APD高压电路的设计-PPT课件
合集下载
《高压线路保护》课件
新型保护装置
光电式电流电压组合互感器
01
利用光学原理，实现高压线路电流和电压的准确测量，提高保
护装置的测量精度。
智能断路器
02
具备快速切断故障电流的能力，并具有数字化接口，可与保护
装置进行信息交互和远程控制。
集成保护模块
03
将多种保护功能集成在一个模块中，实现紧凑化设计，减少占
地面积和成本。
THANKS
继电保护装置
继电保护装置是高压线路中重要的保 护设备，用于检测线路中的故障和异 常情况，并采取相应的保护措施。
继电保护装置的种类繁多，常见的有 电流保护、电压保护、距离保护和方 向保护等。
继电保护装置通常由互感器、测量元 件、逻辑元件和执行元件等组成，通 过比较和判断线路中的电气量变化来 检测故障。
微机保护装置具有自适应和自 学习能力，可以根据运行情况 自动调整保护定值和特性，提 高保护的可靠性和准确性。
微机保护装置的通信功能强大 ，可以实现远程监控和控制， 方便调度和管理。
变压器保护装置
变压器是高压线路中的重要设备，变压器保护装置用于检测和保护变压器的运行状 态和故障情况。
变压器保护装置通常由电流继电器、电压继电器、差动继电器等组成，通过比较和 判断电气量变化来检测变压器的故障。
故障原因
设备老化、外力破坏、自然灾害、人为误操作等。
短路故障保护
短路电流计算
保护策略
根据短路类型和系统参数计算短路电 流。
采用定时限或反时限保护策略，以快 速切除故障。
短路保护装置
配置相应的短路保护装置，如继电器 、断路器等。
断线故障保护
断线检测
通过安装电流和电压传感器检测 线路是否断线。
APD升压电路培训
2013-11-21 7
直流斩波电路
• 当开关V断开时： • E和电感L产生的感应高压同时向电容C充电， 并向负载R提供电流。因为电感的特性，电流 不能突变仍为I。假设开关断开的时间为Toff,此 时电感释放的磁能为 • W2=P*Toff=(E-U0)*I*Toff
2013-11-21 8
直流斩波电路
•
上图中的本质也就是：磁能->电能->磁能->电能………..如此反复的对电感进行 充放电，来维持电感两端的高压。
2013-11-ห้องสมุดไป่ตู้1
5
电感原理
2013-11-21
6
直流斩波电路
• 当开关V导通时： • 电源给电感充电，电感存储磁能，电容给负载 R供电。 • 假设充电时流过电感的电流为I,开关导通的时 间为Ton.那么电感所存储的磁能为 W1=P*Ton=E*I*Ton
11
Q&A
问题？？？
2013-11-21
12
APD升压电路培训
2013-11-20
APD升压电路原理图
•
如图：升压原理主要分为：斩波短路，倍压电路，APD_SET分压电路组成。
2013-11-21
2
静态工作点电压
2013-11-21
3
APD升压电路稳态仿真
2013-11-21
4
电感原理
• 电感两端产生高压的原因？
•
由于电感为储能原件，当电路突然断开时，电感中的电流不能突变，将在电 感的两端产生高压，来维持电感中的电流。
• 当电路工作一段时间，为稳态时，电感吸 收的能量因该和释放的能量相等： • W1=W2 • E*I*Ton=(E-U0)*I*Toff • 化简上式为U0=(T0ff+Ton)/Toff*E=(T/Toff)*E
直流斩波电路
• 当开关V断开时： • E和电感L产生的感应高压同时向电容C充电， 并向负载R提供电流。因为电感的特性，电流 不能突变仍为I。假设开关断开的时间为Toff,此 时电感释放的磁能为 • W2=P*Toff=(E-U0)*I*Toff
2013-11-21 8
直流斩波电路
•
上图中的本质也就是：磁能->电能->磁能->电能………..如此反复的对电感进行 充放电，来维持电感两端的高压。
