CN213426170U - 一种提升apd接收机灵敏度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提升APD接收机灵敏度的装置，包括依次连接的温度采集模块、单片机模块、数模转换模块、电压调整模块和APD接收机；温度采集模块获取APD接收机工作的环境温度，并传送至单片机模块；单片机模块根据温度信息获取相应的DAC值，并将DAC值发送到数模转换模块中；数模转换模块将DAC值转换为电压值VAPD_FB；电压调整模块将电压值VAPD_FB转换为工作偏置电压VAPD，并输出至APD接收机。本实用新型通过单片机模块控制DAC输出，经过数模转换模块控制电压调整模块，即控制电压调整模块输出的APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，精准适配提供不同的APD光器件最佳工作电压。

Description

一种提升APD接收机灵敏度的装置

技术领域

本实用新型涉及激光光电技术领域，尤其涉及一种提升APD接收机灵敏度的装置。

背景技术

10G SFP+ 超长距光模块，使用高灵敏度APD接收机，APD接收机需要外加反向偏置高压，达到接收机高接收灵敏度的性能要求。

APD探测器的工作原理是：雪崩光电二极管（APD）利用入射光信号转换成半导体器件内的光电子，在此基础上，利用反向偏置电压产生的雪崩击穿原理对光电子进行雪崩式放大，具有响应速度高、响应速度快，体积小等突出优点，主要应用于光电通信领域中。APD有一个最佳的工作电压，小于此工作电压倍增因子较小，灵敏度变低；大于此工作电压，倍增因子变大的同时噪声也放大，信噪比变低，灵敏度也会下降。

目前市场上已有的APD探测器反向偏置电压生成电路多是固定电压值模式，通常在光模块电路设计中，设置输出一个固定电压值电源，供给APD接收机器件的反向的偏置高压电源使用。而APD接收机实际使用中会遇到不同的环境温度，所以会有不同的最佳工作点及性能参数。例如，APD接收机在高温下工作时需45V偏置电压，常温下需要40V偏置电压，低温下需要30V偏置电压，传统设计APD反向偏置电压不随温度变化或者是粗略的范围变化，不能实现探测器模块的最优性能。鉴于现有的驱动电路温度适应性差，现提出一种可根据温度自适应调节APD所需反向偏置电压的电路。

实用新型内容

技术目的：针对现有技术中APD工作电压不能进行调节，导致APD工作性能下降的缺陷，本实用新型公开了一种提升APD接收机灵敏度的装置，通过单片机模块控制DAC输出，DAC输出经过数模转换模块控制电压调整模块，即控制电压调整模块输出的APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，精准适配提供不同的APD光器件最佳工作电压。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种提升APD接收机灵敏度的装置，包括依次连接的温度采集模块、单片机模块、数模转换模块、电压调整模块和APD接收机；所述温度采集模块用于获取APD接收机工作的环境温度，并将采集到的温度信息传送至单片机模块；所述单片机模块用于根据温度信息获取相应的DAC值，即APD接收机所需要的工作偏置电压的电压数值，并将DAC值发送到数模转换模块中；所述数模转换模块用于将DAC值转换为电压值VAPD_FB，并输出至VAPD_FB接头；所述电压调整模块与VAPD_FB接头连接，用于将电压值VAPD_FB转换为APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，并输出至APD接收机，为APD接收机供电。

优选地，所述单片机模块包括MCU芯片，所述MCU芯片的型号为EFM32ZG108。

优选地，所述温度采集模块采用集成在MCU芯片中的温度传感模块，来获取环境温度。

优选地，所述单片机模块还包括电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述电阻R3的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚8连接；电阻R4的一端接VCC电源接头，另一端与MCU芯片的引脚10连接；所述电阻R5的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚21连接。

优选地，所述数模转换模块包括数模转换芯片和运算放大器，数模转换芯片的型号为AD5602；运算放大器的型号为LMV881。

优选地，所述数模转换模块包括数模转换芯片、运算放大器、电阻R31、电阻R28、电阻R29、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R30、电容C20和电容C38；

所述数模转换芯片的引脚1通过电阻R31接地，数模转换芯片的引脚2和引脚3分别与MCU芯片的引脚24和引脚13连接，数模转换芯片的引脚4接电源接头，数模转换芯片的引脚5接地，数模转换芯片的引脚5和引脚6之间串联电容C20，数模转换芯片的引脚6通过电阻R29和电阻R28与MCU芯片的引脚8连接，所述MCU芯片的引脚8为IDAC接头；

