APD高压电路的设计
APD偏压电路的最佳设计
（２）
方程2中符号和方程1中符号的含义相同。我们知道，最佳倍增因子是外部温度、光信号功率、背景光功率，APD噪声、光谱灵敏度、放大器噪声和系统带宽的函数。此外，特别是APD内部结构决定了其倍增增益M随工作温度变化而变化。用温度系数 来描述这种影响。对于C30737系列的APD， 为0.6 V/℃，这意味着在相同条件下，当APD的工作温度增加1℃，为了维持APD倍增因子不变偏压需要增加0.6 V。
（９）
如果方程８中工作电压等于方程９的最佳值，温度补偿后APD获得最佳倍增因子，检测电路信噪比也能达到最高水平。
为了检查上述方法的有效性，我们在汽车半导体激光测距仪设计中运用此方案，并设定具体参数来检测150米远的目标。如图３所示，APD偏压 、背景光功率和串行电阻 之间的关系可通过对方程８和９进行数值计算和分析得到。通过同样的方式，如图４，检测电路当前的 、背景光功率和串行电阻 之间的关系可以通过方程１、８和９得到，这里 =30 nW, =0.35,B=35 M, =0～500nW。在背景光较弱时， =200nW, =8×10-11A,k=0.02, =400Ω, =1, =158.6V, =0.95VB.
APD偏压电路的最佳设计
孙纯生，秦世桥，王兴书，朱冬华
1.国防科技大学光电科学与技术学院，中国长沙410073
2.海军工程大学装备工程部，中国武汉430033
本文提出了一种基于温度补偿和负载电阻补偿的雪崩光电二极管（APD）反向偏压控制方法，并详细的分析了电二极管偏置电路的设计建立了一种理想的温度补偿和负载电阻补偿模型。据预测，这种控制方法特别适用于车辆使用的激光测距仪。实验结果证实，本文提出的设计可以很大程度的改善测距仪的性能。
APD升压电路培训
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
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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
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Q&A
问题？？？
2013-11-21
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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
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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
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。
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
输出高压的小型升压转换器
输出高压的小型升压转换器输出高压的小型升压转换器有许多器件需要高压电源，如雪崩二极管(APD)的偏置电源、压电传感器(PZT)、真空荧光屏(VFD)以及微机电系统(MEMS)等。
本应用笔记介绍了三种从低输入电压产生高压输出的结构(图1a、图1b和图1c)。
下面将针对其功率密度和电路尺寸，分别讨论这些结构的优点和缺点。
在应用笔记结尾部分，列举了一些实验数据，以对比基于变压器和基于电感的解决方案。
图1a-1c. 从低输入电压产生高压输出的高压DC-DC转换器的三种结构在许多APD应用(75V)中，高压偏置电源要求从3V电源产生。
这种需求将面临以下难点： 高压MOSFET在3V低压栅极驱动下无法工作。
高压MOSFET较大的漏源电容需要消耗电感中的能量，将其漏极电压提升至输出电压。
导致的能损会高达1/2 fswitch×CDSVOUT ²。
高压MOSFET比低电压型号的体积更大、价格更高。
在开关电源IC中，很少具有内置的高压功率MOSFET。
极端情况下的占空比会导致过短的关断时间或很低的开关频率。
较低的开关频率又会造成更高的纹波，并需要较大的磁性元件。
图1c的电路通过采用一个自耦变压器，解决了上述难题。
由于MOSFET上的峰值电压降低了，从而能够采用MAX1605内部的28V MOSFET。
整个电路(比8引脚的DIP封装还小)能够装配在一块6mm x 8.5mm的双面板上(图2)。
图2. 采用MAX1605，该6mm x 8.5mm的DC-DC转换器将2.5V升压至75V。
顶层和底层的电路布局如图所示。
工作原理工作原理将标准的升压和回扫DC-DC转换器结合起来，就构成了图1c所示的混合电路。
这种组合结构将次级绕组的回扫电压叠加到输入电压和初级绕组的回扫电压之上(标准的回扫转换器仅利用了次级端产生的回扫电压)。
与标准的升压转换器相比，这种结构通过限制LX端电压，利用低压MOSFET产生了较高的输出电压。
低纹波低功耗自动控制APD偏压电路
低纹波低功耗自动控制APD 偏压电路张志强1,王 萍1,邹 宇1,王艳永2(1.天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;2.北京博飞仪器股份有限公司,北京101149)摘 要:全站仪红外测距系统接收电路采用APD 雪崩光电二极管作为接收器件,它的精度对后级的信号处理及测量精度起着决定性的影响,针对其高精度要求,提出两种APD 偏压电路。
前者采用交流反馈网络消除冲击电压,提高了开关管寿命,采用三级滤波网络极大的降低了电路纹波从而提高了测量精度;后者采用专用芯片控制电路电源,使储能电感处于非连续工作状态,大大降低了电路的功耗,同时采用4个变容二极管既升高了电压,又减小了纹波。
两种电路均具有可自动控制,且能对APD 的内部增益进行全范围补偿的优点。
实践证明,电路工作性能理想,提高了测距精度。