2013-11-ห้องสมุดไป่ตู้1
5
电感原理
2013-11-21
6
直流斩波电路
• 当开关V导通时： • 电源给电感充电，电感存储磁能，电容给负载 R供电。 • 假设充电时流过电感的电流为I,开关导通的时 间为Ton.那么电感所存储的磁能为 W1=P*Ton=E*I*Ton
11
Q&A
问题？？？
2013-11-21
12
APD升压电路培训
2013-11-20
APD升压电路原理图
•
如图：升压原理主要分为：斩波短路，倍压电路，APD_SET分压电路组成。
2013-11-21
2
静态工作点电压
2013-11-21
3
APD升压电路稳态仿真
2013-11-21
4
电感原理
• 电感两端产生高压的原因？
•
由于电感为储能原件，当电路突然断开时，电感中的电流不能突变，将在电 感的两端产生高压，来维持电感中的电流。
• 当电路工作一段时间，为稳态时，电感吸 收的能量因该和释放的能量相等： • W1=W2 • E*I*Ton=(E-U0)*I*Toff • 化简上式为U0=(T0ff+Ton)/Toff*E=(T/Toff)*E
高压线路讲解PPT课件
便。
金属杆
机械强度高，搬运安装 方便，使用年限长。
耗用钢材多，投资大，维 护中除锈及刷漆工作量大。
分铁塔、 钢管塔、 型钢杆
第5页/共67页
2、按功能分类
种类名称
适用范围
作用
直线杆 耐张杆
转角杆
终端杆
特殊杆
跨越杆 分支杆
主要用于线路直线段中
承受垂直方向上的荷载
主要用于线路分段处
主要用于线路转角处
位于线路首、末段端，发 电厂、变电站出线的第一 基杆塔，线路最末端一基 杆塔 跨越公路、铁路、河流、
p147第二节电力电缆线路一电力电缆线路的优缺点优点缺点不占用地上空间地下敷设电缆不占用地上空间一般不受直上建筑物的影响投资大供电可靠性高引出分支线路较困难电击可能性小故障测寻比较困难分布电容较大电缆头制作工艺要求高维护工作量少二电力电缆基本结构和种类一基本结构1线芯
一、电力线路的定义、类别 （一）电力线路
第11页/共67页
对比项目
宽基
窄基
安装方式
将铁塔的每根主材（每条腿） 分别安置在一个独立基础上
将铁塔的四根主材（四条腿）均 安置在一个基础上
优点
稳定性较好
出土占地面积小
缺点
占地面积较大
为了满足抗倾覆能力要求，基础 在地下部分较深、较大
适用范围
郊区和旷野地区
市区配电线路上或地形较窄地段。
第12页/共67页
绝缘导线按电压等级分中压绝缘线（10kV）和低压绝缘线。
第15页/共67页
（五）常用绝缘子 1、什么是绝缘子？它是一种隔电部件，其用途 是使导线与导线之间以及导线与大地之间绝缘，支持、 悬吊导线，并固定于杆塔的横担之上。因此，绝缘子 应具有良好的电气性能和机械性能。另外，它常暴露 在大气中，必须具有较强的抗御能力。 2、种类及用途
APD偏压的自适应电路设计
电子技术• Electronic TechnologyAPD 偏压的自适应电路设计文/朱斌本文介绍了雪崩光电二极管摘 偏压、增益、温度三者之间的关系。
要 设计出基于PIC 单片机的自适应 ■调节电路，介绍了电路的具体设计方案、硬软件实施方法，并在 理论分析的基础上进行了验证及 改进。
实验表明，该电路电压偏 差小于0. 5V,可满足工程化应用。
图1：电路设计方案原理框图【关键词】APD 偏压自适应电路设计1引言雪崩光电二极管(avalanche photodiode ,APD)具有体积小、灵敏度高、响应速度快等 特点，特别是在内部雪崩倍增时可将信号倍增 上百倍，且倍增后的噪声仅与运放本底噪声水平相当，从而极大地提髙了系统的信噪比，被 广泛应用于光纤通信、激光测距、星球定向和军事测控等领域。
