光电二极管偏压电路设计

光电二极管偏压电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 光电二极管偏压电路设计 20光电二极管偏压电路设计 光电=极管偏压电路设计 钟跃明中国电子科技集团第四十一研究所合肥工业大学 摘要光电二极管是把光信号转换为电信号的核心器件,提供合适的反向偏压是其正常工作的关键.文中设计的反 向偏压产生电路,不仅具有输出电压可调,且具有纹波小和温度补偿功能. 关键词反向偏压温度补偿 TheDesignofPhotodiodeBiasvoltageCircuit ZhongYueming AbstractThePhotodiodeisthecorepartinthecircuitthattransformstheopticalsignalintothee lectricsignalItcan supplyappropriatereversebias-voltageforthecircuit.Intheispaper,thereversebias-voltage circuitissupplyed,whichcan notonlyoutputsadjustablevoltage,butalsopossesslittlerippleandthefunctionoftemperatur e-compensation. KeywordsTemperaturecompensation 随着光纤技术,通信技术和计算机技术的迅速 发展,光检测器在光纤通信,光雷达,弱信号检 测,激光测距,星球定向以及光电自动控制领域得 到了广泛应用.目前常用的光检测器有PIN光电 二极管和雪崩光电二极管(即AvanlanchPhotoDi— ode简称APD),尤其是APD以其极大的雪崩增益 在光纤通讯和光纤传感领域更受青睐,但其需要施 加较高的反向偏压,且APD的增益稳定性受温度 影响较大,因此设计出输出电压可调,低纹波且具 有温度补偿的反向偏压电路是保证其工作在最佳偏 压状态的关键. 1光电二极管特性 光电二极管的功能是把光信号转换为电信号, 它是通过半导体PN结的光电效应来实现的.PIN 光电二极管是没有内增益的光电器件,对于直流或 缓变光信号,PIN管可以工作在零偏压状态,以减 小电路的复杂性;而对于捕捉快速光信号,应给 PIN管施加适当的反向偏压以减小PIN结构的结 电容来提高响应速度.雪崩光电二极管是借助强电 场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的 一 种高速光电器件,其电流增益一般可达1O., 1O.,雪崩光电二极管倍增因子M与PN结加的反 向偏压V的关系如式(1)所示[1]. M=喜tl0 . 一 高V(1)1,, 式中为击穿电压,,/r为外加反向偏压, 为1,3,取决于半导体材料,掺杂分布以及辐射 波长.在偏压较小时只能产生光电激发,但无雪崩 倍增效应;当偏压接近,厂B时,将引起雪崩效应, 使光电流有较大增益;超过以后,易发生雪崩 击穿,同时暗电流也越来越大.因此最佳工作电压 不宜超过VB,否则将进入不稳定的,易击穿的32 作区.雪崩光电二极管能够获得高增益,这是它的 优点,但是在雪崩过程中,PN结上的反向偏压容 易产生波动,将影响增益的稳定性,而且受温度的 影响也比较大.因此使用APD时,为了获得较大 光电输出信号,必须选择一个最佳工作点.为保持 APD的增益相x,-J-恒定,可以采用珀尔贴元件来控 制温度.x,-J-于没有内部致冷的APD组件,通过温 度控制其增益稳定性相对来说既复杂成本也较高, 而由于APD的反向偏置电压与温度成一定函数关 系,则在不同的工作环境下通过控制施加在APD 上的反向偏压来补偿温度的影响以求获得较好的信 噪比. 2偏压电路设计 光电二极管出厂时,厂家一般都附有该器件的 工作参数,x,-J-于APD击穿电压是最关键参数, 而且不同管子其数值可能都不一样,设计中U1选 用5伏输入100伏低噪声输出DC/DC变换器,基 本满足20~90伏输出偏压要求,通过调节电位器 R3来改变输出电压值,由于在雪崩击穿点附近电 流随偏压变化较大,当反向偏压有较小变化时,光 电流将有较大变化,这里通过负反馈电路来稳定输 出电压的波动,即通过三极管Q1,Q2和集成电路 N2组成压控恒流源的调整使输出电压趋于稳定, 为了减小纹波,输出电容C10,C11应采用低 ESR型. 3温度补偿设计 雪崩光电二极管的击穿电压,厂B与器件的工作 电子测量技术?2005年第四期21 温度有关,当温度升高时,击穿电压会增大,图2 示出了倍增因子M,工作偏压V与器件工作温度 之间的关系曲线,可知在相同的反向偏压下,随 别.这里我们主要是通过AD590来实现温度补偿, 使不同温度时,施加在APD的反向偏压变化,以 保证ADD的倍增因子M维持在较高水平,且工作 着温度的变化,APD的倍增因子M将有很大差在安全范围内. CL10K 夸+SVA溉uF250v . R4 R5 I 图1偏压可调电路电原理图 AD590是利用PN结正向电流与温度的关系 制成的电流输出型集成温度传感器,会随温度高低 而改变其本身电流大小.这种器件在被测温度一定 时,相当于一个恒流源,AD590的供电电压, 输出电流与工作温度的关系曲线如图3所示. = 当 篓 榔 反向偏压v 图2倍增因子M,反向 偏压V与工作温度之间 的关系曲线 一 50? , - 15? 一 . 55? / 图3AD590供电电压, 输出电流与工作温度 的关系曲线 当电源电压在4伏至30伏之间时,其电流将 随温度的大小而线性地变化,即ltzA/K.AD590 对温度T的端电流关系式为:I(T)一I(0)一 1/'C×T(?)一273.2t,A—T,uA 则温度升高?T度时,输出偏压升高?可由 公式2获得: AV一?j×R5一ate.n×R5(2) 通过设定电阻R5值,使APD在工作温度范 围内(一般为一lo~C至+50?)的反向偏压值在击 穿电压值以下,这样当温度变化时,施加在APD 上的反向偏压将随着升高或减小,使APD工作在 最佳状态. 通过设计分析,该电路完全满足一般反向偏压 设计的要求,且具有体积小,电路简单,输出电压 可调,纹波小和温度补偿等特点,但在调试APD 这样易损且价格昂贵的器件时,应先把反向输出偏 压调整到略低于要求的电压,再加载到APD上细 调APD的偏压工作点,另外调试时应严防静电, 以防器件静电失效. 参考文献 1安毓英.光电探测原理.西安电子科技大学出版社 2004.8 2MatthewPilotteAPDspresentbiasing.measurement challengesLightwaveJune,2005 3逢玉台.集成温度传感器AD590及其应用.国外电子 元器件2002.7 4Two—TerminalICTemperatureTransducerAD590AD 公司器件手册 SFG-2000系列DDS信号源 其主要特点:直接数字合成技术和FPGA 芯片设计;频率范围:0.1Hz~4MHz/7MHz/ 10MHz;高频率精确度:-20ppm;最大频率 分辨率:100MHz;低失真正弦波:一55dBc, 0.1Hz~200kHz;内置150MHz6位高分辨率 计频器;内部/外部调幅/调频功能(SFG- 2100系列);10组前面板设置存储. <固纬电子上海有限公司提供>