基于ADL5317的APD传感器的偏压联控工作方式

苏震，毕善鹏，梁小龙

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

基于ADL5317的APD传感器的偏压联控工作方式

苏震，毕善鹏，梁小龙

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

文章提出了一种基于ADL5317的APD光电二极管传感器的反向偏压设置方式和稳定传感工作方案。在分析外界条件变化时APD传感器各项参数变化规律的基础上，结合APD传感器要求的特殊工作条件和光电变换特性，以及ADL5317的性能特点和内部功能模块的作用，重点阐述了ADL5317对APD传感器的偏压控制方式和镜像电流监测方式，给出了使用ADL5317对APD光电传感器进行偏压综合调控的方法和APD倍增因子稳定方案。研究结果针对APD传感器在外界条件变化时，保持其光电变换特性基本稳定，雪崩增益基本恒定方面，提供了一种解决方案。

反向偏压;APD光电传感器;ADL 5317;雪崩增益;倍增因子

1 引言

雪崩型光电二极管(APD)作为一种高增益、高速响应的半导体光电传感器，正日益广泛地应用于微光检测系统、宽带光纤通信系统等高速高灵敏度的光电变换系统中，起着关键元件的作用。APD传感器借助于内部强电场作用下产生的雪崩倍增效应，具有极高的光电流增益。同时，APD传感器的光电变换特性受温度、反向电压等外部因素的影响也较为明显，实际应用中必须采取专门措施稳定其工作性能。理论上可以证实APD传感器的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同影响着APD工作时的光电流增益。在维持APD增益相对恒定的条件下，其偏压和温度之间存在一定的关联性。研究表明，可以通过控制APD的反向偏压值，使之随着温度的变化按一定的规律改变，这样便可以在外部条件变化的情况下，保持APD传感器的光电变换特性的基本稳定，正常工作。

使施加在APD传感器上的反向偏置电压能够精确受控，并能进行反馈调节，这是保证APD光电传感系统稳定工作的基本要求之一。本文针对这个基本要求，基于ADL5317给出了一种APD传感器的偏压设置方式和稳定调节方案，能够实现在环境温度等外界条件发生变化时，保持APD传感器的雪崩倍增因子M值的稳定性。

2 APD的光电变换原理和特殊工作条件

APD光敏二极管传感器高速响应、高光电流增益的传感工作机理，是在半导体光敏材料的PN结上施加高反向电压和外部光子注入的共同作用下，使APD晶体内部的载流子发生电离并高速碰撞，引起APD晶体内部构造中的载流子在反复加速碰撞中发生雪崩般地增生，形成高倍的光电流增益。APD传感器进行光电变换时，应使其PN上的反向电压值接近APD器件的反向击穿电压值，这时若用外部光能照射APD器件的受光面进行光子注入，就可以引起APD内部的载流子发生雪崩倍增效应，产生正比于入射光物理辐射功率的高倍光电流输出，实现高速高增益的光电信号转换过程。

图1 APD反向击穿电压VBR随温度变化的情况

源于APD的传感工作机理，其反向偏置电压和工作温度，对APD的光电变换特性和工作状态都有比较明显的影响。图1示出了APD反向击穿电压VBR随环境温度T变化的情况。可以看出，在APD的反向电压VR处于:VBR(Ta-Δt)＜VR＜VBR(Ta)时，当环境温度为T=Ta时APD尚未反向击穿;而当环境温度下降Δt，成为T=(Ta-Δt)时，VR就已大于VBR(Ta-Δt)，APD器件就已处于反向击穿状态了。同理，在APD的反向电压VR=VBR(Ta)时，当环境温度为T=Ta时，APD已处于反向击穿状态了;而当环境温度上升Δt，成为T=(Ta+Δt)时，由于这时VR＜VBR(Ta+Δt)，APD器件就又回复到尚未击穿的状态。因此，使用APD传感器时应高度注意反压和温度因素的变化，对APD击穿状态的影响。为了限制APD中电流的异常变化，保持光电传感器参数稳定，APD的反向偏压提供环节中有必要加入限流保护和维稳调节系统。