APD 工作时的信噪比(SNR)为：2q(I p + I DA )BM !F + 2qI DS (J)式(1)中：M 为APD 的雪崩增益，I ”为M=1时的光电流，和输入光信号功率成正 比，I da 为参与倍增的暗电流，I ds 为不参与倍 增的暗电流，B 为带宽，F 为过剩噪声系数，K 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，陽为负载， q 为输入光信号功率。
通过式(1)可以看出， 在APDI 作时随着雪崩增益M 的增大，信噪 比也逐渐增加；M 继续增大信噪比反而会变 小，故存在一个最优雪崩倍增因子Mp ：M | 2KT |小式(2)中，x 为APD 的过剩噪音指数，其大小取决于APD 的结构和制作材料的不同。
从式(2)中可知，APD 的最佳雪崩增益与温度、 输入信号光功率、器件自身的暗电流及负载大 小等有关。
其中温度的影响最为突出，温度的变化是影响最佳雪崩增益的关键因素。
因使用环境的不同，APD 不总是工作在一个恒温的 状态。
当温度变化时，最优雪崩倍增因子也随 之发生改变。
根据作者在理论和实验的研究中 发现，当APD 增益比较恒定时，其偏压Vb 与 温度T 之间存在一定的线性关系，该线性关系为:V b = ^L(0.51T-lI.98)+V BK ⑶式(3)中，Pp 是入注光功率，I ］是APD 的量子效率，V br 是PN 结的反向击穿电压。
高压供配电系统设计案例课件
经济效益
提高了供电效率，减少了能源 浪费，为客户节省了大量电费 和维护成本
社会效益
保障了工业园区的正常生产和 运营，为当地经济发展做出了 贡献
行业影响
该案例的成功实施为高压供配 电系统的升级改造提供了有益 的参考和借鉴，推动了行业的
发展
高压供配电系统设计技术
电源设计
电源设计概述
电源设计是高压供配电系统设计的核 心，包括电源的容量、电压等级、接 线方式等方面的考虑。
根据电路的特性和运行要求，设置相应的 保护装置，如断路器、熔断器、避雷器等。
设备选 型
设备选型概述
设备选型是高压供配电系统 设计的关键环节之一，包括 开关柜、变压器、电动机等 设备的选择。
开关柜的选择
根据电路设计和运行要求， 选择合适的开关柜类型和规 格，如金属封闭铠装式、固 定式等。
变压器的选择
问题和瓶颈
方案设计
根据客户需求和系统分 析结果，制定详细的高 压供配电系统设计方案
设备选型
根据方案设计，选择合 适的变压器、开关柜、
电缆等设备
施工与调试
按照设计方案进行施工， 确保施工质量；完成施 工后进行系统调试，确 保正常运行
案例效果与影响
效果评估
经过升级改造后，供配电系统 的稳定性、可靠性和经济性得 到显著提升，满足了客户需求
设计图纸与技术文档
设计图纸
高压供配电系统的设计图纸是设计的直观表现形式，包括电气原理图、接线图、 设备布置图等。设计图纸应清晰、准确，能够完整地反映系统的结构和功能。
技术文档
高压供配电系统的设计涉及到大量的技术参数和数据，这些数据需要被详细记 录并整理成技术文档。技术文档包括设备说明书、技术规格书、系统运行和维 护手册等，是系统运行和维护的重要参考依据。
提高了供电效率，减少了能源 浪费，为客户节省了大量电费 和维护成本
社会效益
保障了工业园区的正常生产和 运营，为当地经济发展做出了 贡献
行业影响
该案例的成功实施为高压供配 电系统的升级改造提供了有益 的参考和借鉴，推动了行业的
发展
高压供配电系统设计技术
电源设计
电源设计概述
电源设计是高压供配电系统设计的核 心，包括电源的容量、电压等级、接 线方式等方面的考虑。
根据电路的特性和运行要求，设置相应的 保护装置，如断路器、熔断器、避雷器等。
设备选 型
设备选型概述
设备选型是高压供配电系统 设计的关键环节之一，包括 开关柜、变压器、电动机等 设备的选择。
开关柜的选择
根据电路设计和运行要求， 选择合适的开关柜类型和规 格，如金属封闭铠装式、固 定式等。
