CN1276598C - 用于雪崩光电二极管光接收机的温度补偿设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于使用APD(雪崩光电二极管)的APD光接收机系统的温度补偿设备，所述的设备包括温度补偿电路，该补偿电路使用能够通过数据查询进行线性补偿的数字分压器，从而对由APD的温度变化造成的增益的降低进行补偿。

Description

用于雪崩光电二极管光接收机的温度补偿设备

技术领域

本发明涉及一种光接收机系统，更具体地说，涉及一种对与采用雪崩光电二极管(APD)的光接收设备中的温度相关的性能损失进行补偿的温度补偿设备。

背景技术

当光入射到光二极管，并且将反向偏置电压按照递增的方式逐渐施加到其上时，产生了电子，并且电子在高电场中得到加速，从而导致原子相互碰撞。结果，发生了雪崩现象，其中会产生新的电子和空穴。雪崩光电二极管(APD)用来将光信号转换为电信号，并且作为光通信系统中的光接收元件。此外，APD具有适合用于高速数字线路中的特性。

而且，APD具有自己的增益控制，并且能够检测非常低能级的光。因此，APD为在光纤接收机中寻求最佳敏感度的开发人员所偏好。

然而，为了获得足够这样的内部增益水平，需要向APD提供高偏置电压(30到40V)。APD还具有对温度敏感的增益特性。因此，在不仅用于获得APD的恒定增益、而且提供高电压的采用APD的光接收系统中，需要补偿电路对温度的变化进行补偿。此外，APD的缺陷在于：由于雪崩现象所造成的电流放大效应，因此，其信噪比(S/N)和偏置电压趋向于较高及具有较高的温度依赖性。

当前，包括APD的控制电路使用已知为PWM(脉宽调制)的电源开关技术，该技术用于使用来自电源产生器(power generator)的较小电流，对较高电平的电压进行放大。

例如，由位于120 San Gabriel Dr.，Sunnyvale，CA，USA的Maxim集成产品公司制造的“MAXIM 1771”芯片被普遍用作对电压进行放大的核心芯片。该芯片的电压电平依据温度的变化而改变。依据温度变化的电压电平的改变受到施加到芯片的反馈端子的电压电平的控制。由此，电压变化的范围可以由反馈端子来控制和确定。通过将用来控制表示电压变化的斜率的电阻、以及与在APD中包括的热敏电阻连接并且用来依据温度来提供电阻的线性品质的电阻进行组合，可以形成温度补偿电路。

图1示出了传统的APD光接收机系统的配置。如图所示，传统的APD光接收机系统包括：电压产生部分11，用于使用低电压输入来产生和输出较高的反向偏置电压；APD接收部分13，其具有APD 131、以及用于感知APD中的温度变化的热敏电阻132；以及，温度补偿部分12，用于对由APD 131中的温度变化造成的增益下降进行补偿，从而使电压产生器11能够产生线性化的输出电压。

图2更详细地示出了图1所示的传统的APD光接收机系统的配置。

参考图2，电压产生部分11包括前面提到的“MAXIM 1771”芯片，并且使用PWM电源开关技术；电压产生部分11响应5V到8V的输入电压，产生在30V到40V的范围内的反向配置电压。在工作时，随着温度的增加，与电压产生部分11的输出Vo连接的APD 131遭受到增益系数以0.2％/℃的降低。因此，为了使接收敏感度保持在恒定不变的水平，需要按照与温度增加速率相同所速率增加反向偏置。

为了依据温度来增加反向偏置，温度补偿部分12的电阻与APD的热敏电阻132并联，从而可以依据温度的变化来调整电阻的变化率，以便产生处于恒定电平的输出电压Vo。这可以通过将温度补偿部分12的所选择的电阻R2、R3和R4与电路的热敏电阻132的电阻RT进行组合来实现，作为组合的结果，可以依据以下的等式1来控制电压产生部分11的输出电压Vo的范围，所述的等式1定义了参考电压Vref和输出电压Vo之间的关系。

等式1

$\mathrm{Vo}=\mathrm{Vref}\×\left[\frac{R1}{R2+R3+\left(\frac{R4\×\mathrm{RT}}{R4\×\mathrm{RT}}\right)}\right]$

在上述的实例中，依据由包括“Maxim 1771”芯片的电压发生器11的电源开关来进行电压产生，并且由于电压产生由依据等式1所定义的比率的电压放大组成，相关的电阻R2和R3依据温度的变化，分别控制电压放大的斜率增益、以及APD的温度线性化。这里，在图3a和3b中示出了由R1和R2确定的电压的变化和放大。

图3a示出了并联电阻值RT和温度之间的关系。具体地说，X轴表示APD 131的温度，Y轴表示热敏电阻132的电阻值。图3b示出了输出电压Vo和温度之间的关系。具体地说，X轴表示APD 131的温度，Y轴表示这个电路的输出电压Vo。