3 ADL5317对APD的控制功能

3.1 ADL5317的性能分析

ADL5317是为APD传感器的应用和工作稳定性而设计的集成电路。它可以直接联接各种APD传感器件，提供APD工作时所需要的高反向偏压，并同时监测和控制APD工作时的电流、电压和温度状态。当APD中电流过大或芯片元件过热时输出报警信号，并自动降低APD的偏压，限制APD中的电流值。具有保持APD参数稳定和保护元件的功能。ADL5317使用高、低压两组电源供电，并设有专用的APD反向偏压设置端子(VSET)，可以在6V～75V的宽范围内精确设置APD的反向偏压值。并能够以5:1的镜像比例在3nA～5mA的宽范围里精确跟踪监测APD光电二极管中的电流值，监测输出电流的线性度误差全程不超过0.5%。

3.1.1 APD 的偏压设定

图2电路中，ADL5317芯片的 VSET端子为APD光电二极管反向偏压设置(控制)端子，可通过接入0V～2.5V直流电压，控制VAPD端子电压按:VAPD=30×VSET之关系变化。VAPD端子是给APD光电二极管提供反向偏压的端子，直接连接APD光电二极管的负极，其输出电压值可在6V～75V之间设定调整。

图2 一种ADL5317与APD的连接方式

3.1.2 APD光电流的镜像监测

图2中，APD光电二极管中流过的电流为IAPD;IPDM端子是APD中流过电流(IAPD)的监测端子，它会以IAPD/5的镜像关系精确输出监测电流。ADL5317对APD电流进行镜像监测的核心电路是一个具有电压跟随功能的精密电流衰减器，它可以在保持VAPD端子电压稳定不变的条件下，以非常小的输入电流，精确监测流经VAPD端子的电流值，并将监测到的IAPD值精确衰减为IAPD/5之后，由电流监测端子IPDM输出。ADL5317对IAPD电流的监测范围可达到3nA～5mA;并且IPDM端子输出电流与APD电流(IAPD)之间全程保持着高度的线性关系，在10nA到1mA范围内线性度误差仅为0.25%，在5nA到5mA范围里线性度误差为0.5%。

3.2 ADL5317的偏压控制工作模式

在使用ADL5317对APD提供反向偏压的方式中，因APD反向偏压的受控方式不同，ADL5317有两种工作模式，即线性工作模式和电源跟踪工作模式，两种模式下APD反向偏压值的设置方式不同，引脚的联接方法也不同。

3.2.1 线性偏压控制模式设置

在APD的反向偏压(VAPD)需要由ADL5317设置端子(VSET)的电压值来设定或进行线性调控的场合，需要使ADL5317工作于线性偏压控制模式中。在线性工作模式下，VSET端子上的控制电压的变化范围为0V～2.5V;在VSET电压的这个变化范围里，APD偏压输出端子VAPD的电压值始终追随VSET端子上控制电压的变化而变化。其电压追随关系为:

但VAPD端子输出电压的最低值为6V，最高值为2.5V×30=75V;即VAPD端子的电压值可由(式3-1)在6V～75V之间设定。

图3 多个温度条件下VSET对VAPD控制特性

图3示出了在多个温度条件下，ADL5317高压电源输入电压为:VPHV=78V和VPHV=45V时VSET设置电压对IAPD输出电压的控制特性。可以看出VPHV不同的两段曲线的衡接情况良好，均保持着30倍的控制关系，并且在电压设定范围内保持着良好的线性设置关系。

ADL5317在线性工作模式下，一般将高压箝位电路端子VCLH与VPHV端子短接。这样可以扩大VAPD电压值的设置范围，可以将VAPD电压设置上限值扩大到(VPHV-1.5V)。在不同的高压电源VPHV电压输入值下，VAPD电压值的可设置范围如下:

