低噪声APD偏置电路

该电路产生并控制光通信中使用的雪崩光电二极管（APD）的低噪声偏置电压。可变电压控制APD的雪崩增益，以优化光纤接收器的灵敏度。该电路采用低噪声固定频率PWM升压转换器，电感器工作在非连续电流模式。内部 MOSFET 的慢速开关可降低高频尖峰，从而实现低噪声性能。提供了一个完整的电路，并建议使用扩展电路。后者采用ADC进行数字控制，允许微控制器读取热敏电阻，通过参考查找表提供温度补偿。

雪崩光电二极管（APD）在光通信中用作接收探测器。APD的高灵敏度和宽带宽使其受到设计人员的欢迎。APD在结端以反向电压工作，从而能够产生电子-空穴对以响应入射辐射。然后，电子-空穴对被外加磁场扫描并转换为与辐射强度成比例的电流。

在器件结端施加可变反向偏置电压会在APD工作期间产生可变的雪崩增益。反过来，改变雪崩增益可以优化光纤接收器的灵敏度。然而，为了达到令人满意的雪崩增益水平，许多APD需要40V至60V范围内的高反向偏置电压，有些需要高达80V的电压。

APD的一个缺点是雪崩增益取决于温度，并随制造过程而变化。因此，对于APD必须以恒定增益工作的典型系统，高压偏置必须变化，以补偿温度和制造过程对雪崩增益的影响。为了在典型的APD电源中实现恒定增益，温度系数必须保持在大约+0.2%/°C，相当于100mV/°C。

APD 电源

有许多方法可以调节电源的输出电压，以补偿APD的温度引起的增益变化。APD模块包含温度测量装置，如热敏电阻，可以直接连接到电源进行输出电压调节。在某些系统中，微控制器（μC）读取电阻值，然后向电源发出必要的偏置调整命令。

APD偏置电源（图1）的原理图基于低噪声、固定频率PWM升压转换器（U1），其电感器工作在非连续电流模式。有意减慢开关时间，以减少在大多数情况下存在的高频尖峰。较慢的开关时间可降低高频di/dt和dv/dt速率，从而通过PCB走线或元件引脚之间的电流环路和电容将辐射和耦合噪声降至最低。

图1.通过改变0至2.5V的控制输入电压，低噪声APD偏置电源产生71V至24.7V的输出电压变化。

在非连续电流模式下工作电感器可使衰减的电感电流自然地关闭二极管。MAX5026开关频率为500kHz，内部横向DMOS开关器件的绝对最大额定值为40V。该电路与由C3、C4、D2和D3组成的外部倍压器网络配合使用，产生高达71V的输出电压。

倍频器电路的稳态操作功能如下：当L2充电且LX引脚为低电平（内部DMOS导通）时，C3在导通时间内将电荷转移到C1。当内部DMOS关断时，电感电流正向偏置D1和D3。因此，提供给电容器C4的总电压是VC2和VC3的总和。

MAX5026具有以下优势：

内部 FET 的缓慢上升和下降时间可最大限度地降低耦合 di/dt 和 dv/dt 噪声。

非连续模式电感工作自然换向D1，几乎消除了二极管反向恢复引起的高di/dt噪声。

固定频率、500kHz PWM 操作可产生可预测且易于滤波的噪声频谱。

高集成度导致低成本和小尺寸。

采用5V输入时，图1的电路在1V输出时提供超过71mA的输出电流。图2显示了相对于控制输入电压的输出电压调整范围，图3显示了三种输出电压设置的效率曲线。

图2.该图显示了图1电路的测量输出电压与控制输入电压的关系。

图3.该图显示了图1电路的效率曲线与输出电流的关系。

电路的输出电压设置如下：

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

其中 VREF= 1.25V 和 VC是控制输入电压。

图1的电路具有约100mV的输出纹波P-P在 71V 时，负载电流为 1mA。通过将低成本电解电容器（20μF、10V Nichicon VX 系列）与 100μF 陶瓷电容器并联，可将该电平提高到 1mV 以下（图 4）。可能需要额外的滤波以将噪声降低到较低水平。APD电源的典型噪声水平约为2mV。考虑到MAX5026的固定500kHz开关频率，使用简单的LC滤波器很容易达到这一电平。

图4.该图显示了图1电路的输出电压纹波，V.外= 71V， I外= 1mA，一个10μF电解电容与1μF输出电容并联。垂直轴为50mV/格，水平轴为200μs/格。

图5的原理图是具有数字可调输出电压的APD电源。控制环路中的μC读取热敏电阻值，提供温度补偿，通过查找表校正热敏电阻曲率，并补偿APD制造引起的增益变化。在该应用电路中，当输出电压在10V至2V范围内变化时，45位DAC （U25）可提供约71mV的分辨率。

图5.这款低噪声APD偏置电源的输出电压可在25V至71V范围内以45mV增量进行数字编程。