所述运算放大器的引脚1通过电阻R42与数模转换芯片的引脚4连接，运算放大器的引脚1通过电阻R44接地，运算放大器的引脚2接地，运算放大器的引脚3通过电阻R29和电阻R43与数模转换芯片的引脚6连接，运算放大器的引脚3通过电阻R30与运算放大器的引脚4连接，运算放大器的引脚5和引脚6短接后，依次连接电源接头、电容C38和地；运算放大器的引脚4作为VAPD_FB接头，输出电压值VAPD_FB。

优选地，所述电压调整模块采用BOOST升压电路。

优选地，所述BOOST升压电路包括升压芯片、电阻R6、电阻R11、电阻R15、电阻R16、电阻R22、电阻R24、电阻R27、电容C26、电容C30、电容C31、电容C35、电感L3和光电二极管VVD1；所述升压芯片的引脚5与VAPD_FB接头相连；

所述升压芯片的引脚2接电源接头，升压芯片的引脚2通过电容C30接地，升压芯片的引脚2通过电感L3与升压芯片的引脚14、引脚15连接，升压芯片的引脚15与光电二极管VVD1的正极端连接，光电二极管VVD1的负极端与升压芯片的引脚13连接，升压芯片的引脚13通过电容C31接地，升压芯片的引脚13通过电阻R22与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27和电容C35与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27、电容C35和电阻R24与升压芯片的引脚17连接，升压芯片的引脚17、引脚8、引脚16和引脚1短接后接地，升压芯片的引脚9、引脚10和引脚7分别通过电阻R11、电阻R15、电阻R16接地，升压芯片的引脚3通过电阻R6接电源接头，升压芯片的引脚3通过电容C26接地，升压芯片的引脚12输出APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD。

有益效果：本实用新型通过单片机模块控制DAC输出，DAC输出经过数模转换模块控制电压调整模块，即控制电压调整模块输出的APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，精准适配提供不同的APD光器件最佳工作电压；另外，本实用新型中，根据校准后的温度查找表，单片机模块控制DAC的输出实现VAPD电压值变化，在不同的环境温度下，实时调整提供接收机光器件所需要的最佳APD工作电压电源，实现APD接收机获得最佳工作性能。

附图说明

图1为本实用新型的总结构示意图；

图2为实施例中数模转换模块电路结构图；

图3为实施例中BOOST升压电路的电路结构图；

图4为实施例中单片机模块的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的一种提升APD接收机灵敏度的装置做进一步的解释和说明。

本实用新型中产出并控制光模块中雪崩光电二极管（APD：avalanchephotodiode）的工作偏置电压VAPD，通过该可变的工作偏置电压VAPD来控制APD的雪崩增益，优化光模块的灵敏度特性。APD接收机需要的高压VAPD偏置电源，使用MP3430（90VStep-UP Converter with APD Current Monitor）实现，VAPD提供给接收机ROSA的APD高压，VAPD通过外围电阻和反馈VAPD_FB调节电压值，VAPD_FB是通过MCU（微控制单元：Microcontroller Unit）通过I2C控制DAC（数模转换器：Digital to Analog Converter）AD5602输出VOUT来调节了，故最终通过MCU的I2C接口来控制DAC对APD高压输出值进行调节。

如附图1所示，一种提升APD接收机灵敏度的装置，包括依次连接的温度采集模块、单片机模块、数模转换模块、电压调整模块和APD接收机；温度采集模块用于获取APD接收机工作的环境温度，并将采集到的温度信息传送至单片机模块；单片机模块用于根据温度信息获取相应的DAC值，即APD接收机所需要的工作偏置电压的电压数值，并将DAC值发送到数模转换模块中；数模转换模块用于将DAC值转换为电压值VAPD_FB，并输出至VAPD_FB接头；电压调整模块与VAPD_FB接头连接，用于将电压值VAPD_FB转换为APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，并输出至APD接收机，为APD接收机供电。

如附图4所示，单片机模块包括MCU芯片，所述MCU芯片的型号为EFM32ZG108，温度采集模块采用集成在MCU芯片中的温度传感模块，来获取环境温度。单片机模块还包括电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述电阻R3的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚8连接；电阻R4的一端接VCC电源接头，另一端与MCU芯片的引脚10连接；所述电阻R5的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚21连接。

数模转换模块包括数模转换芯片U20和运算放大器U3，数模转换芯片U20的型号为AD5602；运算放大器U3的型号为LMV881。

如附图2所示，数模转换模块包括数模转换芯片U20、运算放大器U3、电阻R31、电阻R28、电阻R29、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R30、电容C20和电容C38；