变压器的选择
问题和瓶颈
方案设计
根据客户需求和系统分 析结果，制定详细的高 压供配电系统设计方案
设备选型
根据方案设计，选择合 适的变压器、开关柜、
电缆等设备
施工与调试
按照设计方案进行施工， 确保施工质量；完成施 工后进行系统调试，确 保正常运行
案例效果与影响
效果评估
经过升级改造后，供配电系统 的稳定性、可靠性和经济性得 到显著提升，满足了客户需求
设计图纸与技术文档
设计图纸
高压供配电系统的设计图纸是设计的直观表现形式，包括电气原理图、接线图、 设备布置图等。设计图纸应清晰、准确，能够完整地反映系统的结构和功能。
技术文档
高压供配电系统的设计涉及到大量的技术参数和数据，这些数据需要被详细记 录并整理成技术文档。技术文档包括设备说明书、技术规格书、系统运行和维 护手册等，是系统运行和维护的重要参考依据。
医学影像设备学X线成像设备(5)高压电路PPT课件
• 由于谐振，使饱和铁心很快饱和。并且阻抗 无限大，A、B点之间电流很小，从而减少 了电源的供电功率，提高的稳压器效率。
谐振式磁饱和稳压器
• 如果再在输出端串接一个补偿一个线圈L3， 并把L2制成多抽头自耦变压器形式，就可减 小C容量，并可使稳压器输出电压与输入的 额定电压相等。
• L2与L3极性相反
磁饱和稳压器
• 随电源电压的增加，铁心内磁通量也随着增 加。
• 当磁通量达到饱和点时，电源电压再增加， 增加的磁通只能漏到空气中，而次级铁心内 的磁通量基本保持不变。
• 所以次级线圈所产生的输出电压也基本不变， 起到了稳压的作用。
谐振式磁饱和稳压器
• 常规的磁饱和稳压器为了使铁心达到饱和， 需要很大的磁化电流。
• 在高压次级的正负端各串接一个高压调整管。
这种方法完全避免了高压初级电路 的电弧放电； 高压调整管除具有开关作用外，还 具有使管电压波形平稳的稳压作用。
管电压预示与补偿电路
• 管电压预示
– 管电压直接测量和准确测量比较困难，一般采用间接测 量法和预示法。
• 管电压补偿
– 由于电源电阻，变压器阻抗，电路内阻等影响，X线发 生时，电路中将会存在压降。
的供电系统失衡。
三相全波整流电路
• 缺点：
– 电路复杂、体积庞大、造价高。 – 三相投闸比较复杂，不易实现零相投闸。 – 三相滑轮自耦变压器容易使电压波形变坏。
三相全波整流电路
• 高压整流电路
五、高压次级电路
• 高压次级电路是指由高压变压器次级线圈至 X线管两极所构成的回路。
单向全波整流电路
• 原理：四个硅堆组成桥式整流电路，中心点 接地。
单向全波整流电路
• 单向全波桥式高压整流电路中，对交流电的 任意半周，X线管的阳级总是正电压，阴极 总是负电压，均可产生X线。
谐振式磁饱和稳压器
• 如果再在输出端串接一个补偿一个线圈L3， 并把L2制成多抽头自耦变压器形式，就可减 小C容量，并可使稳压器输出电压与输入的 额定电压相等。
• L2与L3极性相反
磁饱和稳压器
• 随电源电压的增加，铁心内磁通量也随着增 加。
• 当磁通量达到饱和点时，电源电压再增加， 增加的磁通只能漏到空气中，而次级铁心内 的磁通量基本保持不变。
• 所以次级线圈所产生的输出电压也基本不变， 起到了稳压的作用。
谐振式磁饱和稳压器
• 常规的磁饱和稳压器为了使铁心达到饱和， 需要很大的磁化电流。
• 在高压次级的正负端各串接一个高压调整管。
这种方法完全避免了高压初级电路 的电弧放电； 高压调整管除具有开关作用外，还 具有使管电压波形平稳的稳压作用。
管电压预示与补偿电路
• 管电压预示
– 管电压直接测量和准确测量比较困难，一般采用间接测 量法和预示法。
• 管电压补偿
– 由于电源电阻，变压器阻抗，电路内阻等影响，X线发 生时，电路中将会存在压降。
的供电系统失衡。
三相全波整流电路
• 缺点：
