微处理器12相连、反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-连接于第二电阻R24、R25、R26、R27与三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的发射极之间、输出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD连接至三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的基极。该雪崩光电二极管偏置电压产生电路100还包括微调电压输出端，该微调电压输出端连接至第一电阻R28、R23、R30、R29和三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的集电极之间。
具体工作原理如下：
开始时，运算放大器的反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-是GND，微处理器12发出的电压微调信号分别对应接入运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+，使得运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-产生压差，该压差经运算放大器放大后在输出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD输出高电平，进而三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4导通。
三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4导通后在第二电阻R24、R25、R26、R27分别形成电压反馈到运算放大器的反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-，从而使得运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-之间的压差减小，进而运算放大器的输出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD的电压也变小；如此循环，使得运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相输入端INA-、INB-、INC-、IND-之间的压差几乎为零，稳定整个上述的闭环负反馈回路。
稳定后，闭环负反馈回路得到的电流大小等于运算放大器的同相输入端INA+、INB+、INC+、IND+与第二电阻R24、R25、R26、R27的比值，因此，通过电压微调信号的调控可以改变电流调控单元的电流，从而改变第一电阻R28、R23、R30、R29端的压降。
本实施例中，该雪崩光电二极管偏置电压产生电路100还包括微调电压输出端，该微调电压输出端连接至第一电阻R28、R23、R30、R29和三极管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的集电极之间，通过该微调电压输出端输出电压供给给各个雪崩光电二极管。电压微调信号越大，闭环负反馈回路中的电流越大，第一电阻R28、R23、R30、R29上分到的压降也就越大，从而微调电压输出端分到的压降越小，反之亦然。其中，微调电压输出端的电压计算公式为：
VAPD1=VAPD-VR28；
VAPD2=VAPD-VR23；
VAPD3=VAPD-VR30；
VAPD4=VAPD-VR29。
多个电压微调模块的运算放大器中的至少部分集成于同一芯片上，一实施例中，例如将每4个运算放大器集成于同一芯片上，该集成有多个比较器的芯片型号为OPA4330AIRGYT。三极管两两被集成于同一芯片上，示范性地，例如BC846BDW1T1G。
在又一实施例中，上述的晶体管还可以采用场效应管，示范性地，例如将第一电阻与场效应管的漏极相连，场效应管的源极连接至第二电阻，运算放大器的同相输入端与微处理器相连、反向输入端连接至场效应管的源极和第二电阻之间、输出端连接至场效应管的栅极。本实施例的雪崩光电二极管偏置电压产生电路的具体的工作原理与采用三极管时基本类似，故在此不再赘述。
在本申请的光模块（图未示）的一实施例中，光模块包括多个光接收单元、光发射单元以及控制光接收单元和光发射单元对光信号进行收发的微处理器。
每个光接收单元中分别包括有雪崩光电二极管141、142、143、…、14N，为了给每个雪崩光电二极管141、142、143、…、14N分别提供合适的偏置电压，光模块中还包括上述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路。具体地，升压模块11用于提供一预定偏置电压，该预定偏置电压大于多个光接收单元中每个雪崩光电二极管141、142、143、…、14N正常工作所需的电压的值，与升压模块11连接有多个电压微调模块131、132、133、…、13N，将预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管141、142、143、…、14N正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。在此过程中，光模块的微处理器还用于对多个电压微调模块分别发送电压微调信号，上述的多个电压微调模块根据该电压微调信号对预定偏置电压分别进行调节。