数模转换芯片U20的引脚1通过电阻R31接地，数模转换芯片U20的引脚2和引脚3分别与MCU芯片的引脚24和引脚13连接，即CDR_SCL接头和CDR_SDA接头，数模转换芯片通过这两个引脚与ADC器件进行通信，数模转换芯片U20的引脚4接电源接头，数模转换芯片U20的引脚5接地，数模转换芯片U20的引脚5和引脚6之间串联电容C20，数模转换芯片U20的引脚6通过电阻R29和电阻R28与MCU芯片的引脚8连接，所述MCU芯片的引脚8为IDAC接头；

运算放大器U3的引脚1通过电阻R42与数模转换芯片U20的引脚4连接，运算放大器U3的引脚1通过电阻R44接地，运算放大器U3的引脚2接地，运算放大器U3的引脚3通过电阻R29和电阻R43与数模转换芯片U20的引脚6连接，运算放大器U3的引脚3通过电阻R30与运算放大器U3的引脚4连接，运算放大器U3的引脚5和引脚6短接后，依次连接电源接头、电容C38和地；运算放大器U3的引脚4作为VAPD_FB接头，输出电压值VAPD_FB。

MCU控制DAC输出，DAC输出经过差分运放电路，即运算放大器偏置电压U3偏置电压的相应电路，控制BOOST升压电路的反馈管脚，来控制BOOST电路输出的APD工作偏置电压VAPD电压值，精准适配提供不同的APD光器件最佳工作电压。

DACAD5602、运放LMV881加上外围电路构成的差分放大电路，输出MCU芯片反馈VAPD_FBVFB，VFB的电压值由DACAD5602输出电压值Vout决定。公式为：VFB电压=R30/R43×(Vout-VCC)=150/1000×(Vout -VCC)。MCU通过I2C控制AD5602 DAC输出电压VOUT=VDD×D/2 ⁿ。

通过MCU读取热敏电阻的值，并根据查找表进行调整DAC的输出实现VAPD电压值变化，来保证在该环境温度下器件所需要的最佳APD工作电压。

如附图3所示，电压调整模块采用BOOST升压电路，BOOST升压电路包括升压芯片、电阻R6、电阻R11、电阻R15、电阻R16、电阻R22、电阻R24、电阻R27、电容C26、电容C30、电容C31、电容C35、电感L3和光电二极管VVD1；所述升压芯片的引脚5与VAPD_FB接头相连；

升压芯片的引脚2接电源接头，升压芯片的引脚2通过电容C30接地，升压芯片的引脚2通过电感L3与升压芯片的引脚14、引脚15连接，升压芯片的引脚15与光电二极管VVD1的正极端连接，光电二极管VVD1的负极端与升压芯片的引脚13连接，升压芯片的引脚13通过电容C31接地，升压芯片的引脚13通过电阻R22与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27和电容C35与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27、电容C35和电阻R24与升压芯片的引脚17连接，升压芯片的引脚17、引脚8、引脚16和引脚1短接后接地，升压芯片的引脚9、引脚10和引脚7分别通过电阻R11、电阻R15、电阻R16接地，升压芯片的引脚3通过电阻R6接电源接头，升压芯片的引脚3通过电容C26接地，升压芯片的引脚12输出APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD。

综上所述，温度采集模块获取APD接收机工作的环境温度后，将采集到的温度信息传送至单片机模块；单片机模块根据温度信息获取相应的DAC值，即APD接收机所需要的工作偏置电压的电压数值，并将DAC值通过IDAC引脚，即MCU芯片引脚8发送到数模转换模块中；数模转换模块用于将DAC值转换为电压值VAPD_FB，并输出至VAPD_FB接头；电压调整模块与VAPD_FB接头连接，用于将电压值VAPD_FB转换为APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，并输出至APD接收机，为APD接收机供电。

本实用新型通过单片机模块控制DAC输出，DAC输出经过数模转换模块控制电压调整模块，即控制电压调整模块输出的APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，精准适配提供不同的APD光器件最佳工作电压；另外，本实用新型中，根据校准后的温度查找表，单片机模块控制DAC的输出实现VAPD电压值变化，在不同的环境温度下，实时调整提供接收机光器件所需要的最佳APD工作电压电源，实现APD接收机获得最佳工作性能。

电压调整模块除了采用上述BOOST升压电路，也可以采用以下方式代替：VAPD_FB反馈不通过外部控制，直接通过上下电阻R22，电阻R24的不同阻值，设置为固定的电压值输出。