– 电路复杂、体积庞大、造价高。 – 三相投闸比较复杂，不易实现零相投闸。 – 三相滑轮自耦变压器容易使电压波形变坏。
三相全波整流电路
• 高压整流电路
五、高压次级电路
• 高压次级电路是指由高压变压器次级线圈至 X线管两极所构成的回路。
单向全波整流电路
• 原理：四个硅堆组成桥式整流电路，中心点 接地。
单向全波整流电路
• 单向全波桥式高压整流电路中，对交流电的 任意半周，X线管的阳级总是正电压，阴极 总是负电压，均可产生X线。
APD高压电路
倍压过程： 倍压过程：
① VT截止时，L放电，D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，C1两端电压达到VC1（ L产生的 反向感应电势） 反向感应电势）。 ② VT导通时， L储能，VC1> Va ， D1截止，D2 导通。此时，C1的电荷经过D2对C2充电，直至C2 两端电压VC2 =VC1 。 ③ VT再次截止时，L放电，L产生的反向感应电势和C2上的电压联合作用VC2 +VC1 ，通过D3对C3 充电，此时C3上的电压就近似为2 VC1 ，实现了二倍压。
升压电路
ห้องสมุดไป่ตู้
倍压电路
热敏电阻
温度补偿 APD
光电流Ig 光电流
1. 升压电路
光模块内部采用的升压电路一般都是非常成熟了的能够实现DC/DC转换功能的 专用升压芯片，如Linear的LT1930、Maxim的MAX1771等。通过DC/DC Converter 能将输入的电源电压（3.3V或5V）转换成20、30几伏的高压输出。 这里提到的Converter是指Boost Converter（升压变换器）。Boost Converter （升压变换器） 主要由开关晶体管VT、二极管VD、储能电感L和输出滤波电容C所组成。其电路拓 扑结构及波形如图所示。
3. 温度补偿
APD的温度补偿一般是通过负温度系数的热敏电阻来实现的。热敏电阻 （APD内部集成或者外围提供）将环境温度的变化反映到DC/DC Converter的输 入反馈电压处，从而控制APD的高压随工作温度的变化而变化。
下面给出一个实际的高压电路，说明高压电路的工作过程。
环境温度升高 环境温度降低
WTD自制 自制APD 自制
JDSU Mini-DIL APD
1. APD总体介绍 总体介绍
高压供配电系统设计案例PPT课件
许发热条件选择导线截面，而未采用经济电流密度选择导线截面。
第16页/共54页
• 查有关手册或新产品样本，选择钢芯铝绞线LGJ－35，其允许电流为 170A>I30′=75.67A,满足要求。该导线单位长度电阻R0=0.85 Ω/km,单位 长度电抗X0=0.36 Ω/km。
•
查有关设计手册，经过计算，35 kV供电的投资费用Z1见表3.7，年运
•
（3）10 kV馈电线路设备选择。以到一车间的馈电线路为例，10 kV
馈电线路设备如表3.14所示。
第36页/共54页
• 第37页/共54页
• 6.车间变电所位置和变压器数量、容量的选择
• 车间变电所的位置、变压器数量和容量可根据厂区平面布置图提供的 车间分布情况和车间负荷的中心位置、负荷性质、负荷大小等，结合各项 选择原则，与工艺、土建有关方面协商确定。本厂拟设定六个车间变电所， 每个车间变电所装设一台变压器，变压器容量见表3.15。
• 5.电气设备选择
• 根据上述短路电流计算结果，按正常工作条件选择和按短路情况校验 确定的总降压变电所高、低压电气设备如下:
•
(1) 主变压器35 kV侧电气设备如表3.12所示。
第34页/共54页
第35页/共54页
• （2）主变压器10k V侧设备（主变压器低压侧及备用电源进线）如表 3.13所示。该设备分别组装在两套高压开关柜GG－1A（F）中。其中10 kV母线按经济电流密度选为LMY 3（50×5）铝母线，其允许电流740 A 大于10 kV侧计算电流288.7 A，动稳定和热稳定均满足要求。
