巧用數字電位計調節 APD 偏置電壓
APD 是光學應用中經常使用的光敏元件，在以硅或者鍺為材料制成的光電二極管的 P-N 結上加反偏電壓后，射入的光被 P-N 結吸收后會形成光電流。增大反向偏置電壓的時候會產生 “雪崩” (即光電流成倍的激增) 現象，因此這種二極管被稱為 “雪崩光電二極管”。
APD 工作時，如果兩個電極之間的電壓差為零，此時 APD 處于零偏模式；如果兩個電極之間存在反向偏置電壓，則 APD 處于反偏模式。當反偏電壓增加到一定程度，反相飽和電流 IR 會突然急劇增加，這時 P-N 結被反向擊穿。我們把反向飽和電流增大到某一數值時對應的反偏電壓大小，定義為 APD 的反向擊穿電壓。
APD 偏置方案 雪崩二極管 APD 的偏置電壓需要幾十伏甚至更高，而此類系統的供電通常在＋5V 或者＋12V，因此需要一個專門的電路來產生偏置電壓。專用的偏置電壓控制器，針對此類應用進行了優化和功能擴展，本文將由ADI代理商駿龍科技的工程師 Luke Lu 以 ADI 的 LT3905 和 LT3571 為例做簡單介紹。
圖1LT3905APD 偏置方案
LT3905 是 ADI 公司適用于光接收器中提供 APD 偏置電壓的升壓型 DCDC 控制器，它內部集成了 DMOS 開關和肖特基整流二極管，外部只需要很少的器件就可以實現升壓功能。LT3905 的 APD 應用電路如上圖 (圖1) 所示，輸入電壓范圍在 2.7-12V，升壓后在 Vout 輸出。LT3905 FB 管腳電壓和 CTRL 電壓有關，如下圖 (圖2) 所示，所以也可以通過 CTRL 調整輸出電壓大小。
圖2LT3905 FB 電壓和CTRL 電壓關系圖
Vout 外部濾波后通過 MONIN 管腳返回芯片，在 APD 引腳上給外部 APD 施加偏置電壓。除了 LT3905 之外，LT3571 也是一款比較常見且能提供 APD 偏置電壓的 DCDC 轉換器方案，相比 LT3905 在輸入電壓范圍，LT3571 的輸出電壓范圍做了一定程度的擴展，優化了電流監控器動態范圍，對一些需要測量光功率的應用場合非常友好。 APD 平均倍增因子 雪崩二極管 APD 是利用雪崩倍增效應獲得輸出光電流增益，倍增因子 M 用來描述電流倍增的程度。倍增因子 M 是一個無量綱值，是指初級光電流經過雪崩倍增后獲得了 M 倍的放大。然而溫度變化對倍增因子 M 的影響十分明顯，通常 APD 的手冊數據手冊中都會給出不同溫度條件下的倍增因子曲線。如下圖 (圖3) 所示，為 C3095E 雪崩二極管的 M 在不同溫度變化下的影響。
圖3 溫度變化對 APD 倍增因子 M 的影響
實際應用中如果環境溫度的變化范圍比較大，為了保證系統增益的穩定性，需要對倍增因子 M 進行控制。當然最佳的方式是通過增加半導體加熱制冷器 TEC 來控制溫度，不過這無疑增加了很多成本。通過觀察上圖 (圖3) 發現，當溫度變化時，如果改變偏置電壓也可以達到控制倍增因子 M 的目的，無形之中我們有了另外一種思路來解決該問題。 實時控制 APD 偏置電壓 上文我們提到了對于電源輸出電壓 Vout 可以通過 CTRL 來控制，那么我們就來設計一個調整 CTRL 電壓來微調 Vout 電壓的電路。以 LT3571 為例，其實際 APD 偏壓設計電路，如下圖 (圖4) 所示：
圖4LT3571 實際 APD偏壓設計電路
以 AD5142 為例，數字調節 CTRL 電壓電路，如下圖 (圖5) 所示：
圖5AD5142 數字調節 CTRL電壓電路
電路描述 LT3571的 VREF 管腳是對外電壓，通常情況下在 1.2V，R8 電阻 20K 和 AD5142 內部的電阻串聯分壓給到 CTRL 管腳來控制 FB 電壓，達到控制輸出電壓的目的。AD5142 內部 256 步進，提供了很大程度的微調精度，在選擇內部 100K 電阻的情況下，微調一位可以控制電壓在 50mV 左右。AD5142 是一款雙通道 256 位、SPI 控制、非易失性數字電位計，它具有以下特點及優勢：- 寬帶寬：3MHz
- 4 kV ESD 保護
- 游標電流：±6mA
- 線性增益設置模式
- 單電源及雙電源供電
- 快速啟動時間 < 75μs
- 電阻容差：±8% (最大值)
- 低溫度系數：35 ppm/°C
- 10 kΩ 和 100 kΩ 電阻可選
- 獨立邏輯電源 (1.8V 至 5.5V)
- 寬工作溫度范圍：–40°C 至 +125°C
- 3mm × 3mm 封裝可選
本文介紹了 APD 雪崩二極管工作的原理，APD 重要參數倍增因子 M 隨溫度以及偏置電壓變化的影響，并探討了用數字電位計控制 APD 偏置電壓的方案，在最大程度控制成本的情況下解決此問題。
原文標題：巧用數字電位計調節 APD 偏置電壓
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