該電路產(chǎn)生并控制光通信中使用的雪崩光電二極管（APD）的低噪聲偏置電壓。可變電壓控制APD的雪崩增益，以?xún)?yōu)化光纖接收器的靈敏度。該電路采用低噪聲固定頻率PWM升壓轉(zhuǎn)換器，電感器工作在非連續(xù)電流模式。內(nèi)部 MOSFET 的慢速開(kāi)關(guān)可降低高頻尖峰，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲性能。提供了一個(gè)完整的電路，并建議使用擴(kuò)展電路。后者采用ADC進(jìn)行數(shù)字控制，允許微控制器讀取熱敏電阻，通過(guò)參考查找表提供溫度補(bǔ)償。

雪崩光電二極管（APD）在光通信中用作接收探測(cè)器。APD的高靈敏度和寬帶寬使其受到設(shè)計(jì)人員的歡迎。APD在結(jié)端以反向電壓工作，從而能夠產(chǎn)生電子-空穴對(duì)以響應(yīng)入射輻射。然后，電子-空穴對(duì)被外加磁場(chǎng)掃描并轉(zhuǎn)換為與輻射強(qiáng)度成比例的電流。

在器件結(jié)端施加可變反向偏置電壓會(huì)在A(yíng)PD工作期間產(chǎn)生可變的雪崩增益。反過(guò)來(lái)，改變雪崩增益可以?xún)?yōu)化光纖接收器的靈敏度。然而，為了達(dá)到令人滿(mǎn)意的雪崩增益水平，許多APD需要40V至60V范圍內(nèi)的高反向偏置電壓，有些需要高達(dá)80V的電壓。

APD的一個(gè)缺點(diǎn)是雪崩增益取決于溫度，并隨制造過(guò)程而變化。因此，對(duì)于A(yíng)PD必須以恒定增益工作的典型系統(tǒng)，高壓偏置必須變化，以補(bǔ)償溫度和制造過(guò)程對(duì)雪崩增益的影響。為了在典型的APD電源中實(shí)現(xiàn)恒定增益，溫度系數(shù)必須保持在大約+0.2%/°C，相當(dāng)于100mV/°C。

APD 電源

有許多方法可以調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，以補(bǔ)償APD的溫度引起的增益變化。APD模塊包含溫度測(cè)量裝置，如熱敏電阻，可以直接連接到電源進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。在某些系統(tǒng)中，微控制器（μC）讀取電阻值，然后向電源發(fā)出必要的偏置調(diào)整命令。

APD偏置電源（圖1）的原理圖基于低噪聲、固定頻率PWM升壓轉(zhuǎn)換器（U1），其電感器工作在非連續(xù)電流模式。有意減慢開(kāi)關(guān)時(shí)間，以減少在大多數(shù)情況下存在的高頻尖峰。較慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間可降低高頻di/dt和dv/dt速率，從而通過(guò)PCB走線(xiàn)或元件引腳之間的電流環(huán)路和電容將輻射和耦合噪聲降至最低。

圖1.通過(guò)改變0至2.5V的控制輸入電壓，低噪聲APD偏置電源產(chǎn)生71V至24.7V的輸出電壓變化。

在非連續(xù)電流模式下工作電感器可使衰減的電感電流自然地關(guān)閉二極管。MAX5026開(kāi)關(guān)頻率為500kHz，內(nèi)部橫向DMOS開(kāi)關(guān)器件的絕對(duì)最大額定值為40V。該電路與由C3、C4、D2和D3組成的外部倍壓器網(wǎng)絡(luò)配合使用，產(chǎn)生高達(dá)71V的輸出電壓。

倍頻器電路的穩(wěn)態(tài)操作功能如下：當(dāng)L2充電且LX引腳為低電平（內(nèi)部DMOS導(dǎo)通）時(shí)，C3在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)將電荷轉(zhuǎn)移到C1。當(dāng)內(nèi)部DMOS關(guān)斷時(shí)，電感電流正向偏置D1和D3。因此，提供給電容器C4的總電壓是VC2和VC3的總和。

MAX5026具有以下優(yōu)勢(shì)：

內(nèi)部 FET 的緩慢上升和下降時(shí)間可最大限度地降低耦合 di/dt 和 dv/dt 噪聲。

非連續(xù)模式電感工作自然換向D1，幾乎消除了二極管反向恢復(fù)引起的高di/dt噪聲。

固定頻率、500kHz PWM 操作可產(chǎn)生可預(yù)測(cè)且易于濾波的噪聲頻譜。

高集成度導(dǎo)致低成本和小尺寸。

采用5V輸入時(shí)，圖1的電路在1V輸出時(shí)提供超過(guò)71mA的輸出電流。圖2顯示了相對(duì)于控制輸入電壓的輸出電壓調(diào)整范圍，圖3顯示了三種輸出電壓設(shè)置的效率曲線(xiàn)。

圖2.該圖顯示了圖1電路的測(cè)量輸出電壓與控制輸入電壓的關(guān)系。

圖3.該圖顯示了圖1電路的效率曲線(xiàn)與輸出電流的關(guān)系。

電路的輸出電壓設(shè)置如下：

VOUT = [VREF × (R2 × R3 + R1 × R2 + R1 × R3) - VC × R2 × R3]/R1 × R3

其中 VREF= 1.25V 和 VC是控制輸入電壓。

圖1的電路具有約100mV的輸出紋波P-P在 71V 時(shí)，負(fù)載電流為 1mA。通過(guò)將低成本電解電容器（20μF、10V Nichicon VX 系列）與 100μF 陶瓷電容器并聯(lián)，可將該電平提高到 1mV 以下（圖 4）。可能需要額外的濾波以將噪聲降低到較低水平。APD電源的典型噪聲水平約為2mV。考慮到MAX5026的固定500kHz開(kāi)關(guān)頻率，使用簡(jiǎn)單的LC濾波器很容易達(dá)到這一電平。

圖4.該圖顯示了圖1電路的輸出電壓紋波，V.外= 71V， I外= 1mA，一個(gè)10μF電解電容與1μF輸出電容并聯(lián)。垂直軸為50mV/格，水平軸為200μs/格。

圖5的原理圖是具有數(shù)字可調(diào)輸出電壓的APD電源。控制環(huán)路中的μC讀取熱敏電阻值，提供溫度補(bǔ)償，通過(guò)查找表校正熱敏電阻曲率，并補(bǔ)償APD制造引起的增益變化。在該應(yīng)用電路中，當(dāng)輸出電壓在10V至2V范圍內(nèi)變化時(shí)，45位DAC （U25）可提供約71mV的分辨率。

圖5.這款低噪聲APD偏置電源的輸出電壓可在25V至71V范圍內(nèi)以45mV增量進(jìn)行數(shù)字編程。