低功耗apd偏壓控制器與偏壓控制方法及光電接收器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種APD偏壓控制方法，包括：采集與流經(jīng)APD的光電流信號對應(yīng)的光電流強度電壓信號；將光電流強度電壓信號與偏壓設(shè)定信號疊加后產(chǎn)生控制信號，用于控制可調(diào)供電電源輸出電壓與APD電壓之間的電壓降；同步調(diào)整可調(diào)供電電源輸出電壓和偏壓設(shè)定信號，將電壓降控制在預(yù)定范圍內(nèi)。本發(fā)明還提供了一種APD偏壓控制器，包括：偏置電壓產(chǎn)生單元，用于根據(jù)來自外部的光電流強度反饋信號產(chǎn)生偏置電壓信號用于決定APD偏壓，其中，該偏置電壓產(chǎn)生單元還產(chǎn)生第二電壓信號，并將所述第二電壓信號與一個或多個參考電壓相比較，用以產(chǎn)生欠壓或過壓指示。本發(fā)明的APD偏壓控制器及光電接收器具有低功耗、高動態(tài)，高信噪比，高靈敏度和及時溫度補償?shù)膬?yōu)點。
【專利說明】
低功耗APD偏壓控制器與偏壓控制方法及光電接收器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)通信領(lǐng)域，更具體地，涉及一種低功耗APD (雪崩光電二極管）偏 壓控制器、Aro偏壓控制方法及APD光電接收器。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為Aro偏壓控制器的相關(guān)技術(shù)，將描述以下相關(guān)的專利文獻1和2。
[0003] 專利文獻1 (公開號：CN1790946A)公開了一種具有過載保護功能的光接收模塊， 用于光纖通訊領(lǐng)域；包括一雪崩光電二極管；一為雪崩光電二極管提供反向偏置電壓的 DC/DC升壓電路；一用于輸入光檢測的取樣電阻；取樣電阻的一端與DC/DC升壓電路的輸出 端連接，在取樣電阻的另一端與雪崩二極管的反向偏壓管腳之間串接一限流保護電阻，且 所述限流保護電阻的阻值大于取樣電阻的阻值。
[0004] 該專利采用串聯(lián)電阻進行偏壓，升壓電路的輸出電壓不會根據(jù)AH)光電流的大小 自動調(diào)整，當(dāng)光電流接近過載點時，輸出功耗較大，而且大部分功耗浪費在限流電阻上；在 多通道APD應(yīng)用中，功耗浪費更加嚴(yán)重。
[0005] 專利文獻2(公開號：CN201256288Y)公開了一種雪崩光電二極管偏壓器和電路， 其中，上述器包括供電單元和雪崩光電二極管，還包括反饋部，其中，反饋部的輸入端連接 至供電單元的輸出端；反饋部的第一輸出端連接至供電單元的輸入端；反饋部的第二輸出 端連接至APD的輸入端。該實用新型通過對雪崩光電二極管提供偏壓過載，防止雪崩光電 二極管管芯燒毀，提高了雪崩光電二極管接收機的安全性，降低了維修成本。
[0006] 該專利采用電流反饋調(diào)節(jié)偏壓進行AH)保護，動態(tài)范圍小，并可能起不到保護作 用。通過DC/DC升壓電路的反應(yīng)時間一般在0. lms~10ms，當(dāng)輸入光功率在小于DC/DC升 壓電路的反應(yīng)時間內(nèi)瞬時增大時，光電流過載，TIA產(chǎn)生誤碼，APD/TIA有可能過載損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種Aro偏壓控制方法及相應(yīng)的裝置，能夠解決上述問題 并且獲得低功耗和高動態(tài)響應(yīng)速度。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種Aro偏壓控制的方法，包括：
[0009] 采集與流經(jīng)Aro的光電流信號Iapd對應(yīng)的光電流強度電壓信號Vfb ;
[0010] 將采集到的光電流強度電壓信號Vfb與偏壓設(shè)定信號Vset疊加后產(chǎn)生控制信 號V2nd，用于控制可調(diào)供電電源輸出電壓V0與APD電壓Vapd之間的電壓降Vdrop(= V〇-Vapd)；
[0011] 同步調(diào)整可調(diào)供電電源輸出電壓V0和偏壓設(shè)定信號Vset，將電壓降Vdrop控制在 預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電壓降范圍內(nèi)（例如〇. 82V+/-0. 32V)，并使得AH)偏置電壓Vapd逐步趨近 并穩(wěn)定在與當(dāng)前輸入光功率Pin相對應(yīng)的偏置電壓值。
[0012] 可選地，在所述AH)偏壓控制方法中，所述偏壓設(shè)定信號獨立于光電流強度電壓 信號分別控制所述電壓降，偏壓設(shè)定信號或光電流強度信號越大，電壓降越大，并且使得 APD工作點落在其安全范圍內(nèi)。
[0013] 可選地，所述APD偏壓控制的方法還包括：
[0014] 溫度校準(zhǔn)步驟和溫度補償步驟，其中，所述溫度校準(zhǔn)步驟包括：
[0015] -在Aro額定工作溫度范圍內(nèi)選取典型溫度工作點；
[0016] -在典型工作點溫度下依次對可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè)定信號初始 值進行校準(zhǔn)，分別建立可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè)定信號初始值與Aro工作溫 度的關(guān)系表（簡稱溫度關(guān)系表）；
[0017] 其中，所述溫度補償步驟包括：
[0018] -采集當(dāng)前APD工作溫度；
[0019] -依照溫度關(guān)系表確定當(dāng)前AH)溫度下的可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè) 定信號初始值，用于對所述電壓降進行控制。
[0020] 進一步可選地，所述AH)偏壓控制的方法還包括可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和 偏壓設(shè)定信號初始值的校準(zhǔn)步驟，其中所述校準(zhǔn)步驟包括：
[0021] -將APD輸入光功率設(shè)置在略低于其靈敏度指標(biāo)值，改變可調(diào)供電電源輸出電壓；
[0022] -調(diào)整偏壓設(shè)定信號將所述電壓降控制在目標(biāo)值；
[0023] -測量APD接收機的誤碼率；
[0024] -將誤碼率最低點對應(yīng)的可調(diào)供電電源輸出電壓值和偏壓設(shè)定信號值分別作為可 調(diào)供電電源輸出電壓和偏壓設(shè)定信號的初始值。
[0025] 可選地，所述APD偏壓控制方法，還包括電源電壓狀態(tài)指示產(chǎn)生步驟，其中，所述 電源電壓狀態(tài)指示產(chǎn)生步驟包括：
[0026] -在電壓降低于所述目標(biāo)電壓降范圍時產(chǎn)生欠壓指示信號；
[0027] -在電壓降高于所述目標(biāo)電壓降范圍時產(chǎn)生過壓指示信號。
