一种带调压功能的APD偏置电路的制作方法

一种带调压功能的apd偏置电路
技术领域
1.本技术涉及光通信网络接收端的电压增益控制技术及装置，具体涉及一种apd偏置电路及其电压调节的方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在光通信领域中，通过电-光-电信号的转换，完成信号的传输。光输出端口由光发射器将电信号转换为光信号，经光纤传输到光接收端。光接收端主要用于光电信号转换的是光电探测器，光电探测器通过检测出照射在其上面的光功率，从而完成光/电信号的转换。apd（avalanche photo diode ） 雪崩光电二极管就属于光电探测器中的一种。apd 雪崩光电二极管具有内部增益机制和快速上升时间，在运行时光子产生电子空穴对，系统通过施加外部电压，利用碰撞电离效应，吸引更多电子跃迁至导带，以此加速光电转换的进程，这些二次电子反过来可以吸收足够能量，进一步增加被吸引跃迁至导带的电子数量，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，形成雪崩倍增效应。
4.apd芯片在一个较高的反向偏置电压下工作，其内部增益大小与偏置电压正相关，并由偏置电压和击穿电压的比值决定。apd的击穿电压受环境温度的影响，当环境温度变化引起击穿电压改变时，apd的倍增系数相应地受到影响。申请人了解到的一些处理方案，为了保持倍增系数稳定在某一特定值，会根据温度的改变对偏置电压进行调整，否则将导致apd的光电检测性能变弱，灵敏度降低。
5.申请人所知道的，apd工作的较高偏置电压使用dc-dc 芯片来提供。传统的高速光模块使用4个apd bias 芯片完成高压供电功能，这些apd偏置输出没有调整功能，温度变化时倍增系数会随之变化，进而导致apd光电检测性能变弱，灵敏度降低。同时使用4个apd bias会在较大程度上增大光电接收电路的总功耗，而且还会由于光电接收电路所需要的电路元件数量增多以及电路元件占用布线空间大等因素而导致光电接收电路不能满足电路小型化的要求。
6.专利申请公布文献cn112099397a 提出了一种带过流保护的apd偏压电路包括用于输出高电压的apd bias芯片电路、用于实现四路电路放大输出且输出可调的运放芯片电路。apd bias芯片的电压输出端口与运放芯片的电源输入端口电连接，运放芯片内设有四个运算放大器，运算放大器的运放电源为apd bias芯片的输出电压，运算放大器的负输入端通过第一电阻接地，运算放大器的输出端口通过第二电阻与运算放大器的负输入端电连接，运算放大器的正输入端通过第三电阻与控制器电连接。该发明申请采用一只apd bias芯片和一只运放芯片，实现了四只apd bias芯片才能完成的高压供电功能，并且性能相当。
7.专利申请公布文献cn106094963a公开了一种apd阵列芯片偏置电压全自动温度补偿系统，包括apd阵列芯片、热敏电阻、ad转换器ⅰ、匹配电阻、ad转换器ⅱ、微处理器、数字电位器、输出可调高压模块、蜂鸣器和显示模块。通过检测热敏电阻的阻值得出apd阵列芯片
工作温度，从而得到所需最佳反向偏置电压，再利用数字电位器改变输出可调高压模块的输出电压，使apd阵列芯片获得与当前工作温度匹配的反向偏置电压，实现了apd阵列芯片反向偏置电压的全自动温度补偿功能。


技术实现要素：

8.本技术披露了一种带调压功能的apd偏置电路，通过对apd偏置电路的结构设计，实现偏置电路的偏置电压可调。apd偏置电路设计温度采集模块，温度采集模块采集apd工作温度信息，传输到耦接于微处理单元的模数转换单元，微处理单元处理温度信号再发送调节电压信号到耦接的电源芯片，实现apd芯片的偏置电压调节。
