CN200950235Y - 雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，包括：一升压电路单元，一雪崩光电二极管及温度补偿电路单元，雪崩光电二极管的阴极接升压电路单元的电压输出端，其阳极接地，所述温度补偿电路单元包括：两可调电阻电位器R2’和R4’、一电阻R3’和至少一个二极管D2，其中可调电阻电位器R2’和电阻R3’串联，可调电阻电位器R4’和二极管D2的阳极串联，电阻R3’的输出端和二极管D2的阴极并联接地，两可调电阻电位器R2’和R4’的输入端并联接所述升压电路反馈端子。采用二极管D2进行雪崩光电二极管的测温和温度补偿，充分利用二极管正向压降和温度的线性关系。在整个温度补偿偏压电路中实现了偏置电压的线性补偿。

Description

雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路

技术领域

本实用新型涉及雪崩光电二极管，尤其涉及雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称APD光电二极管)，是具有雪崩倍增效应的光电二极管。APD光电二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用，进而可以探测到微弱的信号光，因此，APD光电二极管被广泛应用于制作高速、高灵敏度要求的光接收设备和系统。APD光电二极管的倍增因子主要受反向偏压大小和温度的影响。反向偏压偏低会导致APD光电二极管增益不够而影响光接收灵敏度，电压偏高也会引起APD光电二极管的倍增因子降低，灵敏度降低，因此，必须精确设定APD的反向偏压。通常反向偏压设置为反向击穿电压的0.9倍，才能达到最佳的倍增效果，以获得最佳灵敏度。但是反向击穿电压对温度敏感，当温度升高时，反向击穿电压升高，具有正温度系数，且是线性的。为了保证APD光电二极管在很宽温度范围内稳定工作，就需要在光电二极管的两端外加具有温度补偿功能的反偏高压电路，即当温度升高时，反向偏压也随之升高，理想的温度补偿是线性补偿，使反向偏压的变化斜率等于反向击穿电压变化斜率，即Vo＝V1+α_APD×T，其中V1是常数，α_APD是APD反向击穿电压的温度系数，T是温度。这样保证在任何温度下，反向偏压都等于反向击穿电压的0.9，使倍增因子恒定。

目前，APD光电二极管具有温度补偿功能的偏压电路有多种，如图1所示利用热敏电阻进行温度补偿的APD反向偏压电路，包括：升压电路单元11、APD接收电路单元13和连接热敏电阻RT的温度补偿电路单元12。在该电路中，升压电路单元11主要采用美国MAXIM公司制造的型号为MAX1771升压芯片，升压电路单元11的输出电压为Vo。升压电路单元11的输出电压Vo端接APD光电二极管的阴极，而APD光电二极管阳极接地，使其形成反向偏压电路。温度补偿电路单元12由电阻R2、R3和R4依顺序串联组成，电阻R2接芯片MAX1771的FB反馈端子管脚，其中电阻R2为可调电阻，电阻R4接地。热敏电阻RT的一端接地，另一端连接于电阻R3和R4之间，电阻R4、电阻RT与一个10K Ohm的电阻并联。其中，升压电路单元11的输出电压Vo满足等式：

$\mathrm{Vo}=\frac{R1}{R2+R3+\frac{R4\×\mathrm{RT}\×10K}{\mathrm{RT}\×10K+R4\×10K+R4\×\mathrm{RT}}}\mathrm{Vref}...\left(1\right)$

Vref为FB反馈端子管脚的参考电压，是稳定不变的。该电路具有反向偏压可调功能，通过调整R2，可以调整输出电压Vo。该电路采用NTC型热敏电阻RT测量APD的温度并完成温度补偿，当温度升高，热敏电阻RT的阻值下降，等式(1)中的分母变小，输出电压Vo升高，从而实现温度补偿。另外通过精心设置与热敏电阻RT并联的电阻R4阻值，可以设置不同的补偿斜率，满足不同APD光电二极管的温度补偿要求。常见的热敏电阻RT有负温度系数NTC型和正温度系数PTC型两种。这两种热敏电阻RT的阻值和温度的关系均为非线性，导致输出电压Vo的补偿只能在一定温度范围内实现近似性的补偿。但是，光收发模块的工作温度很宽，其温度范围通常为-40℃～85℃，这种温度补偿偏压电路在高温或低温时常常出现补偿不足的情况，不能使APD光电二极管在工作温度范围内保持倍增因子不变。

另外一种采用数字电位器进行温度补偿的APD反向偏压电路，如图2所示，该电路将图1所示的温度补偿电路单元12更换成数字电位器进行温度补偿。该温度补偿电路单元14包括电阻部分1401和控制部分1402。电阻部分1401是阶梯式数字电阻器，而控制部分1402用于监视热敏电阻RT电阻值，从而探测出APD光电二极管的温度。升压电路的输出电压的Vo满足等式：