[0028] 可選地，所述Aro偏壓控制的方法還包括輔助電源和電源切換步驟，其中，所述輔 助電源和電源切換步驟包括：
[0029] -在電壓降低于所述目標(biāo)電壓降范圍下限時，連接輔助電源為Aro供電；
[0030] -在電壓降高于或等于所述目標(biāo)電壓降范圍下限時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電 源為ATO獨立供電。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種低功耗AH)偏壓控制器。其中包括：
[0032] 偏置電壓產(chǎn)生單元，其用于根據(jù)來自外部的光電流強度反饋信號產(chǎn)生偏置電壓信 號用于決定Aro偏壓。此外，還在單元內(nèi)部產(chǎn)生第二電壓信號，并將所述第二電壓信號與一 個或多個參考電壓相比較，用以產(chǎn)生指示當(dāng)前可調(diào)供電電源的電壓是否過低或過高的欠壓 或過壓指示。
[0033] 可選地，所述低功耗Aro偏壓控制器的所述偏置電壓產(chǎn)生單元還包括偏壓設(shè)定信 號端口，其中所述偏壓設(shè)定信號用于獨立于光電流強度反饋信號精確設(shè)置偏置電壓信號的 大小。
[0034] 可選地，所述低功耗Aro偏壓控制器，還包括：
[0035] 電壓跟隨單元，其包括用于與可調(diào)供電電源相連的第一端口，用于向APD負載電 路提供負載電壓的第二端口，以及第三輸入電壓端口。其中，所述電壓跟隨單元用于實現(xiàn)負 載電壓隨輸入電壓而變化。
[0036] 可選地，所述低功耗Aro偏壓控制器還包括：
[0037] 偏壓調(diào)節(jié)單元，用于根據(jù)來自所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓或過壓指示來生成控 制信號，該控制信號用于控制可調(diào)供電電源電壓，使其處于滿足Aro正常工作所需的最低 電壓，從而使電源輸出功率最低。
[0038] 可選地，所述控制信號還用于控制偏置電壓產(chǎn)生單元的偏置電壓信號，使得偏置 電壓信號的大小在可調(diào)供電電源電壓控制過程中保持穩(wěn)定。
[0039] 可選地，所述低功耗Aro偏壓控制器還包括：
[0040] 電源切換單元，用于根據(jù)所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓指示來連接輔助電源為 Aro供電，并且當(dāng)可調(diào)供電電源脫離欠壓狀態(tài)時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電源為Aro獨 立供電。
[0041] 可選地，所述低功耗APD偏壓控制器還包括：
[0042] 溫度補償單元，用于根據(jù)溫度變化來增加或減少偏置電壓信號的大小，對Aro偏 壓進行溫度補償，使APD在工作溫度范圍內(nèi)均保持最優(yōu)偏壓。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種Aro光電接收器，包括Aro器件，與Aro器 件串聯(lián)的前置跨阻放大器，光電流檢測單元，可調(diào)供電電源，其中該Aro光電接收器還包 括：
[0044] 電壓跟隨單元，其包括用于與可調(diào)供電電源相連的第一端口，用于向APD負載電 路提供負載電壓的第二端口，以及第三輸入電壓端口，其中，所述電壓跟隨單元用于實現(xiàn)負 載電壓隨輸入電壓而變化；
[0045] 偏置電壓產(chǎn)生單元，其用于根據(jù)來自外部的光電流強度反饋信號產(chǎn)生偏置電壓信 號用于決定Aro偏壓。此外，還在單元內(nèi)部產(chǎn)生第二電壓信號，并將所述第二電壓信號與一 個或多個參考電壓相比較，用以產(chǎn)生指示當(dāng)前可調(diào)供電電源的電壓是否過低或過高的欠壓 或過壓指示；
[0046] 其中，所述偏置電壓信號與所屬第三輸入電壓端口相連。
[0047] 可選地，所述Aro光電接收器，其中，所述偏置電壓產(chǎn)生單元還包括偏壓設(shè)定信號 端口，所述偏壓設(shè)定信號用于獨立于光電流強度反饋信號精確設(shè)置偏置電壓信號的大小。
[0048] 可選地，所述APD光電接收器，還包括：
[0049] 偏壓調(diào)節(jié)單元，用于根據(jù)來自所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓或過壓指示來生成控 制信號，該控制信號用于控制可調(diào)供電電源，使其處于滿足Aro正常工作所需的最低電壓， 從而使電源輸出功率最低。所述控制信號還同時用于控制偏置電壓產(chǎn)生單元的偏置電壓信 號，使得偏置電壓信號的大小在Aro供電電源電壓控制過程中保持穩(wěn)定。
[0050] 可選地，所述APD光電接收器還包括：
[0051] 輔助供電電源，其可以獨立于可調(diào)供電電源或協(xié)助可調(diào)供電電源共同為AH)提供 正常工作所需的偏壓；
[0052] 電源切換單元，用于根據(jù)所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓指示來連接輔助電源為 Aro供電，并且當(dāng)可調(diào)供電電源脫離欠壓狀態(tài)時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電源為Aro獨 立供電。
[0053] 可選地，所述APD光電接收器還包括：
[0054] 溫度補償單元，用于根據(jù)溫度變化來增加或減少偏置電壓信號的大小，對Aro偏 壓進行溫度補償，使Aro偏壓在工作溫度范圍內(nèi)均保持最優(yōu)偏壓。
[0055] 通過本發(fā)明所披露的低功耗Aro偏壓控制方法設(shè)計的Aro偏壓控制器及Aro光電 接收器，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點：
[0056] 1.在強光輸入時APD無損傷；
[0057] 2.在標(biāo)稱光功率輸入范圍內(nèi)，偏壓電路均保持低功耗；
[0058] 3.使APD具有足夠的動態(tài)響應(yīng)能力，防止光電流欠載或過載造成的鏈路中斷；
[0059] 4.對APD偏壓能夠精細調(diào)節(jié)，獲得最高的信噪比，提高了靈敏度；
[0060] 5.實現(xiàn)對APD偏置電壓進行溫度補償?shù)墓δ堋?br>【附圖說明】
[0061] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例的詳細描述，本發(fā)明的其它特 征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0062] 圖1示出了低功耗APD偏壓控制器的電路框圖；
[0063] 圖la示出了 APD特性曲線、負載曲線及工作點；
[0064] 圖lb示出了低功耗AH)偏壓控制邏輯框圖；