3.2.2 电源跟随偏压控制模式设置

当需要使用电压可调的DC-DC直流变换器或用电压可调的高压电源来提供VPHV电压时，这种情况下不需要使用ADL5317的VSET-VAPD电压的线性设置功能，而需要通过直接调节高压电源电压VPHV来调整VAPD端子的输出偏压VAPD;这种情况下就需要使ADL5317工作于电源跟随偏压控制模式中。

在电源跟随模式中，VSET端子要接于+3.0V～+5.5V电压;即要求:+3.0V≤VSET≤+5.5V，使ADL5317芯片中的VSET电压放大器的输出电压上升至饱和状态，超出其线性可控范围，不再受VSET端子电压控制。并且还需要将高压箝位端子VCLH置空，保持2V箝位电压有效。这样，在电源跟随模式下，VAPD端子的输出电压就会跟随着高压电源VPHV端子电压的变化而变化，并且始终保持着VAPD端子电压低于VPHV端子电压2.0V的差值状态。图4示出了多温度条件下，VAPD端子输出电压VAPD跟随VPHV端子电压VPHV变化过程中，VAPD与VPHV的差值情况。

3.3 APD传感器的偏压联控工作方式

APD倍增因子(M)是指在相同的入射光照射条件下，APD传感器件发生雪崩增益后流过器件的光电流IAP，与器件未发生雪崩增益前流过器件的光电流IP之比值。即:

保持APD传感器稳定工作的关键在于保持雪崩倍增因子M值的稳定性。从图5的一种InGaAs-APD的典型特性曲线可知，APD的M值是随温度的上升而下降;而又随反向偏置电压的增大而上升的。这样便可以通过综合测控APD器件的温度值和反向偏压值来保持APD的M值的稳定。

图6 使用ADL5317的APD偏压综合控制电路

图6示出了使用ADL5317对APD偏压进行综合控制的电路结构图，电路工作于线性偏压控制模式下。在使用APD传感器和专用集成电路ADL5317进行光电变换时，可以先决定一个工作任务所要求的M0值;之后再将所选用的APD器件在M=M0时的条件温度值和偏压值的数据对应表测量(整理)出来，存入查表式电压发生器T的ROM中，并通过一只温度传感器S来实时监测APD器件的温度值，并实时将每个温度信号电压进行A/D变换后送入查表式电压发生器T中。由这个电压发生器T根据温度传感器S送来的APD器件的温度数据值，查找预置了对应控制电压数值的ROM表，并输出相应的控制电压值VT;这个VT值直接送入ADL5317的VSET端子，按照VAPD=30VSET的变换规律实时地调整VAPD端子的输出电压值。这样，便可以实现实时地调控APD的偏压值，在变化的温度环境中始终保持APD倍增因子M值的稳定性。

4 结束语

随着APD光电传感器在长距离光纤数据通信等众多领域发挥日益重要的作用，探索APD传感器的稳定工作方式显得尤为重要。本文结合APD传感器的光电变换工作特性和ADL5317的性能特点及内部的模块功能，对ADL5317的两种调控工作模式进行了分析和仿真，提出了一种APD传感器配合ADL5317使用的偏压设定方式和稳定应用方案。能够稳定APD工作时的偏压状态，并且在外界环境温度变化时，保持APD倍增因子M值的稳定性。研究结果对于APD传感器在外界条件变化时，保持其光电变换特性基本稳定，提供恒定增益方面具有重要意义;在设计APD高增益光电传感器应用系统，优化性能方面，具有理论引导和实际应用价值。

［1］金光義彦，深津晋.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］苏震.现代传感技术［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［3］SU Zhen，LIANG Xiaolong.Computation and analysis on the volt-ampere characteristics of photodiode sensor under the certain conditions［J］.4th International Congress on Image and Signal Processing，2011，2620-2623.

［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

苏震(1961-)，男(汉族)，北京市人，中国传媒大学副教授，中国电子学会高级会员.E-mail:sz100hz@163.com

(责任编辑

:宋金宝)