9.本方案披露的apd偏置电路包括电源芯片，耦接于电源芯片的至少一颗apd芯片，耦接于电源芯片的电流监控模块；依次耦接于芯片电压输入端的电感、续流二极管，续流二极管经电容接地，耦接于电源芯片的电压调节模块，包括至少一组调压电阻与至少一组电压信号发生器，每一个电压信号发生器经每一个调压电阻控制对应的一颗apd芯片偏置电压。
10.耦接于电流监控模块的模数转换单元；温度采集模块，连接于模数转换单元；电压信号发生器与模数转换单元集成于微处理单元；电源芯片经上拉电阻组外接二进制同步串行总线，二进制同步串行总线控制每一颗apd芯片。
11.在某些实施例中，温度采集模块与电压信号发生器、模数转换单元集成于微处理单元。
12.在某些实施例中，电源芯片电压输入端耦接滤波器。
13.在某些实施例中，电流监控模块包括至少一个监控电流接口、至少一只对地电阻，监控电流接口耦接于电源芯片，每一个监控电流接口经对应的一只对地电阻接地，并连接所述模数转换单元。
14.在某些实施例中，上拉电阻组包括二进制同步串行总线信号的地址上拉电阻、数据上拉电阻、时钟上拉电阻、故障报警信号上拉电阻。
附图说明
15.图1为实施例中某一款apd芯片的增益系数-偏置电压-温度曲线图表；
16.图2为根据本发明的构思实施的某个实施例中带调压功能的apd偏置电路示意图；
17.图3为根据本发明的构思实施的某个实施例中带调压功能的apd偏置电路中电压调节单元的示意图；
18.图4为根据本发明的构思实施的某个实施例中的调压方法的流程结构示意图。
具体实施方式
19.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
20.实施例中所披露的“耦接”一词理解为通过接触实现信号传输，实现的技术手段包括但不限于耦合、焊接、粘接、搭接、熔接等，传输的信号形式包括但不限于光、电、磁、量子等。
21.本实施例提供一种带调压功能的apd偏置电路，如图2所示，电路包括4路apd芯片
1，4路apd电流监控模块2，电压输入端vin输入电压，4路apd芯片1的四个电压输出端口apd1、apd2、apd3、apd4耦接于芯片，图2中芯片为电源芯片，该芯片给4路apd芯片1提供高压驱动。4路apd芯片1电流通过二进制同步串行总线i2c调整，4路apd芯片1中的每一路电压由微处理单元独立调整，电路实现了灵活控制。设计电流监控模块，以监控电源芯片工作电流，如出现故障，则人工操作通过上位机经二进制同步串行总线i2c向电源芯片发送调整信号，或经二进制同步串行总线i2c测试调试电源芯片，使该系统恢复到正常工作状态。功率电感l1、续流二极管d1、电容cout1与电源芯片内部的nmosfet组成升压电路（boost）将输入端输入的低电压升到高电压，给vin 提供2.8v～5.5v 的电压，升压电路（boost）工作之后会输出30 v左右的电压，能够将apd电压升高到30v,单路apd电流最大可以支持到4ma，电路使用固定1.3mhz的电流模式控制架构，需要时，能够单独调整每一路apd电压的大小。
22.雪崩光电二极管（apd）是利用内光电效应实现光信号到电信号转化的光电器件，在反向偏置工作模式下，利用载流子的雪崩倍增效应来提高检测的灵敏度，加大反向偏置电压会产生雪崩效应，具有内部增益和放大作用。雪崩光电二极管（apd）的增益系数m受到偏置电压及其自身pn结的材料特性的影响，可以表示为：
23.m=1 / (1
ꢀ‑ꢀ
(v/v
b )
n )
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
24.其中，vb为击穿电压，v为偏置电压，n可以表示为二极管材料及入射波长相关系数，主要受pn结半导体材料特性、制造工艺及入射波长的影响，一般大于1。从公式（1）推演得到，当偏置电压v接近vb时，增益系数m将是无穷大，此时pn结被击穿，因此偏置电压应当不超过vb。
