基于ADC进行数字控制的低噪声APD偏置电路实现案例
该电路产生并控制光通信中雪崩光电二极管（apd）的低噪声偏置电压。该可变电压通过控制apd的雪崩增益，优化光纤接收器的灵敏度特性。该电路采用低噪声、固定频率pwm升压转换器，带有一个工作在非连续电流模式的电感。内部mosfet的低开关速率降低了高频电压毛刺，降低了噪声。本文给出了完备的电路，建议采用扩展电路。扩展电路采用adc进行数字控制，允许微控制器读取热敏电阻的值、并根据查找表进行温度补偿。
雪崩光电二极管（apd）被作为接收器探头用于光通信中。apd的高灵敏度和高带宽受到了设计者的广泛认可。apd工作时需要施加一个反向结压，当接收到射线时就会产生电子空穴对。电子空穴对被外加电场收集并转换为电流，电流强度正比于射线强度。
apd工作时施加在器件上的反向偏置电压引发了雪崩效应，雪崩增益可通过改变偏压进行调节。继而通过改变雪崩增益得到最优化的光纤接收器灵敏度。然而，要得到满意的雪崩增益，许多apd需要一个比较高的反向偏压，大多在40v至60v范围，有些甚至要求高达80v。
apd的缺点之一是雪崩增益会随着温度变化而改变，而且还受制造工艺的影响。因此，在一个典型系统中，如果要求apd工作于恒定增益，高压偏置电源必须能够改变，以补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化。要获得恒定的增益，apd电源一般来讲必须具有大约+0.2%/°c的温度系数，大约相当于100mv/°c。
有很多现成的方法可用于调节电源的输出电压，以便补偿因温度造成的apd增益漂移。apd模块内含的温度测量元件，例如热敏电阻，可以被直接连接到电源来调节输出电压。有些系统中，也可以由微控制器（µc）读取电阻值，然后向电源发出指令来调节偏置电压。
图1所示的apd偏置电源基于一个低噪声、固定频率pwm升压转换器（u1）设计，采用一个工作于非连续电流模式的电感。开关速度被有意减慢，以便降低高频电压毛刺。开关速度的降低减小了高频di/dt和dv/dt速率，因而最大限度减小了通过电流环、pcb走线或元件管脚间的电容向周围电路辐射或传导的噪声。
图1. 从0至2.5v改变控制输入电压，这个低噪声apd偏置电源可以产生从71v至24.7v的可调输出电压。
非连续电感电流工作模式利用跌落的电感电流自然地关断二极管。max5026的开关频率为500khz，内部的横向dmos开关器件具有40v的极限耐压，再加上外部由c3、c4、d2和d3构成的倍压网络，使输出电压可高达71v。
稳态时倍压电路的工作过程如下：在导通时间内电容c2将电荷转移给c3，同时l1被充电，lx引脚为低（内部dmos导通）。随着内部dmos关断，电感电流使d1和d3正向导通。这样，加到电容c4上的总电压为vc2和vc3之和。
max5026的特性对于该应用非常有利：
比较慢的内部fet上升和下降时间降低了di/dt和dv/dt噪声耦合。 非连续电流电感工作模式使d1自然换流，本质上消除了二极管的反向恢复所带来的高di/dt噪声。 固定的500khz pwm工作频率产生预知的噪声频谱，更易于滤除。 高集成度带来低成本和小尺寸。 图1电路在5v输入，71v输出时，能够提供1ma以上的输出电流。图2显示了输出电压随控制输入电压的变化曲线，图3给出了该电路工作于三种输出电压时的效率曲线。
图2. 该曲线显示了图1电路的输出电压随控制输入电压的变化
图3. 该曲线显示了图1电路的效率随输出电流的变化
输出电压可依据下面的关系设定：
vout = ［vref × （r2 × r3 + r1 × r2 + r1 × r3） - vc × r2 × r3］/r1 × r3
其中，vref = 1.25v，vc是控制输入电压。
图1电路在输出71v，驱动1ma负载电流时具有大约100mvp-p的输出纹波。该项性能还可以通过在1µf陶瓷电容旁并联一个低成本电解电容（10µf/100v，nichicon vx系列）改善到低于20mv的水平（图4）。如果想更进一步降低噪声，可以采用附加的滤波手段。apd电源要求的典型噪声电平在2mv上下。由于max5026的500khz固定开关频率，采用一个简单的lc滤波器就可达到这个水平。
图4. 该曲线显示了图1电路的输出电压纹波，vout = 71v、iout = 1ma，1µf输出电容旁并联10µf电解电容。竖轴为50mv/div，横轴为200µs/div。
