蘇震，畢善鵬，梁小龍

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

基于ADL5317的APD傳感器的偏壓聯(lián)控工作方式

蘇震，畢善鵬，梁小龍

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

文章提出了一種基于ADL5317的APD光電二極管傳感器的反向偏壓設(shè)置方式和穩(wěn)定傳感工作方案。在分析外界條件變化時(shí)APD傳感器各項(xiàng)參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合APD傳感器要求的特殊工作條件和光電變換特性，以及ADL5317的性能特點(diǎn)和內(nèi)部功能模塊的作用，重點(diǎn)闡述了ADL5317對(duì)APD傳感器的偏壓控制方式和鏡像電流監(jiān)測(cè)方式，給出了使用ADL5317對(duì)APD光電傳感器進(jìn)行偏壓綜合調(diào)控的方法和APD倍增因子穩(wěn)定方案。研究結(jié)果針對(duì)APD傳感器在外界條件變化時(shí)，保持其光電變換特性基本穩(wěn)定，雪崩增益基本恒定方面，提供了一種解決方案。

反向偏壓;APD光電傳感器;ADL 5317;雪崩增益;倍增因子

1 引言

雪崩型光電二極管(APD)作為一種高增益、高速響應(yīng)的半導(dǎo)體光電傳感器，正日益廣泛地應(yīng)用于微光檢測(cè)系統(tǒng)、寬帶光纖通信系統(tǒng)等高速高靈敏度的光電變換系統(tǒng)中，起著關(guān)鍵元件的作用。APD傳感器借助于內(nèi)部強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的雪崩倍增效應(yīng)，具有極高的光電流增益。同時(shí)，APD傳感器的光電變換特性受溫度、反向電壓等外部因素的影響也較為明顯，實(shí)際應(yīng)用中必須采取專門措施穩(wěn)定其工作性能。理論上可以證實(shí)APD傳感器的增益是其偏壓V和溫度T的函數(shù)，二者共同影響著APD工作時(shí)的光電流增益。在維持APD增益相對(duì)恒定的條件下，其偏壓和溫度之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。研究表明，可以通過控制APD的反向偏壓值，使之隨著溫度的變化按一定的規(guī)律改變，這樣便可以在外部條件變化的情況下，保持APD傳感器的光電變換特性的基本穩(wěn)定，正常工作。

使施加在APD傳感器上的反向偏置電壓能夠精確受控，并能進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，這是保證APD光電傳感系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本要求之一。本文針對(duì)這個(gè)基本要求，基于ADL5317給出了一種APD傳感器的偏壓設(shè)置方式和穩(wěn)定調(diào)節(jié)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)在環(huán)境溫度等外界條件發(fā)生變化時(shí)，保持APD傳感器的雪崩倍增因子M值的穩(wěn)定性。

2 APD的光電變換原理和特殊工作條件

APD光敏二極管傳感器高速響應(yīng)、高光電流增益的傳感工作機(jī)理，是在半導(dǎo)體光敏材料的PN結(jié)上施加高反向電壓和外部光子注入的共同作用下，使APD晶體內(nèi)部的載流子發(fā)生電離并高速碰撞，引起APD晶體內(nèi)部構(gòu)造中的載流子在反復(fù)加速碰撞中發(fā)生雪崩般地增生，形成高倍的光電流增益。APD傳感器進(jìn)行光電變換時(shí)，應(yīng)使其PN上的反向電壓值接近APD器件的反向擊穿電壓值，這時(shí)若用外部光能照射APD器件的受光面進(jìn)行光子注入，就可以引起APD內(nèi)部的載流子發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生正比于入射光物理輻射功率的高倍光電流輸出，實(shí)現(xiàn)高速高增益的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換過程。