[0065] 圖2示出了低功耗AH)偏壓控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0066] 圖3a示出了帶偏壓設(shè)定的偏置電壓產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖；
[0067] 圖3b示出不帶偏壓設(shè)定的偏置電壓產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖；
[0068] 圖3c示出了低功耗AH)偏壓控制器的應(yīng)用實施例電路圖；
[0069] 圖4a示出了低功耗AH)偏壓調(diào)節(jié)裝置的數(shù)字電路圖；
[0070] 圖4b示出了低功耗AH)偏壓調(diào)節(jié)裝置信號處理邏輯的流程圖；
【具體實施方式】
[0071] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述：
[0072] 圖1示出了本發(fā)明低功耗AH)偏壓控制器的電路框圖，下面參照圖1對本發(fā)明原 理進行詳細說明。
[0073] 本發(fā)明低功耗Aro偏壓控制器整體電路包括Aro偏壓控制裝置11，可調(diào)供電電源 15、輔助電源16、光電流檢測單元18及外圍電路組成。其中Aro偏壓控制裝置11可包括光 電流反饋型Aro偏壓控制器12、偏壓調(diào)節(jié)單元13、溫度補償功能模塊14、電源切換單元17。
[0074] 其中，所述光電流反饋型偏壓控制器12有三個輸入信號，分別是1)可調(diào)供電電源 輸出電壓V0 ;2)光電流強度反饋信號Vfb，3)偏壓設(shè)定信號Vset以及三個輸出信號，分別是 1)欠壓狀態(tài)指示LowVO ;2)過壓狀態(tài)指示HighVO ;3)輸出電壓Vout。
[0075] 其中，偏壓調(diào)節(jié)單元13有兩個輸入信號，分別是1)欠壓狀態(tài)指示LowVO ;2)過壓 狀態(tài)指示HighVO ;有兩個輸出信號，分別是1)偏壓設(shè)定Vset，輸出到光電流反饋型AH)偏壓 控制器；2)可調(diào)供電電源電壓設(shè)定信號V(^ t，此信號可控制可調(diào)供電電源15的輸出電壓。
[0076] 其中，電源切換單元17是由N溝道M0S管Q3,電阻R4，P溝道M0S管Q2及電阻R3 組成，其開關(guān)控制輸入信號為光電流反饋型AH)偏壓控制器12的欠壓狀態(tài)指示LowVO。電 源切換單元17連接輔助電源16,其輸出端與光電流反饋型AH)偏壓控制器12的輸出電壓 Vout輸出端相連，然后一起連接到外圍電路。
[0077] 其中，外圍電路包括有作為輸入光檢測的精密取樣電阻Rs，高頻濾波電容C0， 可選濾波電容C1，雪崩二極管（APD，Avalanche Photo Diode)及跨阻抗放大器（TIA， trans-impedance amplifier)〇
[0078] 下面參照圖1來詳細說明所述低功耗Aro偏壓控制器方法的工作原理。
[0079] 當(dāng)APD反偏，輸入光照射到APD光敏面時，APD產(chǎn)生光電流并流經(jīng)取樣電阻Rs。光 電流檢測單元18檢測到取樣電阻Rs上的平均光電流信號Iapd，產(chǎn)生一個光電流強度反饋 信號V fb，
[0080] Iapd = Pin* η *M (1)
[0081] 其中Pin為輸入光功率（一般在-30~+3dBm)，η為ΑΗ)響應(yīng)度（一般在0· 8~ ImA/mW)，M為AH)倍增系數(shù)。AH)的倍增系數(shù)Μ與AH)的偏置電壓Vapd相關(guān)，可以近似為：
[0082] M= 1/[1 - (Vapd/Vbr)n] (2)
[0083] 其中Vapd是APD的反向偏置電壓，是某一確定溫度的擊穿電壓，隨溫度升高而 增大，n是介于1和3之間，它是由半導(dǎo)電材料，半導(dǎo)體摻雜分配和輻射源波長決定的。依 據(jù)公式1-2,可以得到APD工作特性曲線（即某一特定輸入光功率下APD光電流Iapd與其 反向偏置電壓Vapd的關(guān)系曲線）：
[0084] Iapd = Pin* n / [1 - (Vapd/Vbr) ? (3)
[0085] 為了得到最佳靈敏度，當(dāng)輸入光功率在靈敏度附近時一般將Vapd設(shè)置在略低于 Vbr使得Μ在10~20倍。一方面，希望將APD電壓Vapd盡量接近Vbr提高Μ和光電流信 號強度；但另一方面，Μ太大會導(dǎo)致光電流噪聲太大，使信噪比下降而靈敏度降低。在實踐 中，Μ在10~20區(qū)間通常可取得最佳靈敏度。
[0086] -個實際問題是Aro過載損壞。具有Aro接收器的光模塊，發(fā)送端的輸出光功率 一般在幾個mW的量級。當(dāng)發(fā)送端直接通過光纖跳線或連接器回環(huán)接入接收端時，Aro接收 光功率從零突然增加到幾個mW，假設(shè)Vapd和Μ不能及時降低下來，那么將瞬間出現(xiàn)強光電 流，擊穿ΑΗ)致使其損壞。
[0087] 光電流反饋型Aro偏壓控制器12的一個基本功能就是實現(xiàn)對APD的過載保護。 其輸出級串聯(lián)在可調(diào)供電電源輸出端和Aro之間，產(chǎn)生隨光電流強度變化的電壓降Vdrop。 依據(jù)圖1，APD的偏置電壓可以表述為：
[0088] Vapd = V0 - Vs - Vin-Vdrop (4)
[0089] 其中，V0為可調(diào)供電電源的輸出電壓，Vs = Iapd*Rs，為取樣電阻Rs上壓降，Rs為 取樣電阻Rs的阻值?？梢员M量選取小的取樣電阻值使得Vs可忽略。Vin為TIA的輸入電 壓，一般在0. 8V左右，不隨光電流變化。光電流反饋型AH)偏壓控制器12設(shè)計成使得其輸 出電壓降Vdrop隨其光電流強度反饋信號Vfb增加而增加 ，SP
[0090] Vdrop = func (Vfb) (5)
[0091] Vfb = Iapd*Rs*Gs， (6)
[0092] 其中函數(shù)func(x)為單調(diào)遞增函數(shù)，Gs是光電流檢測單元的電壓增益。通常選取 Rs和Gs,使得Rs*Gs在0· 5~lk ohm, Vfb在0~2xVref之間，其中Vref是+1. 25V參考 電壓。依公式4-6,可以得到APD的負載曲線（Loadline)，即
[0093] Vapd = V〇-Vs-Vin - func(Iapd*Rs*Gs) (7)
[0094] 由于func (x)的單調(diào)遞增性，光電流Iapd越大，Vapd越小，APD倍增系數(shù)M越小。 合理配置電路參數(shù)和選取函數(shù)func(x)，可以使得在過載點光功率附近，Vapd降低到幾伏 特，Μ趨近于1，即AH)幾乎不產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，從而達到保護APD的目標(biāo)。
[0095] 舉例說明如下：
[0096] 實施例1 :