通过设置MCU设置不同DAC值，样品在（25℃、60℃、-15℃）环境下，APD接收机的灵敏度测量值如表1 ，表1为不同DAC设置下的灵敏度测量值。

25℃环境下DAC值设置为195，可以实现最佳接收性能；

60℃环境下DAC值设置为225，可以实现最佳接收性能；

-15℃环境下DAC值设置为165，可以实现最佳接收性能；

本实用新型中，根据校准后的温度查找表，MCU控制DAC的输出实现VAPD电压值变化，在不同的环境温度下，实时调整提供接收机光器件所需要的最佳APD工作电压电源，实现APD接收机获得最佳工作性能。

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

Claims (8)

1.一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：包括依次连接的温度采集模块、单片机模块、数模转换模块、电压调整模块和APD接收机；所述温度采集模块用于获取APD接收机工作的环境温度，并将采集到的温度信息传送至单片机模块；所述单片机模块用于根据温度信息获取相应的DAC值，即APD接收机所需要的工作偏置电压的电压数值，并将DAC值发送到数模转换模块中；所述数模转换模块用于将DAC值转换为电压值VAPD_FB，并输出至VAPD_FB接头；所述电压调整模块与VAPD_FB接头连接，用于将电压值VAPD_FB转换为APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD，并输出至APD接收机，为APD接收机供电。

2.根据权利要求1所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述单片机模块包括MCU芯片，所述MCU芯片的型号为EFM32ZG108。

3.根据权利要求2所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述温度采集模块采用集成在MCU芯片中的温度传感模块，来获取环境温度。

4.根据权利要求2所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述单片机模块还包括电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述电阻R3的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚8连接；电阻R4的一端接VCC电源接头，另一端与MCU芯片的引脚10连接；所述电阻R5的一端接地，另一端与MCU芯片的引脚21连接。

5.根据权利要求2所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述数模转换模块包括数模转换芯片（U20）和运算放大器（U3），数模转换芯片（U20）的型号为AD5602；运算放大器（U3）的型号为LMV881。

6.根据权利要求5所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述数模转换模块包括数模转换芯片（U20）、运算放大器（U3）、电阻R31、电阻R28、电阻R29、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R30、电容C20和电容C38；

所述数模转换芯片（U20）的引脚1通过电阻R31接地，数模转换芯片（U20）的引脚2和引脚3分别与MCU芯片的引脚24和引脚13连接，数模转换芯片（U20）的引脚4接电源接头，数模转换芯片（U20）的引脚5接地，数模转换芯片（U20）的引脚5和引脚6之间串联电容C20，数模转换芯片（U20）的引脚6通过电阻R29和电阻R28与MCU芯片的引脚8连接，所述MCU芯片的引脚8为IDAC接头；

所述运算放大器（U3）的引脚1通过电阻R42与数模转换芯片（U20）的引脚4连接，运算放大器（U3）的引脚1通过电阻R44接地，运算放大器（U3）的引脚2接地，运算放大器（U3）的引脚3通过电阻R29和电阻R43与数模转换芯片（U20）的引脚6连接，运算放大器（U3）的引脚3通过电阻R30与运算放大器（U3）的引脚4连接，运算放大器（U3）的引脚5和引脚6短接后，依次连接电源接头、电容C38和地；运算放大器（U3）的引脚4作为VAPD_FB接头，输出电压值VAPD_FB。

7.根据权利要求1所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述电压调整模块采用BOOST升压电路。

8.根据权利要求7所述的一种提升APD接收机灵敏度的装置，其特征在于：所述BOOST升压电路包括升压芯片、电阻R6、电阻R11、电阻R15、电阻R16、电阻R22、电阻R24、电阻R27、电容C26、电容C30、电容C31、电容C35、电感L3和光电二极管VVD1；所述升压芯片的引脚5与VAPD_FB接头相连；

所述升压芯片的引脚2接电源接头，升压芯片的引脚2通过电容C30接地，升压芯片的引脚2通过电感L3与升压芯片的引脚14、引脚15连接，升压芯片的引脚15与光电二极管VVD1的正极端连接，光电二极管VVD1的负极端与升压芯片的引脚13连接，升压芯片的引脚13通过电容C31接地，升压芯片的引脚13通过电阻R22与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27和电容C35与升压芯片的引脚5连接，升压芯片的引脚13通过电阻R27、电容C35和电阻R24与升压芯片的引脚17连接，升压芯片的引脚17、引脚8、引脚16和引脚1短接后接地，升压芯片的引脚9、引脚10和引脚7分别通过电阻R11、电阻R15、电阻R16接地，升压芯片的引脚3通过电阻R6接电源接头，升压芯片的引脚3通过电容C26接地，升压芯片的引脚12输出APD接收机所需要的工作偏置电压VAPD。

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