圖1 APD反向擊穿電壓VBR隨溫度變化的情況

源于APD的傳感工作機(jī)理，其反向偏置電壓和工作溫度，對(duì)APD的光電變換特性和工作狀態(tài)都有比較明顯的影響。圖1示出了APD反向擊穿電壓VBR隨環(huán)境溫度T變化的情況?？梢钥闯?，在APD的反向電壓VR處于:VBR(Ta-Δt)＜VR＜VBR(Ta)時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為T=Ta時(shí)APD尚未反向擊穿;而當(dāng)環(huán)境溫度下降Δt，成為T=(Ta-Δt)時(shí)，VR就已大于VBR(Ta-Δt)，APD器件就已處于反向擊穿狀態(tài)了。同理，在APD的反向電壓VR=VBR(Ta)時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為T=Ta時(shí)，APD已處于反向擊穿狀態(tài)了;而當(dāng)環(huán)境溫度上升Δt，成為T=(Ta+Δt)時(shí)，由于這時(shí)VR＜VBR(Ta+Δt)，APD器件就又回復(fù)到尚未擊穿的狀態(tài)。因此，使用APD傳感器時(shí)應(yīng)高度注意反壓和溫度因素的變化，對(duì)APD擊穿狀態(tài)的影響。為了限制APD中電流的異常變化，保持光電傳感器參數(shù)穩(wěn)定，APD的反向偏壓提供環(huán)節(jié)中有必要加入限流保護(hù)和維穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3 ADL5317對(duì)APD的控制功能

3.1 ADL5317的性能分析

ADL5317是為APD傳感器的應(yīng)用和工作穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的集成電路。它可以直接聯(lián)接各種APD傳感器件，提供APD工作時(shí)所需要的高反向偏壓，并同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制APD工作時(shí)的電流、電壓和溫度狀態(tài)。當(dāng)APD中電流過大或芯片元件過熱時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)降低APD的偏壓，限制APD中的電流值。具有保持APD參數(shù)穩(wěn)定和保護(hù)元件的功能。ADL5317使用高、低壓兩組電源供電，并設(shè)有專用的APD反向偏壓設(shè)置端子(VSET)，可以在6V～75V的寬范圍內(nèi)精確設(shè)置APD的反向偏壓值。并能夠以5:1的鏡像比例在3nA～5mA的寬范圍里精確跟蹤監(jiān)測(cè)APD光電二極管中的電流值，監(jiān)測(cè)輸出電流的線性度誤差全程不超過0.5%。

3.1.1 APD 的偏壓設(shè)定

圖2電路中，ADL5317芯片的 VSET端子為APD光電二極管反向偏壓設(shè)置(控制)端子，可通過接入0V～2.5V直流電壓，控制VAPD端子電壓按:VAPD=30×VSET之關(guān)系變化。VAPD端子是給APD光電二極管提供反向偏壓的端子，直接連接APD光電二極管的負(fù)極，其輸出電壓值可在6V～75V之間設(shè)定調(diào)整。

圖2 一種ADL5317與APD的連接方式

3.1.2 APD光電流的鏡像監(jiān)測(cè)

圖2中，APD光電二極管中流過的電流為IAPD;IPDM端子是APD中流過電流(IAPD)的監(jiān)測(cè)端子，它會(huì)以IAPD/5的鏡像關(guān)系精確輸出監(jiān)測(cè)電流。ADL5317對(duì)APD電流進(jìn)行鏡像監(jiān)測(cè)的核心電路是一個(gè)具有電壓跟隨功能的精密電流衰減器，它可以在保持VAPD端子電壓穩(wěn)定不變的條件下，以非常小的輸入電流，精確監(jiān)測(cè)流經(jīng)VAPD端子的電流值，并將監(jiān)測(cè)到的IAPD值精確衰減為IAPD/5之后，由電流監(jiān)測(cè)端子IPDM輸出。ADL5317對(duì)IAPD電流的監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)到3nA～5mA;并且IPDM端子輸出電流與APD電流(IAPD)之間全程保持著高度的線性關(guān)系，在10nA到1mA范圍內(nèi)線性度誤差僅為0.25%，在5nA到5mA范圍里線性度誤差為0.5%。

