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1、光电二极管偏压电路设计光电二极管偏压电路设计 20 光电二极管偏压电路设讣 光电二极管偏压电路设计其正钟跃明中国电子科技集团笫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 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?关键反向偏压温度补偿TheDesignofPhotodiodeBiasvoltageCircuit ZhongYuemingAbstractThePhotodiodeisthecorepartinthecircuitthattransformstheoptic alsignalin
2、totheelectricsignalltcansupplyappropriatereversebiasvol tageforthecircuit ? Intheispaper, thereversebias-voltage circuitissupplyed, whichcannotonlyoutputsadjustablevoltage, butalsopossesslittlerippleandthefunc tionoftemperature-compensation.KeywordsTemperaturecompensation 随着光纤技术，通信技术和讣算机技术的 速发展，光检测器
3、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.H前常用的光检测器有 FIX光电: 极管和雪崩光电：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，因此设讣出输出电压可调，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，它是通过半导体陀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
4、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 当的反向偏圧以减小 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 )的一种髙速光电器件,其电流增益一般可达10., 10.,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二喜 tIO高 v(I)I,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
5、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寸，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勺增益相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，而山于 APD勺反向偏置电压与温度成一 定函数关系，则在不同的工
6、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 偏压电路设讣光电二极管出厂时，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为0伏输出偏压要求，通过调节电位器R3来改变输出电压值，山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寸，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,CU应采用
7、低ESF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 ？2003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 uF250vR4R5I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
8、器， 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.二当篓榔反向偏压 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ItzA/K. AD590对温度 T 的端电流关系式为 :I(T)-I (0) 一 1/ C X T (?)一 273. 2t, A T,uA则温度升高？T度时，输出偏压升高？可山公式2获得：AV ?j XR5 ate.nXR5 (2)通过设
9、定电阻R5值，使APD在工作温度范围内(一般为一 IoC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丄作在最佳状态.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. 82MatthewPiIotteA
10、PDspresentbiasing. measurementchaiIengesLightwaveJune, 20053逢玉台.集成温度传感器 AD590及其应用.国外电子 元器件2002. 74TwoTerminaIICTemperatureTransducerAD590AD公司器件手册SFG-2000系列DDS言号源其主要特点 : 直接数字合成技术和 FPGA芯片设计;频率范围：0. IHz4MHz/7MHz/ 10MHz;高频率精确度：-20ppm;最大频分辨率：100MHz低失真正弦波:55dBc, 0. IHz、200kHz;内置 130MHz6&高分计频器；内部 / 外部调幅 /调频功能 （SFG-2100系列）； 10 组前面板设置存储 .&It; 固纬电子上海有限公司提供 &驻；