也就是说，在先前雪崩光电二极管偏置电压产生电路100的实施例中所提到的微处理器12与光模块中本身所包含的微处理器是共用的，如此，在应用于光模块时，无需额外地设置微处理器，有利于光模块整体的小型化设计。
参图4，介绍本申请雪崩光电二极管偏置电压产生方法的一实施例。在本实施例中，该方法包括以下步骤：
S1、升压模块输出大于每个雪崩光电二极管正常工作所需电压值的预定偏置电压。
此步骤中，升压模块将例如3.3V的供电电压升压至稍高于雪崩光电二极管工作时所需电压，以便进行后续的微调。
S2、微处理器对与多路雪崩光电二极管对应的多个电压微调模块提供电压微调信号。
每个雪崩光电二极管所对应的最佳工作电压不一，故需要针对每个雪崩光电二极管分别提供不同的电压微调信号，以进行精确控制。
S3、多个电压微调模块将预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。
本实施例中，由于上述的升压模块已预先将供电电压升压至稍高于雪崩光电二极管工作时所需要的电压（即预定偏置电压），故此时外接雪崩光电二极管的微调电压输出端将该预定偏置电压进行分压输出，完成电压微调。
本申请通过上述实施例，具有以下有益效果：采用同一升压模块提供预定偏置电压，微处理器根据各路雪崩光电二极管的具体工作需求分别提供电压微调信号，与各路雪崩光电二极管连接的多个电压微调模块进而分别对预定偏置电压进行微调，并提供给各路雪崩光电二极管，由此，避免了设置过多的升压模块，减少了占用PCB的面积且降低了生产成本。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管偏置电压产生电路，所述雪崩光电二极管偏置电压产生电路为多个雪崩光电二极管提供偏置电压，其特征在于，包括：
升压模块，用于提供一预定偏置电压，所述预定偏置电压的值大于所述多个雪崩光电二极管中每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压的值；
与所述升压模块连接的多个电压微调模块，所述多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，还包括微处理器，所述微处理器对所述多个电压微调模块分别发送电压微调信号，所述多个电压微调模块根据所述电压微调信号对所述预定偏置电压分别进行调节。
3.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述电压微调模块包括电流调控单元以及与所述电流调控单元连接的第一电阻，所述电流调控单元通过调整流经所述第一电阻的电流来调整输出至每个雪崩光电二极管的电压。
4.根据权利要求3所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述电流调控单元包括运算放大器、三极管以及第二电阻，所述第一电阻与所述三极管的集电极相连，所述三极管的发射极连接至所述第二电阻，所述运算放大器的同相输入端与所述微处理器相连、反向输入端连接至所述三极管的发射极和第二电阻之间、输出端连接至所述三极管的基极。
5.根据权利要求3所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述电流调控单元包括运算放大器、场效应管以及第二电阻，所述第一电阻与所述场效应管的漏极相连，所述场效应管的源极连接至所述第二电阻，所述运算放大器的同相输入端与所述微处理器相连、反向输入端连接至所述场效应管的源极和第二电阻之间、输出端连接至所述场效应管的栅极。
6.根据权利要求4或5所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述多个电压微调模块的运算放大器中的至少部分集成于同一芯片上。
7.根据权利要求6所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述多个电压微调模块的运算放大器中每4个被集成于同一芯片上，集成有所述运算放大器的芯片型号为OPA4330AIRGYT。
8.根据权利要求4所述的雪崩光电二极管偏置电压产生电路，其特征在于，所述多个电压微调模块的三极管两两集成于同一芯片上，集成有所述三极管的芯片型号为BC846BDW1T1G。
9.一种光模块，包括多个光接收单元、光发射单元以及控制所述光接收单元和光发射单元对光信号进行收发的微处理器，所述多个光接收单元分别包括有雪崩光电二极管，其特征在于，所述光模块还包括：
升压模块，用于提供一预定偏置电压，所述预定偏置电压的值大于所述多个光接收单元中每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压的值；
与所述升压模块连接的多个电压微调模块，所述多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管；其中，
所述微处理器还用于对所述多个电压微调模块分别发送电压微调信号，所述多个电压微调模块根据所述电压微调信号对所述预定偏置电压分别进行调节。
10.一种雪崩光电二极管偏置电压产生方法，用于为多个雪崩光电二极管提供偏置电压，其特征在于，该方法包括以下步骤：
升压模块输出大于每个雪崩光电二极管正常工作所需电压值的预定偏置电压；
多个电压微调模块将所述预定偏置电压调节至每个雪崩光电二极管正常工作所需的电压并输出至相应的雪崩光电二极管。
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