[0097] 假設(shè)一個APD，Vbr = +40V，η = 2。進一步假設(shè)Vin = +0. 8V，Vs可忽略，取樣電 路增益（Rs*Gs)為 0· 5k ohm，APD 響應(yīng)度 η = ImA/mW。設(shè)置 VO = +40V,并選取 func(x) 為線性函數(shù)，即
[0098] func (Vfb) = 32*Vfb+0. 5 = 16e3*Iapd+0. 5 (8)
[0099] Vapd = 40 - 0· 8 - Vdrop = 38. 7 - 16k*Iapd (9)
[0100] 如圖la所示，我們可以在i-v圖上依據(jù)公式9畫出Aro負載曲線（這里為直線）； 另一方面，依據(jù)公式3可以分別畫出輸入光功率為100uW和500uW的APD工作特性曲線。 ι-v圖上，Aro工作特性曲線和負載曲線的交點即為該輸入光功率對應(yīng)的Aro偏置電壓和光 電流。
[0101] 假設(shè)靈敏度Pin = 3. 8uW，根據(jù)Ι-v圖，可以得到此時Iapd = 40uA，根據(jù)公式8和 9 得到 Vdrop = 1. 14V，Vapd = 38. 06V，依公式 2, Μ = 10. 57。
[0102] 在輸入光功率Pin增加致使Iapd達到2mA時，依公式8, Vdrop = 32. 5 ;依公式9， Vapd = 6. 7 ;依公式2, Μ = 1. 03。依公式1，此時的輸入光功率Pin = Iapd/( n *M) = 2/ (1*1. 029) = 1. 944mW。
[0103] 依據(jù)公式6和7,在保持APD負向偏壓的條件下，最大的光電流為38. 7V/16k = 2. 42mA，對應(yīng)光功率約為 2. 42mW(+3. 8dBm)。
[0104] 從實施例1中，可以看到，選取func (X)為線性遞增函數(shù)可以使得Vdrop與Iapd 為比例遞增關(guān)系，合理選取其增益（e.g. 16k ohm)可以使得輸入光功率在正常工作范圍內(nèi) (本例中〈=+3dBm)光電流不超過2. 42mA。進一步地，AH)功耗Papd = Iapd*Vapd，依公 式9，
[0105] Papd = Iapd* (38. 7 - 16e3*Iapd) (10)
[0106] 其最大值發(fā)生在Iapd = 38. 7/16e3*l/2 = 1. 21mA，最大消耗功率為23. 4mW，不會 超過一般APD的極限范圍。
[0107] 在實際應(yīng)用中，我們可根據(jù)應(yīng)用要求限定APD的功耗極限值（例如30mW)，并將其 繪制在Ι-V圖中，如圖la所示，示出了 30mW的功耗極限曲線。APD負載曲線應(yīng)該選取在位 于設(shè)定功耗曲線左下方的安全工作區(qū)內(nèi)，使得AH)在任意輸入光功率下的工作點不超過所 設(shè)定的功耗。
[0108] 應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然上述實施例1中func(x)采用了線性函數(shù)，但func(x)可以根 據(jù)實際應(yīng)用要求設(shè)定為其它單調(diào)遞增函數(shù)。比如Vdrop可以設(shè)置為Vfb(或Iapd)的二次 多項式函數(shù)，即
[0109] Vdrop = Vfb2*4+Vfb*7+1 ;或
[0110] Vdrop = Iapd2*4e6+Iapd*7e3+1 ;則有
[0111] Vapd = 38. 2-Iapd2*4e6_Iapd*7e3 (11)
[0112] 此為拋物線形負載曲線（parabolic load line)，如圖la中虛線所示。比較兩條 負載曲線可以看到，
[0113] (1)因為func(x)的單調(diào)遞增特性，可以保證光電流Iapd與輸入光功率Pin保持 單調(diào)遞增關(guān)系，即對于每一個光功率輸入信號可以得到確定的光電流。
[0114] (2)拋物線形負載曲線更有助于提高靈敏度附近低輸入光功率下的光電流。
[0115] (3)兩條負載曲線都在安全工作區(qū)內(nèi)。
[0116] (4)最大工作電流都被限制在2. 4mA附近。
[0117] 在采用微處理器對Vfb進行采樣和對Vdrop進行控制的實施例中，可以更加靈活 地選擇函數(shù)func (X)以達到預(yù)期的APD工作模式。
[0118] 上述方案能夠?qū)崿F(xiàn)對AH)過載保護，但仍有個問題，即在輸入光功率接近過載點 時，Vapd很小，Vdrop很大，可調(diào)供電電源的大部分輸出功率浪費在Vdrop上。假設(shè)可調(diào)供 電電源的輸出電流主要供給APD，則電源輸出功率P0為：
[0119] P0 = Iapd*V0
[0120] = Iapd* (Vapd+Vdrop+Vs+Vin)(依公式 4)
[0121] = Iapd* (Vapd+Vs+Vin)+Iapd*Vdrop
[0122] = P1+P2
[0123] PI = Iapd* (Vapd+Vs+Vin)
[0124] P2 = Iapd*Vdrop
[0125] 其中PI為APD工作必需功耗，P2為無用損耗。沿用前面的例子，在輸入光功率 Pin = 1. 94mW, Iapd = 2mA 時，VO = 40V，Vdrop = 32. 5V，P2 = 65mW，P = 40*2mA = 80mW， Pl = 15mW?？梢钥吹诫娫吹拇蟛糠止β世速M在Vdrop上，單通道浪費65mW。如果讓VO和 Vdrop同時降低32V，即降低V0到8V，同時降低Vdrop到0· 5V，則APD工作狀態(tài)不變（Vapd 和Iapd依舊），但浪費功率P1可以降低到0. 5V*2mA = lmW。這對于一個四通道總功耗3. 5W 的光模塊來講，相當(dāng)于節(jié)能（65-1) *4 = 256mW，約7. 3%，這是非?？捎^的。
[0126] 為了降低P1，必須降低Vdrop。本發(fā)明提供一個Vdrop反饋控制回路將Vdrop控 制在預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值范圍內(nèi)，在保證AH)正常工作的條件下使得可調(diào)供電電源的功耗最 低。
[0127] Vdrop的目標(biāo)值VdropO -般依據(jù)控制電路所能達到的極限值（如射極跟隨器的最 低壓降）來設(shè)定，以便使得功耗浪費最小。
[0128] 所述Vdrop控制回路的機理是根據(jù)當(dāng)前Vdrop與其目標(biāo)值VdropO的差異，按照預(yù) 定控制邏輯得出控制值，同時增加或減小可調(diào)供電電源輸出電壓V0和Vdrop,使V〇-Vdrop 保持穩(wěn)定，進而依公式4, Vapd保持不變。
[0129] 如圖1所示，可調(diào)供電電源15 -般采用DC/DC升壓電路，其輸出電壓V0由控制電 壓VOset決定，即
[0130] V0 = V0set*A (12)
[0131] 其中A為升壓電路的固定增益。
[0132] 為了控制Vdrop，本發(fā)明引入偏壓設(shè)定信號Vset。Vset信號獨立于光電流強度反 饋信號Vfb對Vdrop產(chǎn)生影響，即