关键词:红外测距;APD ;偏置电压;温度补偿中图分类号:TN36412;P204 文献标识码:B 文章编号:1006-7949(2007)01-0062-04APD bias voltage circuit of low ripple and low pow er autom atic controllZHAN G Zhi 2qiang 1,WAN G Ping 1,ZOU Yu 1,WAN G Yan 2yong2(1.School of Electrical Engineering and Automation ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China ;2.Beijing BoFei Instrument Co.,Ltd.,Beijing 101149,China )Abstract :The APD is used in the receive circuit of total station infrared distance measure system.Its accuracy have crucial influence on signal process and measure accuracy.In consideration of its high accuracy requirement ,this paper presents two APD bias voltage circuits.the former adopts intercourse feedback network to slake the impact voltage ,and the MOSFET ’s longevity is prolonged.It also adopts third class filter to depress the voltage ripple.The latter circuit introduces a special chip to control the power ,the inductance works in discrete mode ,it reduces power consumption ,and the four variodes is used to impove the voltage and depress the ripple.These two circuits have the advantages of automatic control and the inner gain of APD can also be compensated for all range.The circuits are proved to perform well in practice and the measure accuracy is improved.K ey w ords :infrared distance measure ;APD ;bias voltage ;temperature compensation收稿日期:2006-10-09作者简介:张志强(1979～),男,硕士研究生. 雪崩光电二极管APD (Avalanche Photodiode )是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。
一种APD电压控制电路及方法
（19）中华人民共和国国家知识产权局（12）发明专利申请（10）申请公布号CN102255505A（43）申请公布日 2011.11.23（21）申请号CN201110215791.6（22）申请日2011.07.29（71）申请人索尔思光电(成都)有限公司地址611731 四川省成都市高新区西区科新路8号成都出口加工区西区2号5号标准厂房（72）发明人蒋旭;宋媛;裴培;杨毅（74）专利代理机构四川力久律师事务所代理人林辉轮（51）Int.CIH02M3/155;H02M1/32;权利要求说明书说明书幅图（54）发明名称一种APD电压控制电路及方法（57）摘要本发明公开了一种APD电压控制电路，包括微控制电路和升压电路，所述微控制电路用于控制升压电路，根据反馈信号控制电压上升，使得升压电路按照要求升高电压，最终达到APD工作电压；升压电路包括升压芯片和倍压电路；所述升压芯片接收微控制电路的控制信号和升压电路的反馈信号，根据微控制电路的控制工作；所述倍压电路对升压芯片的输出电压进行倍压；升压芯片的关断引脚通过电阻下拉接地。
并进一步公开了对应的控制方法。
本发明技术方案的上电保护方式，有效降低光模块上电过程中，浪涌电流对光模块接收端APD和系统供电电路的损坏。
法律状态法律状态公告日法律状态信息法律状态2011-11-23公开公开2011-12-14著录事项变更著录事项变更2012-01-04实质审查的生效实质审查的生效2015-03-18授权授权权利要求说明书一种APD电压控制电路及方法的权利要求说明书内容是....请下载后查看说明书一种APD电压控制电路及方法的说明书内容是....请下载后查看。
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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 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
toff存储于L中，VT导通，
VD反偏，由C向负载供给能量。
iL1
U in L
t
I L min
I L max
U in L
t on
I L min
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，
APD高压电路介绍
May 2006
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
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。
升压电路
倍压电路
温度补偿
热敏电阻
APD
光电流Ig
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。
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. 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
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。
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
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