应用笔记 1831

低噪声APD偏置电路


摘要 : 该电路产生并控制光通信中雪崩光电二极管(APD)的低噪声偏置电压。该可变电压通过控制APD的雪崩增益,优化光纤接收器的灵敏度特性。该电路采用低噪声、固定频率PWM升压转换器,带有一个工作在非连续电流模式的电感。内部MOSFET的低开关速率降低了高频电压毛刺,降低了噪声。本文给出了完备的电路,建议采用扩展电路。扩展电路采用ADC进行数字控制,允许微控制器读取热敏电阻的值、并根据查找表进行温度补偿。

雪崩光电二极管(APD)被作为接收器探头用于光通信中。APD的高灵敏度和高带宽受到了设计者的广泛认可。APD工作时需要施加一个反向结压,当接收到射线时就会产生电子空穴对。电子空穴对被外加电场收集并转换为电流,电流强度正比于射线强度。

APD工作时施加在器件上的反向偏置电压引发了雪崩效应,雪崩增益可通过改变偏压进行调节。继而通过改变雪崩增益得到最优化的光纤接收器灵敏度。然而,要得到满意的雪崩增益,许多APD需要一个比较高的反向偏压,大多在40V至60V范围,有些甚至要求高达80V。

APD的缺点之一是雪崩增益会随着温度变化而改变,而且还受制造工艺的影响。因此,在一个典型系统中,如果要求APD工作于恒定增益,高压偏置电源必须能够改变,以补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化。要获得恒定的增益,APD电源一般来讲必须具有大约+0.2%/°C的温度系数,大约相当于100mV/°C。

APD电源

有很多现成的方法可用于调节电源的输出电压,以便补偿因温度造成的APD增益漂移。APD模块内含的温度测量元件,例如热敏电阻,可以被直接连接到电源来调节输出电压。有些系统中,也可以由微控制器(µC)读取电阻值,然后向电源发出指令来调节偏置电压。

图1所示的APD偏置电源基于一个低噪声、固定频率PWM升压转换器(U1)设计,采用一个工作于非连续电流模式的电感。开关速度被有意减慢,以便降低高频电压毛刺。开关速度的降低减小了高频di/dt和dv/dt速率,因而最大限度减小了通过电流环、PCB走线或元件管脚间的电容向周围电路辐射或传导的噪声。

图1. 从0至2.5V改变控制输入电压,这个低噪声APD偏置电源可以产生从71V至24.7V的可调输出电压。
图1. 从0至2.5V改变控制输入电压,这个低噪声APD偏置电源可以产生从71V至24.7V的可调输出电压。

非连续电感电流工作模式利用跌落的电感电流自然地关断二极管。MAX5026的开关频率为500kHz,内部的横向DMOS开关器件具有40V的极限耐压,再加上外部由C3、C4、D2和D3构成的倍压网络,使输出电压可高达71V。

稳态时倍压电路的工作过程如下:在导通时间内电容C2将电荷转移给C3,同时L1被充电,LX引脚为低(内部DMOS导通)。随着内部DMOS关断,电感电流使D1和D3正向导通。这样,加到电容C4上的总电压为VC2和VC3之和。

MAX5026的特性对于该应用非常有利:
  • 比较慢的内部FET上升和下降时间降低了di/dt和dv/dt噪声耦合。
  • 非连续电流电感工作模式使D1自然换流,本质上消除了二极管的反向恢复所带来的高di/dt噪声。
  • 固定的500kHz PWM工作频率产生预知的噪声频谱,更易于滤除。
  • 高集成度带来低成本和小尺寸。
图1电路在5V输入,71V输出时,能够提供1mA以上的输出电流。图2显示了输出电压随控制输入电压的变化曲线,图3给出了该电路工作于三种输出电压时的效率曲线。

图2. 该曲线显示了图1电路的输出电压随控制输入电压的变化
图2. 该曲线显示了图1电路的输出电压随控制输入电压的变化

图3. 该曲线显示了图1电路的效率随输出电流的变化
图3. 该曲线显示了图1电路的效率随输出电流的变化

输出电压可依据下面的关系设定:

VOUT = [VREF × (R2 × R3 + R1 × R2 + R1 × R3) - VC × R2 × R3]/R1 × R3

其中,VREF = 1.25V,VC是控制输入电压。

图1电路在输出71V,驱动1mA负载电流时具有大约100mVP-P的输出纹波。该项性能还可以通过在1µF陶瓷电容旁并联一个低成本电解电容(10µF/100V,Nichicon VX系列)改善到低于20mV的水平(图4)。如果想更进一步降低噪声,可以采用附加的滤波手段。APD电源要求的典型噪声电平在2mV上下。由于MAX5026的500kHz固定开关频率,采用一个简单的LC滤波器就可达到这个水平。

图4. 该曲线显示了图1电路的输出电压纹波,VOUT = 71V、IOUT = 1mA,1µF输出电容旁并联10µF电解电容。竖轴为50mV/div,横轴为200µs/div。
图4. 该曲线显示了图1电路的输出电压纹波,VOUT = 71V、IOUT = 1mA,1µF输出电容旁并联10µF电解电容。竖轴为50mV/div,横轴为200µs/div。

图5所示的APD电源具有数字调节的输出电压。采用控制环路中的微控制器读取热敏电阻的值,实施温度补偿,通过查表对热敏电阻进行曲线修正,并且补偿APD因制造工艺而造成的增益变化。在此应用电路中,通过10位DAC (U2)从25V到71V调节输出电压时,将提供大约45mV的分辨率。

图5. 这个低噪声APD偏置电源的输出电压可数字编程,从25V至71V,步长45mV。
图5. 这个低噪声APD偏置电源的输出电压可数字编程,从25V至71V,步长45mV。