[0133] Vdrop = func (Vfb)+B* (Vset-Vref) (13)
[0134] 其中Vref為參考信號，B為Vset至Vdrop的增益。
[0135] 當(dāng)不需要優(yōu)化電源功耗的應(yīng)用中，可以將Vset固定在Vref。而在低功耗AH)偏壓 控制器中，可以通過相對于Vref上下調(diào)整Vset來增加或降低Vdrop。Vset的變化范圍設(shè) 定為0~2xVref，選取增益B，使得B*Vref不小于func(Vfb)的最大值，即
[0136] B> = max (func (Vfb))/Vref (14)
[0137] 進而使得在任何Vfb的條件下可以通過Vset將Vdrop降低到0或以下。
[0138] 圖lb示出了 Vdrop控制回路的邏輯框圖，其工作原理為：
[0139] 1)采集Vfb，依據(jù)公式13計算Vdrop ;或者直接采集Vdrop。
[0140] 2)將目標(biāo)電壓降VdropO減去當(dāng)前Vdrop得到誤差值。
[0141] 3)積分器對該誤差值進行積分產(chǎn)生控制信號AV。
[0142] 4)控制信號Δ V以相應(yīng)比例分別疊加到Vset初始值VsetO和VOset初始值 VOsetO 上產(chǎn)生 Vset 和 VOset，即
[0143] Vset = Vset0+AV, (15)
[0144] VOset = V0set0+AV*B/A (16)
[0145] 根據(jù)上述邏輯，依公式12,13得到，
[0146] Vdrop = func (Vfb) +B* (Vset0+ Δ V - Vref) (17)
[0147] V0 = V0set*A+AV*B (18)
[0148] V0-Vdrop = V0set0*A - B* (VsetO-Vref) - func(Vfb) (19)
[0149] 這就實現(xiàn)了 VO-Vdrop與Δ V無關(guān)。
[0150] 因為Vdrop控制回路的目的是降低模塊穩(wěn)態(tài)工作時的功耗，通?？蛇m當(dāng)選取積分 器的積分時間常數(shù)，使得控制回路的閉環(huán)響應(yīng)時間常數(shù)比較大，比如在〇. 1秒~幾秒。
[0151] 在一實施方式中，還可以在目標(biāo)值VdropO上下設(shè)定電壓降Vdrop的目標(biāo)區(qū)間，即 [Vdrop0_min, Vdrop0_max]，并依此來判斷可調(diào)供電電源的過壓（以邏輯信號HighVO為高 表示）或欠壓狀態(tài)（以邏輯信號LowVO為高表示）。比如可以將Vdrop0_min配置在控制 電路所能達到的最低壓降值Vdrop_extreme與VdropO之間，并將Vdrop_max配置成略高于 VdropO,即
[0152] Vdrop_extreme< = Vdrop_min< = VdropO (20)
[0153] Vdrop_max> = VdropO (21)
[0154] 如圖lb所示，當(dāng)光功率增加，光電流強度反饋信號Vfb變大時，可以使得Vdrop 高于Vdrop0_max，比較器1輸出高有效邏輯信號HighVO,表示此時可調(diào)供電電源處于過壓 狀態(tài)，可以降低V0和Vdrop來減少功耗。相反地，如果光功率減小，Vfb變小時，可以使得 Vdrop低于Vdrop0_min，比較器2輸出高有效邏輯信號LowVO,表示此時可調(diào)供電電源處于 欠壓狀態(tài)，電源電壓無法滿足當(dāng)前輸入光功率下所需的正常AH)偏壓，需要增加 V0和Vdrop 以避免控制電路出現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)。
[0155] 如果光電流強度反饋信號Vfb持續(xù)減小使得依公式12得到的Vdrop計算值低于 Vdrop_extreme，則控制電路進入截止?fàn)顟B(tài)。此時受物理電路限制，實際電壓降不隨Vset變 化，維持在Vdrop_extreme值上，APD偏壓Vapd只隨V0而增減。這時Vdrop控制回路會 在積分器的作用下持續(xù)增加 A V，一方面提高VOset和V0,使得Vapd增加，另一方面，提高 Vset，使得控制電路逐漸脫離截止?fàn)顟B(tài)并使電壓降Vdrop重新進入目標(biāo)范圍內(nèi)。
[0156] 現(xiàn)在舉例說明上述實施方式。實施例2 :
[0157] 沿用實施例1中AH)的特性參數(shù)和電路參數(shù)，并假設(shè)靈敏度指標(biāo)為3. 8uW，func (X) 設(shè)置為線性遞增函數(shù)由公式5確定，即func(Vfb) = 16k*Iapd+0. 5,并且設(shè)置B = 32，VsetO =Vref = +1. 25V，A = 32，Vset_outO = VO/A = 1. 25V。進一步假設(shè) VdropO = 0· 82V， Vdrop_min = Vdrop_extreme = 0· 5V，Vdrop_max = 1. 14V。下面說明當(dāng)輸入光功率從靈敏 度點3. 8uW(對應(yīng)Iapd = 40uA)增大到+1. 94mW(對應(yīng)Iapd = 2mA)時Vdrop控制回路的 工作模式。
[0158] 根據(jù)實施例1計算，當(dāng)輸入光功率為3. 8uW時，如果不對Vdrop進行控制，根據(jù)圖 la所示負載曲線和特性曲線圖，有Iapd = 40uA, Vapd = 38. 06V，Vdrop = 1. 14V。啟動 Vdrop控制回路后，由于Vdrop大于其目標(biāo)值0. 82V，誤差積分器將Δ V負向逐漸增大，直到 Δ V = (〇· 82-1. 14) /Β = -0· 32/32 = -0· 01V，使得
[0159] Vset = 1. 25+(-0. 01) = 1. 24V(依公式 15)
[0160] Vset_out = 1. 25+(-0. 01)*32/32 = 1. 24V(依公式 16)
[0161] Vdrop = 16k*40uA+0. 5+32* (1. 25-0. 01-1. 25) = 0· 82V(依公式 17)
[0162] V0 = 1· 25*32+32* (-0· 01) = 39. 68V (依公式 18)
[0163] V0 - Vdrop = 38. 06。
[0164] 當(dāng)光功率快速提高到+1. 944mW時，Iapd，Vfb，Vdrop都在控制回路產(chǎn)生顯著作用 前快速增大，直到Iapd達到2mA。此時
[0165] Vdrop = 16k*2mA+0. 5+32*(1· 24-1. 25) = 32. 18V (公式 17)
[0166] V〇-Vdrop = 39. 68 - 32. 18 = 7. 5V ；
[0167] Vapd = 7. 5 - 0· 8 = 6. 7V正好符合公式9所示APD特性曲線。之后，Vdrop控制 回路開始運行，積分器繼續(xù)負向增加 AV，直至AV = -0. 01+(0. 82-32. 18)/32 = -0. 99V， 使得