按1000元/kW计算。 • 6 其他基础投资 • ① 全厂总平面布线图； • ② 全厂管理系统图； • ③ 车间环境的说明及建筑条件的要求；
APD高压电路的设计.ppt
这里提到的Converter是指Boost Converter（升压变换器）。Boost Converter 主要由开关晶体管VT、二极管VD、储能电感L和输出滤波电容C所组成。其电路拓 扑结构及波形如图所示。
toff ton
电路拓扑
升压过程：
VT的工作周期Ts = ton+toff，VT在ton期间导通，在
2. APD内部主要结构
3. APD主要参数
偏置电压— APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为常温60V；最近市场上 也有低偏压APD推出，其高压只需20、30几伏。 响应度— 典型的APD响应度为0.8A/W （M=1），其中M为倍增因子， M=倍增后的电流Ig/无倍增的光生电流Ip。 饱和光功率— 如图，当输入APD的 光功率Pin达到一定值后，光电流将 趋于饱和，只有在Pin低于一定值的 情况下，其输出光电流与偏压有较 大的线性范围，APD的内阻R越小， 线性范围越大。
并供给负载。
iL2
U in
U0 L
(Ts ton )
I L max
(b)工作波形
③
UO
1
1
U in
其中，δ = ton / Ts 为占空比，当改变δ时，就能获得所需的上升的电压值。
在实际应用中，DC/DC Converter芯片的输出电压经分压得到的反馈电压 与芯片内部的参考电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM控制器（根据 误差信号产生不同的占空比δ来控制信号）来控制功率管的开关。当误差放大 器EA的输出增加时，输出的开关电流增加；当EA的输出减小时，输出的开关 电流减小，从而实现高压输出的自动调节。
不同输入光强下，APD的光电流 随偏压的变化
4. APD的温度特性
toff ton
电路拓扑
升压过程：
VT的工作周期Ts = ton+toff，VT在ton期间导通，在
2. APD内部主要结构
3. APD主要参数
偏置电压— APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为常温60V；最近市场上 也有低偏压APD推出，其高压只需20、30几伏。 响应度— 典型的APD响应度为0.8A/W （M=1），其中M为倍增因子， M=倍增后的电流Ig/无倍增的光生电流Ip。 饱和光功率— 如图，当输入APD的 光功率Pin达到一定值后，光电流将 趋于饱和，只有在Pin低于一定值的 情况下，其输出光电流与偏压有较 大的线性范围，APD的内阻R越小， 线性范围越大。
并供给负载。
iL2
U in
U0 L
(Ts ton )
I L max
(b)工作波形
③
UO
1
1
U in
其中，δ = ton / Ts 为占空比，当改变δ时，就能获得所需的上升的电压值。
在实际应用中，DC/DC Converter芯片的输出电压经分压得到的反馈电压 与芯片内部的参考电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM控制器（根据 误差信号产生不同的占空比δ来控制信号）来控制功率管的开关。当误差放大 器EA的输出增加时，输出的开关电流增加；当EA的输出减小时，输出的开关 电流减小，从而实现高压输出的自动调节。
不同输入光强下，APD的光电流 随偏压的变化
4. APD的温度特性
雪崩光电二极管(APD)PPT课件
k = h/e
is found to lie in the range 0.01 to 100.