更详细地参考该传统的APD光接收机系统的操作，其中需要考虑电压放大的整个斜率、以及在温度补偿器12中的电阻R2的电压幅度。还需要通过改变与热敏电阻132并联的温度补偿器12的热敏电阻，依据温度的变化来调整电阻变化的线性。

然而，每一个APD 131具有用于获得内部增益系数所需要的不同的反向偏置电压值，并且电压的变化对温度补偿器12的电阻值R2和R3的改变较敏感。因此，只要将APD 121替换在电路板中，并且环境温度发生变化时，就需要设置温度补偿器12的电阻R2和R3，以便保持恒定的接收敏感度，即，以便使输出电压线性化。如果如图2所示，使电阻R2作为可变电阻来使接收敏感度保持恒定，则可能会在整个温度变化区域的起始和结束端满足0.2％/℃的宏观条件。然而，不可能在整个温度范围内获得0.2％/℃的电压变化率。同时，即使可以获得这样的电压变化率，也需要对每一个电阻值R2和R3进行调整。此外，难以如等式1那样使电阻值线性化，等式1需要使电阻值由模拟方法表示为分数等式。

发明内容

因此，通过提供一种用于APD光接收机系统的温度补偿电路，已经提出了本发明，以便解决在现有技术中所存在的上述问题，并且本发明提供了另外的优点，所述的温度补偿电路在对由APD(雪崩光电二极管)的温度变化组成的增益的降低进行补偿时，能够依据预定的标准来进行线性补偿。

在一个实施例中，提出了一种在雪崩光电二极管(APD)光接收机中使用的温度补偿设备，包括：

电压产生部分；

光接收部分，其具有APD、以及用于感知所述的APD中温度变化的热敏电阻；

控制部分，其与热敏电阻连接，并且以这样的方式执行控制，即，该控制部分从热敏电阻接收第一电阻值，通过使用该第一电阻值来确定APD的温度数据，确定与该第一电阻值对应的输出电压数据，并且依据输出电压数据确定用于产生输出电压的第二电阻值；以及

电阻部分，用于将第二电阻值输入到电压产生部分的输入端子；

所述的控制部分包括：

电阻控制部分；

温度感知部分，其与热敏电阻连接，并且用于从热敏电阻接收第一电阻值，并且将此第一电阻值传送到电阻控制部分；

温度-电阻存储部分，用于存储依据第一电阻值的APD温度数据；

温度-电压存储部分用于存储依据APD的温度的输出电压数据；

初始值存储部分，用于存储包括参考电压值、输出电压与第二电阻值之间的关系数据的初始值；

对该电阻控制部分进行配置，以便：将从温度感知部分中接收到的第一电阻值传送到温度-电阻存储部分，并且依据第一电阻值接收温度数据，然后将接收到的温度数据传送到温度-电压存储部分，并且依据该温度来接收输出电压数据；然后再将接收到的输出电压数据传送到初始值存储部分，并且依据该输出电压来传送第二电阻值的数据；以及

电阻值设置部分，用于从电阻控制部分接收第二电阻值的数据，并且将第二电阻值的数据传送到所述的电阻部分。

附图说明

从结合附图所采用的以下详细描述中，本发明的上述特征和优点将变得更加明显，

图1示出了传统的APD光接收机系统的配置；

图2详细地示出了图1所示的传统APD光接收机系统的配置；

图3a和3b示出了依据传统的温度补偿过程的电压变化和放大的方式；

图4是包括依据本发明的一个实施例的温度补偿设备的APD光接收机系统的配置；

图5示出了依据本发明的一个实施例的温度补偿设备的配置；

图6a和6b是分别示出了电阻对温度、以及电压对温度的曲线图，其中提供了依据本发明的温度补偿设备；以及

图7是依据本发明的一个实施例的温度补偿设备的操作流程图。

具体实施方式

此后，将参考附图对本发明的优选实施例进行描述。出于简化和阐明的目的，由于可能使本发明的主旨不清楚，因此省略对其中包括的已知功能和配置的详细描述。

图4示出了具有依据本发明的一个实施例的温度补偿设备的APD光接收机系统的配置。如图所示，电压产生部分11可以包括由位于120SanGabriel Dr.，Sunnyvale，CA，USA的Maxim集成产品公司制造的“MAXIM 1771”芯片，并且使用PWM电源开关技术，以便用最小的电流对电压进行放大；电压产生部分11响应5V到8V的输入电压，产生在30V到40V的范围内的反向配置电压。注意，APD 131与其中所包括的Maxim芯片无关，并且与电压产生部分11的输出Vo连接，该APD 131遭受到由于APD的内在特性造成的、依据温度的增加而增益系数以0.2％/℃降低。使用半导体的PN结来制造APD。如果电压由击穿电压来施加，则发生雪崩效应，从而可以发出高电流。由此，当温度增加时，由于热激励效应使暗电流增加。因此，降低了光电率(photoelectric rate)。因此，需要按照与温度的增加相同的变化率来增加反向配置电压，以使接收敏感度保持恒定。为了按照这种方式依据温度来增加反向电压，则通过温度补偿部分12来控制电压产生器11的输入电压，该温度补偿部分12与电压产生部分11的输入连接，用于控制电压产生器11的输入电压，从而依据温度对输出电压的变化进行补偿。