图5所示的apd电源具有数字调节的输出电压。采用控制环路中的微控制器读取热敏电阻的值，实施温度补偿，通过查表对热敏电阻进行曲线修正，并且补偿apd因制造工艺而造成的增益变化。在此应用电路中，通过10位dac （u2）从25v到71v调节输出电压时，将提供大约45mv的分辨率。
图5. 这个低噪声apd偏置电源的输出电压可数字编程，从25v至71v，步长45mv。
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雪崩光电二极管（apd）被作为接收器探头用于光通信中。apd的高灵敏度和高带宽受到了设计者的广泛认可。apd工作时需要施加一个反向结压，当接收到射线时就会产生电子空穴对。电子空穴对被外加电场收集并转换为电流，电流强度正比于射线强度。
apd工作时施加在器件上的反向偏置电压引发了雪崩效应，雪崩增益可通过改变偏压进行调节。继而通过改变雪崩增益得到最优化的光纤接收器灵敏度。然而，要得到满意的雪崩增益，许多apd需要一个比较高的反向偏压，大多在40v至60v范围，有些甚至要求高达80v。
apd的缺点之一是雪崩增益会随着温度变化而改变，而且还受制造工艺的影响。因此，在一个典型系统中，如果要求apd工作于恒定增益，高压偏置电源必须能够改变，以补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化。要获得恒定的增益，apd电源一般来讲必须具有大约+0.2%/°c的温度系数，大约相当于100mv/°c。
有很多现成的方法可用于调节电源的输出电压，以便补偿因温度造成的apd增益漂移。apd模块内含的温度测量元件，例如热敏电阻，可以被直接连接到电源来调节输出电压。有些系统中，也可以由微控制器（µc）读取电阻值，然后向电源发出指令来调节偏置电压。
图1所示的apd偏置电源基于一个低噪声、固定频率pwm升压转换器（u1）设计，采用一个工作于非连续电流模式的电感。开关速度被有意减慢，以便降低高频电压毛刺。开关速度的降低减小了高频di/dt和dv/dt速率，因而最大限度减小了通过电流环、pcb走线或元件管脚间的电容向周围电路辐射或传导的噪声。
图1. 从0至2.5v改变控制输入电压，这个低噪声apd偏置电源可以产生从71v至24.7v的可调输出电压。
非连续电感电流工作模式利用跌落的电感电流自然地关断二极管。max5026的开关频率为500khz，内部的横向dmos开关器件具有40v的极限耐压，再加上外部由c3、c4、d2和d3构成的倍压网络，使输出电压可高达71v。
稳态时倍压电路的工作过程如下：在导通时间内电容c2将电荷转移给c3，同时l1被充电，lx引脚为低（内部dmos导通）。随着内部dmos关断，电感电流使d1和d3正向导通。这样，加到电容c4上的总电压为vc2和vc3之和。
max5026的特性对于该应用非常有利：
比较慢的内部fet上升和下降时间降低了di/dt和dv/dt噪声耦合。 非连续电流电感工作模式使d1自然换流，本质上消除了二极管的反向恢复所带来的高di/dt噪声。 固定的500khz pwm工作频率产生预知的噪声频谱，更易于滤除。 高集成度带来低成本和小尺寸。 图1电路在5v输入，71v输出时，能够提供1ma以上的输出电流。图2显示了输出电压随控制输入电压的变化曲线，图3给出了该电路工作于三种输出电压时的效率曲线。
图2. 该曲线显示了图1电路的输出电压随控制输入电压的变化
图3. 该曲线显示了图1电路的效率随输出电流的变化
输出电压可依据下面的关系设定：
vout = ［vref × （r2 × r3 + r1 × r2 + r1 × r3） - vc × r2 × r3］/r1 × r3
其中，vref = 1.25v，vc是控制输入电压。
图1电路在输出71v，驱动1ma负载电流时具有大约100mvp-p的输出纹波。该项性能还可以通过在1µf陶瓷电容旁并联一个低成本电解电容（10µf/100v，nichicon vx系列）改善到低于20mv的水平（图4）。如果想更进一步降低噪声，可以采用附加的滤波手段。apd电源要求的典型噪声电平在2mv上下。由于max5026的500khz固定开关频率，采用一个简单的lc滤波器就可达到这个水平。
图4. 该曲线显示了图1电路的输出电压纹波，vout = 71v、iout = 1ma，1µf输出电容旁并联10µf电解电容。竖轴为50mv/div，横轴为200µs/div。
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