$\mathrm{Vo}=\frac{R1}{R12}\mathrm{Vref}...\left(2\right)$

电阻部分1401的阻值大小为R12，根据输出电压Vo值和APD光电二极管反向击穿电压的温度系数，来确定对应温度的电阻值，并将确定的电阻值提交到电阻部分1401，以便对升压电路的输出电压Vo的补偿。另外数字电位器也可以采用具有温度指针式数字电位器，如Maxim公司芯片DS1859，DS1856，DS1847等。这种芯片具有内部温度传感器和温度查找表，不同温度的电阻值存储在非易失的存储器中。当温度变化时，在对应的地址取相应的电阻值。这些不同温度的电阻值可以通过串行接口设置。简单地说，就是温控电阻，当温度变化时电阻值可以根据预先的设定值变化。具体的电阻值可以根据APD芯片反向击穿电压的温度系数和所需的反向偏置电压设定。该种方法主要缺点是开环控制。另外，由于数字电位器的输出是离散的，在整个温度范围，升压电路输出电压Vo也不是连续的，而是随着温度跳变。补偿精度取决于温度传感器的精度和数字电位器的分辨率。常见具有温度指针的数字电位器的分辨率为8位和10位，分辨率越高，价格也就越高。数字电位器体积较大，占用较多的电路板空间，不适合用于小型封装结构的GBIC、SFF、SFP，XFP等光收发模块。

发明内容

为克服以上缺点，本实用新型提供一种温度补偿斜率可调，补偿线性良好，工作温度范围宽，输出电压随温度连续变化的雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路。

为达到以上发明目的，本实用新型采用如下技术方案：一种雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，包括：一由MAX1523芯片和开关场效应管Q1形成的PWM开关电源升压电路单元，一雪崩光电二极管及温度补偿电路单元，雪崩光电二极管的阴极接升压电路单元的电压输出端，其阳极接地，所述温度补偿电路单元包括：两可调电阻电位器R2’和R4’、一电阻R3’和至少一个二极管D2，其中可调电阻电位器R2’和电阻R3’串联，可调电阻电位器R4’和二极管D2的阳极串联，经串联后电阻R3’的输出端和二极管D2的阴极并联形成所述温度补偿电路单元的输出端接地，两可调电阻电位器R2’和R4’的输入端并联形成所述温度补偿电路单元的输入端并接所述芯片MAX1523的FB反馈端子。

所述二极管D2二极管D2可以选用常用开关二极管或整流二极管，亦可采用测温二极管或三极管。

所述可调电阻电位器R2’和R4’也可以采用数字电位器。

所述升压电路单元的输出端与雪崩光电二极管APD的阴极间连接有一限流保护开关R5。

由于上述偏压电路中的温度补偿电路单元，采用二极管D2进行雪崩光电二极管测温和温度补偿，充分利用二极管正向压降和温度的线性关系。在整个温度补偿偏压电路中实现了偏置电压的线性、连续补偿，灵活的调整升压的斜率和偏移量，成本低，具有很强的适用价值。另外在偏压电路输出端，加入限流电阻，当输入的光过大时，对APD进行保护，以防烧坏。

附图说明

图1表示现有技术采用热敏电阻补偿的偏压电路原理图；

图2表示现有技术采用数字电位器补偿的偏压电路原理图；

图3表示本实用新型雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路原理图；

图4表示图3所示雪崩光电二极管的反向偏压测量值和温度的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型最佳实施例。

如图3所示的雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路图，包括：由MAX1523芯片和开关场效应管Q1形成的PWM开关电源升压电路单元301，一雪崩光电二极管302及温度补偿电路单元303。

升压电路单元301采用Maxim集成产品公司制造的MAX1523芯片和开关场效应管Q1，采用PWM开关电源技术，实现低电压输入高电压输出Vo。在本实施例中，升压电路单元301的输入电压为2.7V～4.2V，则输出电压Vo可高达100V，该芯片封装小，纹波小，非常适合用于GBIC、SFF、SFP和XFP等光收发模块中。

雪崩光电二极管302的阴极连接升压电路单元301的输出端电压Vo，其阳极接地，使雪崩光电二极管302工作在反偏状态。升压电路单元301通过电阻R1，连接到芯片MAX1523的FB反馈端子，同时FB反馈端子连接到温度补偿电路单元303的输入端，而温度补偿电路单元303的输出端接地。

温度补偿电路单元303包括：两可调电阻电位器R2’和R4’、一电阻R3’和至少一个二极管D2。其中，所述可调电阻电位器R2’和电阻R3’串联，可调电阻电位器R4’和二极管D2的阳极串联，经串联后电阻R3’的输出端和二极管D2的阴极并联形成所述温度补偿电路单元303的输出端接地，两可调电阻电位器R2’和R4’的输入端并联形成所述温度补偿电路单元303的输入端接所述芯片MAX1523的FB反馈端子。二极管D2的性能受温度影响较大。当温度升高时，其正向压降V_F下降，即具有负的温度系数。正向压降V_F和温度的关系满足等式