温度补偿部分12包括电阻部分401和控制部分402。配置的控制部分402用于接收热敏电阻132的电阻值；从该电阻值中识别APD 131的温度，确定与该电阻值对应的Vo，然后将确定的电阻值提交到电阻部分401，以便对Vo进行补偿，从而使电阻部分401表示对应的电阻值。注意，每一个APD制造商提供用于依据室温下APD的增益系数施加到APD的反向偏置电压Vo的数据表。由于如先前所述的，由温度变化造成的增益系数的变化率为0.2％，如果确定了室温下的Vo，则依据温度变化的Vapp(依据温度的变化施加到APD分反向偏置电压)依据Vo以0.2％变化。

电阻部分401依据其阶梯式数字电阻器，输出由控制部分402传输的电阻值，从而控制电压产生部分11的输入电压电平，下面将会参考图5对此进行详细的解释。注意：所述的阶梯式数字电阻器是在0～10kΩ(or20/25kΩ)的范围内具有1024(10位)分辨率的数控寄存器。

图5是依据本发明的一个实施例的温度补偿设备的实例的配置。简要地说，该温度补偿设备包括：控制部分402，用于感知APD 131的温度，并且进行控制，从而可以控制对由于温度变化造成的电压产生部分的输出电压的降低进行补偿；以及，电阻部分401，用于依据控制部分402的控制输出来输出电阻值。

控制部分402包括：与热敏电阻132连接的温度感知部分51，其中，温度感知部分51从热敏电阻器132接收电阻值RT，并且将该电阻值传送到电阻控制部分52；温度-电阻RT存储部分53，用于依据热敏电阻132的电阻值，存储APT 131的与温度有关的数据；温度-电压Vo存储部分54，用于依据APD 132的温度，存储输出电压Vo的数据；以及，初始值存储部分55，用于存储包括参考电压Vref值和与电阻R有关的电压Vo的数据。设置的电阻控制部分52用于进行控制，从而使电阻控制部分52将从温度感知部分51中接收到的电阻值RT传送到温度-电阻RT存储部分53，并且从温度-电阻RT存储部分53中接收对应的温度数据，然后将接收到的温度数据传送到温度-电压Vo存储部分54，并且接收对应的输出电压Vo数据，然后再将接收到的输出电压Vo数据传送到初始值存储部分55，从而计算并且传送依据输出电压Vo的电阻值R；然后，电阻值设置部分56从电阻控制部分52接收电阻值R，并且将该电阻值R传送到电阻部分401，从而使电阻部分401能够设置对应的电阻。

依据输入电压Vo的电阻值R的数据计算如下：

首先，注意MAX 1771的电压产生部分满足以下的等式1：

$\mathrm{Vo}=\mathrm{Vref}\×\left[\frac{R1}{R2+R3+\left(\frac{R4\×\mathrm{RT}}{R4+\mathrm{RT}}\right)}\right]V$

当将数字电阻器应用到上述等式1中时，形成了以下的等式2。

等式2

$\mathrm{Vo}=\mathrm{Vref}\×\left[\frac{R1}{\mathrm{Rp}1+\mathrm{Rp}2}\right]V$

此时，使用室温下的Vo(由所述的数据表提供)、Vref、R1和V(施加电压)来获得Rp值。在获得两段(channel)数字分压器的情况下，Rp1是固定值输入，而Rp2依据温度自动变化：Rp＝Rp1+Rp2。

在该数字分压器中，当提供信息来在微型控制器中计算Rp2的值时，再次在Vo中获得从数据表中提供的值。同时，在温度不是室温的情况下，通过应用0.2％/℃来获得Vo值，并且还获得R2的值。结果，计算此依据温度输入Rp2值的等式。

因此，计算提供给APD的电压，并且通过将等式中的Vo输入到等式2来计算Rp2，然后通过将Rp2值的信息发送到数字分压器来输出Vo。总而言之，通过计算Rp2值、将计算得到的Rp2应用到电路中、以及输出所期望的Vo值，可以获得能够保持某温度下的增益系数的Vo。

注意，如果依据控制部分402对其值进行确定的电阻部分401由传统的数字分压器组成，则可以对电阻部分401进行构造，以使其输出在1kΩ到10kΩ范围内的电阻值，这是由于目前可用到的高规格的分压器具有两段、256级的电阻值。