[0168] Vset = 1. 25 - 0. 99 = 0. 26V,
[0169] Vset_out = 1. 25+(-0. 99) *32/32 = 0· 26V
[0170] Vdrop = 16k*2mA+0. 5+32* (0· 26-1. 25) = 0· 82V，達到目標(biāo)值；
[0171] V0 = 1. 25*32+32* (-0. 99) = 8. 32V〇
[0172] V0 - Vdrop = 7. 5V，保持不變。
[0173] 應(yīng)當(dāng)指出的是，AH)器件特性隨器件工作溫度T而變化。當(dāng)溫度升高時，Vjt也在 增大，如果此時偏置電壓V apd不變，則Μ會下降，要保證Μ值不變，就必須在溫度升高時相應(yīng) 地增加 ΑΗ)偏置電壓；當(dāng)溫度降低時，值也在減少，如果此時偏置電壓V apd不變，則Μ會 增大，要保證Μ值不變，就必須在溫度降低時相應(yīng)地降低Aro偏置電壓。所以Aro偏壓控制 器一般具有溫度補償功能。
[0174] 參照圖lb說明本發(fā)明提供的具有溫度補償功能Aro偏壓控制器的實施方式。這 是通過預(yù)先分別確定可調(diào)供電電源電壓設(shè)定初始值VOsetO和設(shè)定電壓初始值Vseto與溫 度的函數(shù)關(guān)系，即VOsetO(T)和VsetO(T)來實現(xiàn)的。
[0175] 在某一特定溫度T0下，可以按如下方法來校準(zhǔn)VOsetO和VsetO,即
[0176] 1)固定AH)接收器的輸入光功率Pin在其靈敏度指標(biāo)值附近，
[0177] 2)設(shè)定Vset = Vref,逐漸增加 VOset，同時監(jiān)視APD接收器的輸出誤碼率。誤碼 率最低點對應(yīng)的VOset值記為V0set_opt。
[0178] 3)在最優(yōu)靈敏度點處采集Vfb，計為Vfb_opt。然后依公式13計算此時的Vdrop 值，計為 Vdrop_opt = func(Vfb_opt) 〇
[0179] 4)比較 Vdrop_opt 與 VdropO 用于調(diào)整 VOsetO 和 VsetO,艮Ρ
[0180] VOsetO(TO) = VOset_opt+[VdropO - Vdrop_opt]/A,
[0181] VsetO(TO) = Vref+[VdropO - Vdrop_opt]/B〇
[0182] 通過以上校準(zhǔn)得到的VOsetO和VsetO,可以保證在溫度TO時AH)靈敏度最優(yōu)并且 初始Vdrop等于其目標(biāo)值。
[0183] 通常地，在AH)工作溫度范圍內(nèi)選取若干個溫度點（通常至少包括最低溫度Tmin， 最高工作溫度Tmax以及一個典型中間溫度T0)，按照上述程序分別進行校準(zhǔn)，得到各個溫 度點對應(yīng)的VOsetO和VsetO,然后采用分段線性插值或多項式擬合方法，就可確立VOsetO 和VsetO與任意溫度T的關(guān)系曲線。據(jù)此曲線可以設(shè)置初始值溫度補償電路的參數(shù)，或者 存入微處理器內(nèi)存中供溫度補償算法使用。
[0184] 如圖lb所示，帶有溫度補償功能的Vdrop控制原理是在前述不帶溫度補償功能 Vdrop控制原理的基礎(chǔ)上，增加了溫度采集功能，以及根據(jù)預(yù)置的V0set(T)及VsetO(T)函 數(shù)關(guān)系確立當(dāng)前溫度下的VOsetO及VsetO。整理如下：
[0185] 1)采集當(dāng)前APD工作溫度T ;
[0186] 2)根據(jù)預(yù)置 VOsetO (T)和 VsetO (T)函數(shù)獲得當(dāng)前 VOsetO 和 VsetO ;
[0187] 3)采集Vfb，依據(jù)公式13計算Vdrop ;或者直接采集Vdrop ;
[0188] 4)將目標(biāo)電壓降VdropO減去當(dāng)前Vdrop得到誤差值；
[0189] 5)積分器對該誤差值進行積分產(chǎn)生控制信號Δ V ;
[0190] 6)控制信號AV以相應(yīng)比例分別疊加到當(dāng)前VsetO和VOsetO上以產(chǎn)生Vset和 V0set〇
[0191] 還應(yīng)當(dāng)說明的是，為了達到APD過載保護的目的，Vdrop對光電流Iapd及光電流 強度信號Vfb的響應(yīng)速度通常配置成微秒量級。而Vdrop控制回路的目標(biāo)是降功耗，加上 一般DC/DC升壓電路本身的響應(yīng)速度限制（一般是毫秒量級），Vdrop控制回路對Vfb的響 應(yīng)速度τ?一般配置在百毫秒量級或更慢。當(dāng)可調(diào)供電電源出現(xiàn)欠壓狀態(tài)時，在τ?時間 內(nèi)，APD偏置電壓Vapd低于預(yù)期工作點，可能使其信噪比降低，降低高速信號傳輸性能。通 常情況下，出現(xiàn)欠壓狀況發(fā)生在測試條件下或光纖鏈路受到異常沖擊時，鏈路出現(xiàn)短暫劣 化后恢復(fù)，也能夠滿足實際應(yīng)用需求。當(dāng)如果要求在τ?時間內(nèi)保持高鏈路性能，則需要使 Vapd有更快速的動態(tài)響應(yīng)。
[0192] 為了提升τ 1時間段內(nèi)高速傳輸性能，本發(fā)明還提供具有高速動態(tài)響應(yīng)的實施方 式。參見圖1，這是由輔助電源16和電源切換單元17來完成。輔助電源供電電路配置成： a)在可調(diào)供電電源處于欠壓狀態(tài)時，輔助電源可以獨立或協(xié)助可調(diào)供電電源對ΑΗ)提供正 常工作所需的偏壓；b)在可調(diào)供電電源脫離欠壓狀態(tài)時，輔助電源對Aro的供電電路被斷 開，但輔助電源輸出電壓保持，處于待機狀態(tài)，因無負載電流，保持低功耗。
[0193] 在一實施例中，輔助電源16的輸出電壓V2可以根據(jù)可調(diào)供電電源輸出電壓以及 設(shè)定電壓在當(dāng)前溫度下的初始值來設(shè)置，并且當(dāng)溫度變化時跟隨變化，即：
[0194] V2 (T) = VOsetO (T) *A - B* (VsetO (T) -Vref) -C (22a)
[0195] 或 V2 (T) = V0set_opt (T) - C (22b)
[0196] 其中A為可調(diào)供電電源增益，B為Vset至Vdrop的增益，C為常數(shù)，Vref為參考 電壓，T位APD工作溫度，VOset_opt為依照前述校準(zhǔn)步驟當(dāng)Vseto = Vref時最優(yōu)靈敏度 點對應(yīng)的V0電壓設(shè)定值。V2配置成只隨溫度T變化，而不受Vfb和Vset影響。下面來說 明其工作原理。
[0197] 為配合輔助電源及切換開關(guān)正常工作，可以將光電流反饋型AH)偏壓控制器12的 輸出級配置成射隨三極管（集電極連接V0,發(fā)射極連接負載，基極連接控制電壓），這樣可 以將光電流反饋型Aro偏壓控制器12的輸出端和電源切換單元17的輸出端直接連接在一 起，形成復(fù)合供電電路對Aro提供偏置電壓。根據(jù)Vdrop值大小，復(fù)合供電電路有如下工作 狀態(tài)：