                   V_F＝V_F0-α*T  ……(3)

其中V_F为二极管D2的正向压降，V_F0为常温时二极管D2的正向压降，α为温度系数，为正值，T为温度。实际电路中，二极管D2紧邻于雪崩光电二极管302接收芯片处放置，这样二极管D2的正向电压就能真实反映雪崩光电二极管302温度的变化。二极管D2可以选用常用开关二极管或整流二极管，亦可采用测温二极管和三极管。

根据欧姆定律，升压电路单元301的输出电压Vo满足以下的等式

$\mathrm{Vo}=(1+\frac{R1R{2}^{\′}+R1R{3}^{\′}+R1R{4}^{\′}}{R{2}^{\′}R{4}^{\′}+R{3}^{\′}R{4}^{\′}})\×V_{\mathrm{REF}}-\frac{R1}{R{4}^{\′}}\×V_F...\left(4\right)$

把等式(3)应用到等式(4)，形成等式(5)：

$\mathrm{Vo}=(1+\frac{R1R{2}^{\′}+R1{R3}^{\′}+R1R{4}^{\′}}{R{2}^{\′}R{4}^{\′}+R{3}^{\′}R{4}^{\′}})\×V_{\mathrm{REF}}-\frac{R1}{{R4}^{\′}}\×V_{F0}+\frac{R1}{R{4}^{\′}}\×\mathrm{\α}\×T...\left(5\right)$

从等式(5)可以看出，升压电路单元301的输出电压Vo和温度T是线性关系。升压曲线的补偿斜率由等式(5)的第三项

决定，即升压曲线的斜率为具体应用步骤如下：

首先电阻R1的阻值保持不变，根据APD芯片反向击穿电压温度系数α_APD和二极管D2正向电压温度系数为α，设定R4’，使其满足 ${R4}^{\′}=R1\×\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{APD}}}.$ 根据等式(5)就可以得到以下值：

$\mathrm{Vo}=(1+\frac{R1R{2}^{\′}+R1{R3}^{\′}+R1R{4}^{\′}}{R{2}^{\′}R{4}^{\′}+R{3}^{\′}R{4}^{\′}})\×V_{\mathrm{REF}}-\frac{R1}{{R4}^{\′}}\×V_{F0}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{APD}}\×T$

这样输出电压Vo和温度T的关系就呈线性变化，温度升高，输出电压Vo线性升高，从而保证倍增因子的恒定。如果APD芯片反向击穿温度系数α_APD较大，也可以通过增加二极管D2的串联个数，来增大升压曲线的斜率，另外，必须保证二极管D2在工作温度范围内工作在导通区。

然后，在常温下，调节可调电阻电位器R2’的值，使当前输出电压Vo达到最佳输出电压，即大约反向击穿电压的0.9倍。也可以把APD芯片连接到误码仪，调节可调电阻电位器R2’的值，使其灵敏度达到最佳。

为了生产方便，可调电阻电位器R2’和R4’也可以采用数字电位器，如美国Maxim公司产品DS3904/5，DS3902和美国ADI公司产品AD5172等数字电位器，通过串行接口设置电阻值。

电阻R5是限流保护电阻。防止当输入过高的光功率时引起的光电流超过雪崩光电二极管的承受范围，导致APD芯片烧坏。电阻R5的阻值取1K～20K之间。电阻R5的阻值太大，反向偏压值达不到APD器件正常工作要求；太小起不到APD芯片的限流保护作用。

图4是用该实施例的反向偏压测量值和温度的关系曲线图。从图中可以看出，在整个-40℃～85℃的温度范围内，实现了反向偏压的线性补偿。实验表明，-40℃～85℃不同温度下灵敏度基本维持恒定，变化值小于0.4dBm。

Claims (4)

1、一种雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，包括：一由MAX1523芯片和开关场效应管Q1形成的PWM开关电源升压电路单元，一雪崩光电二极管及温度补偿电路单元，雪崩光电二极管的阴极接升压电路单元的电压输出端，其阳极接地，其特征在于，所述温度补偿电路单元包括：两可调电阻电位器R2’和R4’、一电阻R3’和至少一个二极管D2，其中可调电阻电位器R2’和电阻R3’串联，可调电阻电位器R4’和二极管D2的阳极串联，经串联后电阻R3’的输出端和二极管D2的阴极并联形成所述温度补偿电路单元的输出端接地，两可调电阻电位器R2’和R4’的输入端并联形成所述温度补偿电路单元的输入端并接所述芯片MAX1523的FB反馈端子。

2、根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，其特征在于，所述二极管D2可以选用常用开关二极管、整流二极管、测温二极管或三极管。

3、根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，其特征在于，所述可调电阻电位器R2’和R4’也可以采用数字电位器。

4、根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的温度补偿偏压电路，其特征在于，所述升压电路单元的输出端与雪崩光电二极管APD的阴极间连接有一限流保护电阻R5。

Images