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光功率监测电路的设计

发布时间:2020-07-21 18:06:55 阅读: 来源:破碎机厂家

1 引言目前,雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应,具有极高的内部增益(可达102~104量级)。然而,APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性.甚至引起测量精度的恶化。理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数,二者共同决定APD工作时的增益,而且在维持APD增益比较恒定的条件下,其偏压和温度之间存在一定的关系。因此。可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。这样就可以维持APD增益基本恒定,保证其正常工作。这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。

由此可知.施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。本文针对该要求。采用ADL5317器件。给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD偏压控制/光功率监测功能的核心电路。2 引脚排列及功能

ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。

ADL5317的主要特性如下:

通过3 V线性偏置控制电路,在6 V~75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压;

在106范围(5 nA一5 mA)内以5:1的比率监测光电流,其线性误差仅为0.5%;

允许使用固定的高电压转换电路,降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求;

过流保护和过热保护。

ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装,其引脚排列如图1所示。各引脚功能描述如表1所列。

3 内部结构及工作原理

ADL5317的内部结构如图2所示。其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。

3.1 电流监测电路

ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路,为监测电路输入端提供精确偏置。该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器.驱动监测电路的两极,同时保持VAPD端电压的稳定度及非常低的漏电流。该监测电路将流经VAPD端的光电流衰减至其1/5,然后传送至APD光电流监测输出端(IPDM)。在APD偏置电压范围内,监测电流与APD光电流之间都保持极高的线性度。

3.2偏置控制电路

VAPD端与VSET端通过一个运算放大器相连,在线性工作模式下,两者电压之间存在一个简单的关系:

同时VAPD端电压调节范围与高电压电源端VPHV之间存在以下关系:

3.3 GARD电路

GARD电路主要用来屏蔽VAPD线路不受漏电流的影响,以及滤除偏置控制电路的噪声。GARD电路由VSET端运算放大器通过一个20 k欧姆的电阻进行驱动。该电阻与GARD端外接电容构成RC网络,用于滤除运算放大器反馈网络的热噪声。

GARD电路的噪声和小信号的截止频率定义如下:

其中:f3dB是内部电阻20 k欧姆和外接电容CGRD构成的低通滤波器的截止频率;CGRD是GARD端至地的滤波电容。

CGRD的容值越大(最大约0.01μF),ADL5317在最低输入电流处的噪声抑制性能越好,但是同时会延缓对VSET端电压变换的响应时间。

3.4 VCLH电路

高电压箝制电路(VCLH)是用于限制APD偏置电压不能超过VCLH端电压。其内部通过一只25k欧姆电阻将电位设置在相对于VPHV始终低2.0 V处,并不受温度影响。

在线性模式下,VCLH端与VPHV端连接,可扩展线性工作范围(上限高达VPHV-1.5 V)。在电源跟随模式下,VCLH端则必须置空。 3.5 过流和过温保护电路

FALT是集电极开路逻辑输出端(低电平有效),用于警示是否有过流或过热状况出现。

当流经APD的光电流超过18 mA时,FALT将报警,并将电流监测电路关闭,以降低APD的电流和偏压。直到光电流下降到VSET运算放大器的电流限定值(约2.5 mA)以下时,电流监测电路将会重新工作,VAPD端电压恢复到其正常工作水平。

当ADL5317温度超过140℃时。电流监测电路会停止工作,导致VAPD降低,FALT将报警。这个保护模式将会持续到过热状况被排除为止。

4 APD偏压控制/光功率监测电路

基于ADL5317的APD偏压控制/光功率监测功能的核心电路如图3所示。

在该电路中,ADL5317处于线性工作模式。采用温度传感器来监测APD的环境温度,通过改变VSET端电压控制APD偏置电压(VAPD=30VSET),保证APD具有适当的雪崩倍增因子。

IPDM端连接跨导线性对数运算放大器AD8305,加宽了对输入光功率的动态范围测量。消除了动态范围的限制,从而解决了锁相放大器的电流敏感问题。

APD的阳极可直接连接跨阻运算放大器,以提取数据流,而无需单独引出线路监测光功率。

5 结束语

下一代高速光纤传感、光纤通信网络需要APD,以实现精确的数据传输和较低的比特误差率。而对APD偏置电压的精确控制.是系统成功运行的关键。基于ADL5317的APD偏压控制/光功率监测电路具有结构简单、输出精确可调、可监测光功率等特点,并具有优良的性能和广泛的应用前景。

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