[0198] 狀態(tài)1 :Vdrop> = Vdrop0_min。這時LowVO無效，輔助電源處于關(guān)閉狀態(tài)。射隨 三極管導(dǎo)通，AH)偏壓完全有偏壓控制器12決定，即
[0199] Vapdl = (V〇-V2-Vin) - Vdrop (23)
[0200] 狀態(tài) 2 :Vdrop〈VdropO_min。這時 LowVO 有效，N 溝道 M0S 管 Q 和 P 溝道 M0S 管 Q2 導(dǎo)通，輔助電源接通，輔助電源通過串聯(lián)電阻R3給AH)提供偏置電壓和工作電流。定義由 輔助電源V2和R3構(gòu)成的負載線函數(shù)如下：
[0201] Vapd2 = (V2-Vs-Vin) - Iapd*R3 (24)
[0202] 則根據(jù)光電流Iapd的大小，狀態(tài)2又可進一步分為兩種情況：
[0203] 狀態(tài)2. 1 :Vapd2〈Vapdl。這時射隨三極管導(dǎo)通，AH)偏壓Vapd = Vapdl，但是APD 工作電流由兩個電源同時提供。
[0204] 狀態(tài)2. 2 :Vapd2> = Vapdl。這時射隨三極管截止，AH)偏壓Vapd = Vapd2,工作 電流完全由輔助電源提供。
[0205] 當(dāng)狀態(tài)1和狀態(tài)2之間發(fā)生切換時，如果Vapdl和Vapd2不相同，則APD偏置電壓 可能會出現(xiàn)一個暫態(tài)變化。為了避免出現(xiàn)瞬時跳變干擾高頻傳輸性能，一方面，可以配置如 圖1所示電容C1，連接到復(fù)合供電電源輸出端和信號地之間，并合理配置Cl，R3，Rs的值， 可以將切換時間配置在要求值，如lOOus量級；另一方面，可以合理配置輔助電源的輸出電 壓，使得在狀態(tài)1和狀態(tài)2發(fā)生切換時（即Vdrop = Vdrop0_min時），Vapdl等于Vapd2。 依據(jù)公式 17,19, 23 和 24,有 V2 - Iapd*R3 = V0 - Vdrop = V0set0*A - B* (Vset〇-Vref) -func (Vfb)，或
[0206] V2 = V0set0*A - B*(VsetO-Vref) - (func (Vfb)-Iapd*R3)(25)
[0207] 依據(jù)公式25,如果合理配置R3使得func(Vfb)_Iapd*R3在光電流工作范圍內(nèi)基 本不變或為常數(shù)C，則公式25具有公式22a的形式，可依據(jù)可調(diào)供電電源輸出電壓初始值 VOsetO和設(shè)定電壓初始值VsetO來配置輔助電源輸出電壓，使得輔助電源切換時APD電壓 保持平穩(wěn)。
[0208] 下面以一個具體的例子來說明電源切換過程。
[0209] 實施例3 :
[0210] 假設(shè)APD特性參數(shù)、電路參數(shù)及Vdrop函數(shù)設(shè)置同實施例2。配置R3 = 16k ohm， 根據(jù)前述校準(zhǔn)步驟以及公式22, 25可以得到：V0set_opt = 1. 25V，C = 0. 5V，V2 = 40-0. 5 =39. 5V。進一步假設(shè)Vdrop控制回路的穩(wěn)定時間在500ms左右，當(dāng)前輸入光功率Pin = 1. 95mW, Iapd穩(wěn)定在2mA，Vdrop控制回路達到穩(wěn)定，Vdrop = 0· 82V, V0 = 8. 32V。以下表 格描述了當(dāng)光功率在l〇us內(nèi)降低到靈敏度點Pin = 3. 8uW時電路工作狀態(tài)的一個變化過 程。
[0211] 表1:
[0212]
[0213] 根據(jù)上述本發(fā)明提供的Aro偏壓控制方法，可以方便地用硬件電路或軟件算法或 軟硬件結(jié)合來設(shè)計Aro偏壓控制器和偏壓調(diào)節(jié)裝置。
[0214] 圖2示出了一種低功耗APD偏壓控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0215] 所述低功耗AH)偏壓控制器21，包括偏置電壓產(chǎn)生單元22,其用于根據(jù)來自外部 的光電流強度反饋信號Vfb產(chǎn)生偏置電壓信號Vbias用于決定輸出電壓降，即可調(diào)供電電 源電壓V0與輸出電壓Vout之間的電壓降Vdrop (Vdrop = VO - Vout)，進而決定APD偏置電 壓Vapd。此外，還在單元內(nèi)部產(chǎn)生第二電壓信號（圖3a中的V2nd)，與電壓降Vdrop信號相 對應(yīng)，并將所述第二電壓信號與一個或多個參考電壓（如圖3a中的Vref，Vref2)相比較， 用以判斷電壓降是否處于目標(biāo)區(qū)間Vdrop_min~Vdrop_max，進而產(chǎn)生指示當(dāng)前可調(diào)供電 電源的電壓V0是否過低或過高的欠壓或過壓指示（即圖3a LowVO, HighVO)。
[0216] 其中，所述偏置電壓產(chǎn)生單元22中有三個輸入信號，分別是光電流強度反饋Vfb、 設(shè)定信號V set以及可調(diào)供電電源V0,有三個輸出信號，分別是偏置電壓信號Vblas、欠壓狀態(tài) 指示LowVO,過壓狀態(tài)指示HighVO。同時根據(jù)輸入的信息V fb& V set來判斷是欠壓還是過壓 狀態(tài)，并相應(yīng)地輸出欠壓狀態(tài)指示LowVO及過壓狀態(tài)指示HighVO ;并且V0作為偏置電壓產(chǎn) 生單元22的輸入來產(chǎn)生偏置電壓信號Vblas，此信號輸入到電壓跟隨單元，電壓跟隨單元23 根據(jù)此信號決定負載電壓的大小?？烧{(diào)供電電源V0也同時作為電壓跟隨單元23的輸 入來為電壓跟隨單元提供工作電源。另外，偏壓設(shè)定V set在本發(fā)明中是優(yōu)選的，所述偏壓設(shè) 定信號用于獨立于光電流強度反饋信號設(shè)置偏置電壓Vbias和電壓降Vdrop信號的大小。 偏壓設(shè)定信號的作用一方面是用于精確設(shè)置每個APD的偏置電壓以達到最佳的靈敏度，另 一方面偏壓設(shè)定信號還可以用于對AH)供電電壓和電壓降Vdrop進行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)低功耗。 在不需要低功耗調(diào)節(jié)功能和電壓降精確設(shè)定的應(yīng)用中，可以不需要偏壓設(shè)定信號。
[0217] 所述低功耗AH)偏壓控制器21還包括電壓跟隨單元23,其用于實現(xiàn)負載電壓隨輸 入電壓而變化的功能。其包括用于與可調(diào)供電電源V0相連的第一端口，用于向AH)負載電 路提供輸出電壓的第二端口，以及第三偏置電壓V blas輸入端口。電壓跟隨單元23的作 用是實現(xiàn)輸出電壓Vout隨輸入電壓而變化，即Vout = Vbias-Verr,其中Verr是固定跟蹤 誤差，比如用PNP三極管作輸出級時為基極b與發(fā)射極e電壓降Vbe，一般在0. 5V.