10
The Multiplication Process - Experimental Behaviour
Two factors limit the increase of Me, the multiplication factor for the injected electrons and hence I as the applied voltage approaches the breakdown voltage, VB, at which the values e and h satisfy the condition for breakdown, that is M->.
2
3
4
5Hale Waihona Puke 678The Multiplication Process
Measured values of ionisation coefficients e and h for some
common semiconductor materials, plotted versus (1/E).
12
13
14
M = 1 / |1-(V-IR’)/VB|n
Where R’ = RS +RTh is the sum of the series resistance, RS, and an effective resistance, RTh, which derives from the rise in temperature. The index, n, is a function of the detailed design and the material of the diode. Some typical 11 curves of M(V) for a silicon APD are shown in the figure.
雪崩光电二极管(APD)PPT课件
PIN二极管特点： • 结构简单
• 可靠性高，电压低， 使用方便
• 量子效率高 • 噪声小 • 带宽较高
APD二极管特点： • 灵敏度高 • 高增益 • 高电压，结构复杂 • 噪声大
应用——APD
载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程 所需的时间越长。因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积 ”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩 光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下， 与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往 不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应 速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积很高。
雪崩光电二极管 （APD）
目录
• 名词释义 • 工作原理 • 制造材料的选择 • 结构 • 特性参数 • PIN光电二极管和APD光电二极管的比较 • 应用
名词释义——APD
APD是激光通信中使用的光敏元件。在以硅或 锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压 后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反 向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管” 。
2、响应度RAPD
q
RAPD hv G RpinG
式中，为量子效率。等 式意义为单位入射光功 率所产生的短路光电流 ，表征光电二极管的转 换效率。
特性参数——APD
3、过剩噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不
会经历相同的倍增过程，具有随机 性，这将导致倍增增益的波动，这 种波动是额外的倍增噪声的主要根 源，通常用过剩噪声因子F来表征 这种倍增噪声。
结构——APD
3、SAGM型APD
P-N结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生 载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能 ，它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对， 这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流 子的雪崩倍增，得到电流增益。在0.6～0.9μm波 段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（铟镓 砷）/InP（铟磷）APD是长波长（1.3μm，1.55μm ）波段光纤通信比较理想的光检测器。其优化结 构如图所示，光的吸收层用InGaAs材料，它对 1.3μm和1.55μm的光具有高的吸收系数，为了避 免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩 区与吸收区分开，即P-N结做在InP窗口层内。鉴 于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数， 雪崩区选用n型InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存 在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其 间夹入带隙渐变的InGaAsP（铟镓砷磷）过渡区 ，形成SAGM（分别吸收、分级和倍增）结构。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