25.击穿电压受温度影响，当温度升高时，随着击穿电压的变化，增益系数降低，无法保持apd芯片的检测灵敏度。采用增加温度调节器的方式来控制apd的工作温度恒定，但温度调节器一般体积较大，占用pcb面积，同时功耗较大。本实施例通过调节偏置电压v，使得偏置电压随着击穿电压vb的变化而同步变化，以保持apd增益系数的恒定。
26.不同温度条件下，增益系数随偏置电压变化而变化，每一款apd芯片经过温度-偏置电压正交实验，记录同一偏置电压、不同温度条件下的增益系数，通过曲线拟合，获得不同温度下的增益系数-偏置电压曲线图，作为相应apd芯片的偏置电压调整的依据。图1是本实施例选用的某款apd芯片的增益系数-偏置电压-温度曲线图，在实际应用中，固定某一增益系数值，检测apd芯片工作温度，可以根据该固定增益系数及工作温度在该曲线图中确定到唯一的理论偏置电压值。
27.本实施例在电路中设置温度采集模块，设定采样频率检测apd芯片1的实时工作温度，微处理单元内设的模数转换单元adc将温度信号转化为电压信号，在固定的某一增益系数值条件下，根据该固定增益系数及工作温度在内部存储的增益系数-偏置电压-温度曲线图中确定到唯一的理论偏置电压值。电流监控模块监测apd实际偏置电压值，微处理单元mcu比较实际偏置电压值与曲线图中确定的理论偏置电压值，并判定实际偏置电压值是否发生漂移。若出现温度漂移，则由电压调节模块发送调节电压值到电源芯片的fb引脚，从而调整apd芯片的偏置电压值，使其增益系数保持某个恒定范围内。
28.电压调节模块包括微处理单元内设的4组电压信号发生器vdac1、vdac2、 vdac3、vdac4及对应的4组调压电阻r6、r7、r8、r9，电压信号发生器vdac1、vdac2、 vdac3、vdac4分别经调压电阻r6、r7、r8、r9连接到电源芯片的反馈fb1、fb2、fb3、fb4。
29.电压调节模块与电源芯片部分结构、电流监控模块构成了电压调节单元，电压调节单元结构如图3所示。图3仅示意出了一路调压回路简易结构图，如图所示电压调节单元包括电压信号发生器dac、接收电压信号发生器dac输出电压信号的调压电阻rdac。电压信号发生器dac产生调节电压信号，调节电压信号经调压电阻rdac输出到电源芯片的反馈引脚fb1/fb2/fb3/fb4,调节电压经电压调节单元后输出适当的apd芯片偏置电压。
30.根据基尔霍夫电流定律，分析电压调节单元的输入电压v
dac
与输出电压v
apd
的关系，可以得到微处理单元输出调节电压v
dac
的计算公式。以图3中节点5为基准点，经ldo分压电阻一ru与负反馈支路流入节点5的电流之和等于节点5经ldo分压电阻二rd流出的电流，列公式如下：
31.(v
apd-v
ref
)/ru (v
dac
‑ꢀvref
)/r
dac
= v
ref
/rd[0032]vapd
= v
ref
ꢀ×
（1 ru/r
d ru/r
dac
）-ru/r
dac
ꢀ×ꢀvdac
[0033]vapd
：apd芯片偏置电压；v
dac
：微处理单元计算得出的调节电压；r
dac
：调压电阻；ru：ldo分压电阻一；rd：ldo分压电阻二；v
ref
为带隙电压（bandgap voltage reference），最经典的带隙基准是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，该电压与制造工艺、电源电压、温度的相关度较低，基本稳定在1.2v左右。
[0034]ru
、r
d 、r
dac
大小选择主要考虑电路整体功耗、工艺偏差、温度、电源电压等，ru取值为 364.6～371.9kω，rd取值为 52.1～53.1kω，rdac 取值为 9.5～10.5kω。
[0035]
当ru取值为368.3kω，r
d 取值为 52.6kω，r
dac
取值为10kω。
[0036]
因此，可以推导出微处理单元根据以下公式计算调节电压值：