3.2 ADL5317的偏壓控制工作模式

在使用ADL5317對(duì)APD提供反向偏壓的方式中，因APD反向偏壓的受控方式不同，ADL5317有兩種工作模式，即線性工作模式和電源跟蹤工作模式，兩種模式下APD反向偏壓值的設(shè)置方式不同，引腳的聯(lián)接方法也不同。

3.2.1 線性偏壓控制模式設(shè)置

在APD的反向偏壓(VAPD)需要由ADL5317設(shè)置端子(VSET)的電壓值來設(shè)定或進(jìn)行線性調(diào)控的場(chǎng)合，需要使ADL5317工作于線性偏壓控制模式中。在線性工作模式下，VSET端子上的控制電壓的變化范圍為0V～2.5V;在VSET電壓的這個(gè)變化范圍里，APD偏壓輸出端子VAPD的電壓值始終追隨VSET端子上控制電壓的變化而變化。其電壓追隨關(guān)系為:

但VAPD端子輸出電壓的最低值為6V，最高值為2.5V×30=75V;即VAPD端子的電壓值可由(式3-1)在6V～75V之間設(shè)定。

圖3 多個(gè)溫度條件下VSET對(duì)VAPD控制特性

圖3示出了在多個(gè)溫度條件下，ADL5317高壓電源輸入電壓為:VPHV=78V和VPHV=45V時(shí)VSET設(shè)置電壓對(duì)IAPD輸出電壓的控制特性?？梢钥闯鯲PHV不同的兩段曲線的衡接情況良好，均保持著30倍的控制關(guān)系，并且在電壓設(shè)定范圍內(nèi)保持著良好的線性設(shè)置關(guān)系。

ADL5317在線性工作模式下，一般將高壓箝位電路端子VCLH與VPHV端子短接。這樣可以擴(kuò)大VAPD電壓值的設(shè)置范圍，可以將VAPD電壓設(shè)置上限值擴(kuò)大到(VPHV-1.5V)。在不同的高壓電源VPHV電壓輸入值下，VAPD電壓值的可設(shè)置范圍如下:

3.2.2 電源跟隨偏壓控制模式設(shè)置

當(dāng)需要使用電壓可調(diào)的DC-DC直流變換器或用電壓可調(diào)的高壓電源來提供VPHV電壓時(shí)，這種情況下不需要使用ADL5317的VSET-VAPD電壓的線性設(shè)置功能，而需要通過直接調(diào)節(jié)高壓電源電壓VPHV來調(diào)整VAPD端子的輸出偏壓VAPD;這種情況下就需要使ADL5317工作于電源跟隨偏壓控制模式中。

在電源跟隨模式中，VSET端子要接于+3.0V～+5.5V電壓;即要求:+3.0V≤VSET≤+5.5V，使ADL5317芯片中的VSET電壓放大器的輸出電壓上升至飽和狀態(tài)，超出其線性可控范圍，不再受VSET端子電壓控制。并且還需要將高壓箝位端子VCLH置空，保持2V箝位電壓有效。這樣，在電源跟隨模式下，VAPD端子的輸出電壓就會(huì)跟隨著高壓電源VPHV端子電壓的變化而變化，并且始終保持著VAPD端子電壓低于VPHV端子電壓2.0V的差值狀態(tài)。圖4示出了多溫度條件下，VAPD端子輸出電壓VAPD跟隨VPHV端子電壓VPHV變化過程中，VAPD與VPHV的差值情況。

3.3 APD傳感器的偏壓聯(lián)控工作方式

APD倍增因子(M)是指在相同的入射光照射條件下，APD傳感器件發(fā)生雪崩增益后流過器件的光電流IAP，與器件未發(fā)生雪崩增益前流過器件的光電流IP之比值。即:

保持APD傳感器穩(wěn)定工作的關(guān)鍵在于保持雪崩倍增因子M值的穩(wěn)定性。從圖5的一種InGaAs-APD的典型特性曲線可知，APD的M值是隨溫度的上升而下降;而又隨反向偏置電壓的增大而上升的。這樣便可以通過綜合測(cè)控APD器件的溫度值和反向偏壓值來保持APD的M值的穩(wěn)定。