倍压过程：
① VT截止时，L放电，D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，C1两端电压达到VC1（ L产生的 反向感应电势）。 ② VT导通时， L储能，VC1> Va ， D1截止，D2 导通。此时，C1的电荷经过D2对C2充电，直至C2 两端电压VC2 =VC1 。 ③ VT再次截止时，L放电，L产生的反向感应电势和C2上的电压联合作用VC2 +VC1 ，通过D3对C3 充电，此时C3上的电压就近似为2 VC1 ，实现了二倍压。
toff ton
电路拓扑
升压过程：
VT的工作周期Ts = ton+toff，VT在ton期间导通，在 toff期间截止。 ①在ton期间，电源Uin的能量存储于L中，VT导通， VD反偏，由C向负载供给能量。
U U in I iL1 t ILm in Lmax intonILmin L L
APD VBR的温度 系数一般约为： 0.1V/℃
温度对APD的增益-电压特性的影响
二、 APD高压电路
目前光模块的工作电压一般为3.3V或5V，而APD所需的工作电压高达几十伏。 为保证APD的正常工作，需要引入高压电路及相应的温度补偿措施。APD高压电 路主要包括升压电路、倍压电路 和温度补偿 三个部分。
在实际应用中，DC/DC Converter芯片的输出电压经分压得到的反馈电压 与芯片内部的参考电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM控制器（根据 误差信号产生不同的占空比δ来控制信号）来控制功率管的开关。当误差放大 器EA的输出增加时，输出的开关电流增加；当EA的输出减小时，输出的开关 电流减小，从而实现高压输出的自动调节。 Converter内部 参考电压输入
2. APD内部主要结构
3. APD主要参数
偏置电压— APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为常温60V；最近市场上
也有低偏压APD推出，其高压只需20、30几伏。
响应度— 典型的APD响应度为0.8A/W
（M=1），其中M为倍增因子， M=倍增后的电流Ig/无倍增的光生电流Ip。
饱和光功率— 如图，当输入APD的
升压电路
倍压电路
热敏电阻
温度补偿APD源自光电流Ig1. 升压电路
光模块内部采用的升压电路一般都是非常成熟了的能够实现DC/DC转换功能的
专用升压芯片，如Linear的LT1930、Maxim的MAX1771等。通过DC/DC Converter
能将输入的电源电压（3.3V或5V）转换成20、30几伏的高压输出。 这里提到的Converter是指Boost Converter（升压变换器）。Boost Converter 主要由开关晶体管VT、二极管VD、储能电感L和输出滤波电容C所组成。其电路拓 扑结构及波形如图所示。
光功率Pin达到一定值后，光电流将
趋于饱和，只有在Pin低于一定值的 情况下，其输出光电流与偏压有较 大的线性范围，APD的内阻R越小， 线性范围越大。
不同输入光强下，APD的光电流 随偏压的变化
4. APD的温度特性
如图，环境温度的变化对APD
的特性影响很大，当温度升高时，
APD的击穿电压VBR也随着上升， 如果APD的工作电压（即高压）不 变，APD的光电检测性能会变弱， 灵敏度降低。
APD高压电路介绍
May 2019
一、APD光电检测器的工作特性
二、APD工作的高压电路及温度补偿
一、 APD的工作特性
在光纤通信系统中应用的光电检测器的作用是把接收到的光信号转换成电流信 号。最常用的光电检测器是半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。
WTD自制APD
JDSU Mini-DIL APD
EA 反馈电压输入
PWM控制器
Gate 驱动器
高压输出
Boost Converter
振荡器
DC/DC Converter升压原理框图
2. 倍压电路
虽然DC/DC Converter能输出20、30几伏的电压，但APD的工作电压高达50、 60几伏，这就需要将Converter的输出电压进行倍压，以满足APD的工作需要。倍压 电路一般由整流二极管和电容构成，对前面介绍的Boost Converter进行倍压，典型 的倍压电路如图所示。
1. APD总体介绍
APD—Avalanche Photon Diode
APD光电检测器能对器件内部的光生载流子电流进行放大，即所谓内部倍增作 用。这种倍增作用的大小与器件的工作偏置有关，其响应度随偏置电压的增加而增加， 当其偏置接近击穿电压时，响应度急剧增加，这就是所谓的“雪崩”效应。正因为 “雪崩”效应，在一定的输入光功率Pin条件下，APD能够产生数倍于PIN光电流的光 生电流，使其光电灵敏度更高，故APD常用于长程传输或DWDM等需要高接收灵敏 度的光纤通信系统。
②在toff期间，VT截止，L中的电流不能突变，产 生感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为右 正左负，VD导通，L中存储的能量经VD、流入C，
并供给负载。
U U in 0 i ( T s t ) I L 2 on L max L
(b)工作波形
③
U O
1 Uin 1
其中，δ = ton / Ts 为占空比，当改变δ时，就能获得所需的上升的电压值。
R6 R6
VFB VFB
APD高压 APD高压
3. 温度补偿
APD的温度补偿一般是通过负温度系数的热敏电阻来实现的。热敏电阻 （APD内部集成或者外围提供）将环境温度的变化反映到DC/DC Converter的输 入反馈电压处，从而控制APD的高压随工作温度的变化而变化。
下面给出一个实际的高压电路，说明高压电路的工作过程。
环境温度升高 环境温度降低