[0037]vapd
=1.2
ꢀ×
（1 ru/r
d ru/r
dac
）-ru/r
dac x v
dac
[0038]
=1.2
×
（1 368.3/52.6 368.3/10）-368.3/10
×vdac
[0039]
=1.2
×
(1 7 36.83)-36.83
×vdac
[0040]
=53.769-36.83
×vdac
[0041]
在某些实施例中，ru取值为364.6kω，r
d 取值为 52.1kω，r
dac
取值为10.5kω。
[0042]
微处理单元调整电压值的计算公式为：
[0043]vapd
=1.2
ꢀ×
（1 ru/r
d ru/r
dac
）-ru/r
dac
ꢀ×ꢀvdac
[0044]
=1.2
×
（1 364.6/52.1 364.6/10.5）-364.6/10.5
×vdac
[0045]
=1.2
×
(1 7 34.72)-34.72
×vdac
[0046]
=51.264-34.72
×vdac
[0047]
在另外某些实施例中，ru取值为371.9kω，r
d 取值为 53.1kω，r
dac
取值为9.5kω。
[0048]
微处理单元调整电压值的计算公式为：
[0049]vapd
=1.2
ꢀ×
（1 ru/r
d ru/r
dac
）-ru/r
dac x v
dac
[0050]
=1.2
×
（1 371.9/53.1 371.9/9.5）-371.9/9.5
×vdac
[0051]
=1.2
×
(1 7 39.15)
‑ꢀ
39.15
×vdac
[0052]
=56.58-39.15
×vdac
[0053]
电阻r10是i2c信号的地址上拉电阻，电阻r11是i2c信号的数据上拉电阻，电阻r12是i2c信号的时钟上拉电阻，电阻r13是i2c信号的故障报警信号的上拉电阻，电阻r10、r11、r12、r13分别经对应的接口与电源芯片进行数据传输，并接电源vdd。通过i2c信号能够实现
外部调试信号的手动输入，灵活处理电源芯片故障。
[0054]
在某些实施例中温度采集模块选择二极管。
[0055]
在某些实施例微处理单元中集成有温度采集模块，该系统集成度更高，pcb（printed circuit board，印刷电路板）的利用率更高。
[0056]
4路apd电流监控模块经4个接口mout1、mout2、mout3、mout4接电源芯片，mout1、mout2、mout3、mout4分别接对地电阻r1、r2、r3、r4，对地电阻能够将监控电流转化为电压信息，实时输出到微处理单元mcu内部的模数转换单元adc。电源芯片内部含有设计启动电路可以限制开机瞬间产生的冲击电流。
[0057]
在某些实施例中，电源芯片电压输入端耦接滤波器，用于滤除输入电压的纹波和噪声。
[0058]
在某些实施例中，模数转换单元外接监控报警装置。模数转换单元外接报警装置为主机与显示屏、蜂鸣器或者报警灯中的一种及其组合。
[0059]
图4示出的是一种实现电压调节的方法，该方法包括如下步骤：
[0060]
s1温度采集模块采集apd芯片的实时温度；
[0061]
s2模数转换单元接收温度采集模块采集的温度信息，并将温度信息转换为电压信号；
[0062]
s3微处理单元识别电压信号，并根据微处理单元内部存储的增益系数-偏置电压-温度曲线图，
[0063]
s4微处理单元在给定增益系数条件下，判别电压信号代表的温度是否存在漂移；
[0064]
s5如电压信号代表的温度存在漂移，则微处理单元计算出调节电压值；
[0065]
微处理单元中的电压信号发生器经调压电阻向电源芯片发送调节电压值;
[0066]
s6 如电压信号代表的温度没有漂移，则温度传感器继续采样。
[0067]
上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。