图6a和6b分别示出了当实现了上述的温度补偿设备时，温度对电阻、以及温度对电压的曲线图。在图6a中，X轴表示APD 131的温度、Y轴表示热敏电阻132的电阻值。在图6b中，X轴表示APD 131的温度，Y轴表示这个电路的输出电压。

图7是示出了依据本发明的教导的温度补偿设备的操作步骤的流程图。首先，本发明的温度补偿设备存储在APD 131的温度和热敏电阻RT之间的关系数据、APD 131和输出电压Vo之间的关系数据、以及输出电压Vo和电阻R之间的关系数据(步骤701)。

然后，温度补偿设备确认其是否需要改变形成热敏电阻和APD 31的温度之间的关系的温度系数(步骤702)。如果需要改变此温度系数，则温度补偿设备通过使用“Stenhart&Hart”等式，准备热敏电阻和APD的温度之间的新的关系数据(步骤703)。即，感到APD 131的替换，并且存储在APD的热敏电阻的电阻和温度之间的新的关系数据。

简要地说，用于模拟热敏电阻的电阻对温度特性的Steinhart&Hart等式的归纳如下：(在以下所列中，A、B和C是用于热敏电阻的常数系数，R是以欧姆为单位的电阻，T是以开尔文为单位的温度)

$\frac{1}{T}=A+B\left(\ln \left(R\right)\right)+C{\left(\ln \left(R\right)\right)}^3$

注意，Steinhart&Hart等式定义了依据温度的电阻。在以上的等式中，当每一个热敏电阻的传输A、B和C不同时，T值由依据APD的温度而变化的R获得。由于将上述等式输入到微型控制器中，当前的温度由电阻值来监控，当温度发生变化时，将所述的电阻值传输到微型控制器。

在此之后，存储新准备的数据来替换所存储的数据(步骤704)。

如果温度系数已经改变，或者如果不需要改变温度系数，则装入在APD 131所存储的温度和热敏电阻RT的电阻之间的关系数据(步骤705)，并且连续地对APD 131的温度进行监控。由此，对热敏电阻RT的变化进行监控。

如果APD 131的温度(即热敏电阻的电阻值RT)发生变化(步骤707)，则通过APD的温度和输出电压Vo之间的关系数据，查询依据对应的温度的输出电压Vo(步骤708)。通过使用依据查询温度的输出电压Vo，设置并且输出电阻R，从而满足以下的等式“Vo＝Vref×R”(步骤709)。

如上所述，可以为APD接收机系统提供数控温度补偿设备，与传统的模拟温度补偿电路相比，所述的温度补偿设备具有简单的结构、以及精确的接收灵敏度。此外，依据本发明的教导，即使使用了具有不同增益系数的各个APD，也可以保持对由温度变化造成的电压变化进行补偿，从而克服了电阻调试的不确定的限制，作为结果，可以保持增加的接收灵敏度，而与使用的APD的类型无关。

虽然已经参考特定的优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解：在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (2)

1.一种在雪崩光电二极管(APD)光接收机中使用的温度补偿设备，包括：

电压产生部分；

光接收部分，其具有APD、以及用于感知所述的APD中温度变化的热敏电阻；

控制部分，其与热敏电阻连接，并且以这样的方式执行控制，即，该控制部分从热敏电阻接收第一电阻值，通过使用该第一电阻值来确定APD的温度数据，确定与该第一电阻值对应的输出电压数据，并且依据输出电压数据确定用于产生输出电压的第二电阻值；以及

电阻部分，用于将第二电阻值输入到电压产生部分的输入端子；

所述的控制部分包括：

电阻控制部分；

温度感知部分，其与热敏电阻连接，并且用于从热敏电阻接收第一电阻值，并且将此第一电阻值传送到电阻控制部分；

温度—电阻存储部分，用于存储依据第一电阻值的APD温度数据；

温度—电压存储部分，用于存储依据APD的温度的输出电压数据；

初始值存储部分，用于存储包括参考电压值、输出电压与第二电阻值之间的关系数据的初始值；

对该电阻控制部分进行配置，以便：将从温度感知部分中接收到的第一电阻值传送到温度—电阻存储部分，并且依据第一电阻值接收温度数据，然后将接收到的温度数据传送到温度—电压存储部分，并且依据该温度来接收输出电压数据；然后再将接收到的输出电压数据传送到初始值存储部分，并且依据该输出电压来传送第二电阻值的数据；以及

电阻值设置部分，用于从电阻控制部分接收第二电阻值的数据，并且将第二电阻值的数据传送到所述的电阻部分。

2.根据权利要求1所述的温度补偿设备，其特征在于：所述电阻部分是具有多级电阻值的数字分压器。

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