圖6 使用ADL5317的APD偏壓綜合控制電路

圖6示出了使用ADL5317對(duì)APD偏壓進(jìn)行綜合控制的電路結(jié)構(gòu)圖，電路工作于線性偏壓控制模式下。在使用APD傳感器和專用集成電路ADL5317進(jìn)行光電變換時(shí)，可以先決定一個(gè)工作任務(wù)所要求的M0值;之后再將所選用的APD器件在M=M0時(shí)的條件溫度值和偏壓值的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表測(cè)量(整理)出來，存入查表式電壓發(fā)生器T的ROM中，并通過一只溫度傳感器S來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)APD器件的溫度值，并實(shí)時(shí)將每個(gè)溫度信號(hào)電壓進(jìn)行A/D變換后送入查表式電壓發(fā)生器T中。由這個(gè)電壓發(fā)生器T根據(jù)溫度傳感器S送來的APD器件的溫度數(shù)據(jù)值，查找預(yù)置了對(duì)應(yīng)控制電壓數(shù)值的ROM表，并輸出相應(yīng)的控制電壓值VT;這個(gè)VT值直接送入ADL5317的VSET端子，按照VAPD=30VSET的變換規(guī)律實(shí)時(shí)地調(diào)整VAPD端子的輸出電壓值。這樣，便可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地調(diào)控APD的偏壓值，在變化的溫度環(huán)境中始終保持APD倍增因子M值的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

隨著APD光電傳感器在長(zhǎng)距離光纖數(shù)據(jù)通信等眾多領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用，探索APD傳感器的穩(wěn)定工作方式顯得尤為重要。本文結(jié)合APD傳感器的光電變換工作特性和ADL5317的性能特點(diǎn)及內(nèi)部的模塊功能，對(duì)ADL5317的兩種調(diào)控工作模式進(jìn)行了分析和仿真，提出了一種APD傳感器配合ADL5317使用的偏壓設(shè)定方式和穩(wěn)定應(yīng)用方案。能夠穩(wěn)定APD工作時(shí)的偏壓狀態(tài)，并且在外界環(huán)境溫度變化時(shí)，保持APD倍增因子M值的穩(wěn)定性。研究結(jié)果對(duì)于APD傳感器在外界條件變化時(shí)，保持其光電變換特性基本穩(wěn)定，提供恒定增益方面具有重要意義;在設(shè)計(jì)APD高增益光電傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，優(yōu)化性能方面，具有理論引導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］金光義彥，深津晉.シリコン·フォトニクス——先端光テクノロジーの新展開［M］.日本東京:オーム出版社，2007.

［2］蘇震.現(xiàn)代傳感技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

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［4］Amnon Yariv.Optical Electronics in Modern Communications，5 edition［M］.U.S.state of New York:Oxford University Press，USA，1997.

APD Sensor Bias Joint Controlling Operating Mode Based on ADL5317

SU Zhen，BI Shan-peng，LIANG Xiao-long
(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024)

This article presents a kind of reverse bias setting mode and stable sensoring solution of APD photodiode sensor based on ADL5317.On the basis of analyzing the changing law of APD parameters when external conditions change，the article emphasizes on APD sensor bias controlling operating mode and mirror current detection by ADL5317 considering the special operating conditions and photo-electric conversion characteristics of APD as well as characteristic feature and internal function module of ADL5317，and provides APD bias integrated controlling method and stabilizing multiplication factor solution.Research results give a kind of solution in keeping the basic characteristics of photoelectric transformation stable and providing a constant multiplication factor in changing external conditions.

reverse bias voltage;APD photoelectric sensor;ADL 5317;avalanche gain;multiplication factor

TN364

A

1673-4793(2012)02-0049-05

2012-04-12

蘇震(1961-)，男(漢族)，北京市人，中國(guó)傳媒大學(xué)副教授，中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員.E-mail:sz100hz@163.com

(責(zé)任編輯

:宋金寶)