[0218] 圖3a示出了帶偏壓設(shè)定信號的偏置電壓產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖，下面詳細說明偏置 電壓及欠壓過壓指示信號的產(chǎn)生，圖示中有兩個輸入信號分別是偏壓設(shè)定值V Mt，光電流強 度反饋信號Vfb。
[0219] 其中，圖中所示第二電壓信號V2nd的電壓為：
[0220] V2nd = Vfb+Vset
[0221] 由此得到：
[0222] Vblas= V〇-(V 2nd-Vref) XK = V〇-(Vfb+Vset-Vref) XK
[0223] Vout = V0 - (K*Vfb+K*(Vset-Vref)+Verr)
[0224] Vdrop = V0 - Vout = K*Vfb+Verr+K*(Vset-Vref)
[0225] = K* (V2nd - Vref) +Verr
[0226] 與公式8和13比較，函數(shù)Vdrop具有相同的形式。
[0227] 欠壓狀態(tài)指示LowVO是通過比較器1將第二電壓信號V2nd與參考電壓V 比較而 得。設(shè)置一個低閾值的參考電壓，如果第二電壓信號V2nd的值低于V "^就輸出欠壓狀態(tài) 指示信號LowVO。此時Vdrop超過其目標(biāo)下限Vdrop_min = Verr。
[0228] 過壓狀態(tài)指示HighVO是通過比較器2將第二電壓信號V2nd電壓與參考電壓 vraf2比較而得。設(shè)置一個高閾值的參考電壓vraf2, vraf2>vraf，如果第二電壓信號v2nd的值 高于V raf就輸出高壓狀態(tài)指示信號HighVO。此時Vdrop超過其目標(biāo)上限Vdrop_max = K*(Vref2-Vref)+Verr〇
[0229] 可選地，偏置電壓的設(shè)置可以只通過光電流強度反饋Vfb，而不需要專門再有偏壓 設(shè)定信號V set的輸入，如圖3b所示。
[0230] 圖3b示出不帶偏壓設(shè)置的偏置電壓產(chǎn)生單元實現(xiàn)框圖。與圖3a類似的，只是將 原Vset信號固定在Vref。圖示中只有一個輸入信號，即光電流強度反饋V fb。
[0231] 很容易得到：
[0232] V2nd = Vfb+Vref,
[0233] Vbias = VO _K*Vfb，
[0234] Vout = VO - K^Vfb - Verr,
[0235] Vdrop = K^Vfb+Verr = K^(V2nd - Vref)+Verr,
[0236] 過壓狀態(tài)指示HighVO是通過比較器2將V2nd電壓與參考電壓V ^2比較而得。設(shè) 置一個高閾值的參考電壓vraf2, Vraf2>Vraf，如果V2nd的值高于V 就輸出高壓狀態(tài)指示信號 HighVO。此時 Vdrop 超過其目標(biāo)上限 Vdrop_max = K* (Vref2_Vref) +Verr·
[0237] 圖3c示出了本發(fā)明光電流AH)反饋偏壓控制器的一個實施例。下面通過實施例 對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖示中的輸入信號有偏壓設(shè)定信號V Mt (0~+2. 5V)，光電流 強度反饋Vfb(0~+1. 25V)，基準(zhǔn)電壓輸入3. 3V及供電電源V0。根據(jù)圖中電路可得：
[0238] 電阻R100和穩(wěn)壓管D組成1. 27V穩(wěn)壓電路，再經(jīng)R101和R102分壓器產(chǎn)生1. 25V 參考電壓，即有
[0239] 低閾值參考電壓Vraf= 1. 25V
[0240] 高閾值參考電壓Vraf2= 1. 27V
[0241] 運算放大器Opampl及電阻R12, R13, R14, R15組成加法器，使得：
[0242] V2nd = Vfb+Vset ；
[0243] 運算放大器0pamp3和PNP三極管Q1組成V/I轉(zhuǎn)換器，電阻R0、R1電流近似相等， 使得：
[0244] 當(dāng) V2nd> = 1. 25V 時，Vbias = V0-(V2nd - Vref)*Rl/R0,按所示阻值，K = R1/R0 =16K/0. 5K = 32 ；
[0245] 當(dāng) V2nd〈l. 25V 時，Q1 截止，Vbias = V0
[0246] 電壓跟隨單元由PNP三極管Q0實現(xiàn)，其輸出電壓為：
[0247] Vout = Vbias - Vbe,其中Vbe為Q0基極與發(fā)射極壓差，可認(rèn)為是常數(shù)，假定為 0· 5V，Vout將跟隨Vbias變化。
[0248] 進一步可以得到：
[0249]
[0250] 比較器1將V2nd信號與參考電壓Vref比較，用于產(chǎn)生LowVO。當(dāng)V2nd〈l. 25V時， LowVO有效，此時對應(yīng)于Vdrop目標(biāo)的下限，即Vdrop_min = Vbe = 0· 5V ;
[0251] 比較器2將V2nd信號與參考電壓Vref2比較，用于產(chǎn)生HighVO。當(dāng)V2nd>1.27V 時，HighVO 有效，此時對應(yīng)于 Vdrop 的目標(biāo)上限，即 Vdrop_max = (1. 27-1. 25) *32+Vbe = 1. 14V〇
[0252] 與前述實施例2比較，func(X)函數(shù)，Vdrop函數(shù)及其目標(biāo)區(qū)間是一樣的，即： func(x) = 32*Vfb+0. 5,而 Vdrop 如上所述。
[0253] 下面說明依據(jù)前述AH)偏壓控制方法的偏壓調(diào)節(jié)裝置的實施例。
[0254] 圖4a示出了一種帶溫度補償功能的低功耗AH)偏壓調(diào)節(jié)單元裝置的數(shù)字電路圖。 其中包括
[0255] 1)內(nèi)置溫度傳感器和對應(yīng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，用于采集當(dāng)前AH)工作溫度T。
[0256] 2)內(nèi)置存儲器，包含溫度補償表LUT和變量表。溫度補償表用于存儲不同溫度Τ 下對應(yīng)的初始電源電壓設(shè)定值VOsetO(T)和初始偏壓設(shè)定信號值VsetO(T)。變量表用于存 儲工作變量，如當(dāng)前APD工作溫度T，當(dāng)前偏壓設(shè)定信號偏差Δ V，積分步長Step，增益比例 G(即公式16中的B/A)。
[0257] 3)數(shù)字量I/O接口，用于采集過壓指示信號HighVO和欠壓指示信號LowVO。
[0258] 4)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)，用于輸出當(dāng)前電源電壓設(shè)定信號V0set_〇Ut和偏壓設(shè)定信 號 Vset〇
[0259] 5)信號處理邏輯，用于實現(xiàn)帶溫度補償功能的低功耗偏壓調(diào)節(jié)算法。
[0260] 圖4b示出了一種帶溫度補償功能的低功耗偏壓調(diào)節(jié)算法的流程圖。開始時，設(shè)置 AV = 〇,并根據(jù)Vdrop 目標(biāo)范圍設(shè)置 step= (Vdrop_max_Vdrop_min)/(2*B)，B 為Vset 至 Vdrop的增益。然后進入如下循環(huán)：
[0261] 第1步，采集當(dāng)前溫度，并將結(jié)果存入溫度變量。
[0262] 第2步，根據(jù)溫度變量的值和溫度補償表計算該溫度下的電源電壓設(shè)定初始值 VOsetO和偏壓設(shè)定信號初始值VsetO。
[0263] 第3步，采集欠壓指示信號LowVO,判斷LowVO是否有效，如果有效，即輸出為邏輯 高電平，貝U更新AV= AV+setp，進入第5步。否則進入第4步。
[0264] 第4步，采集過壓指示信號HighVO,判斷此信號是否有效，如果有效，即HighVO為 邏輯高，則更新AV = AV - step，進入第5步。否則進入第6步。
[0265] 第 5 步，同步更新 DAC0 和 DAC，DAC0 = V0set_out0+G* Δ V，DAC = V0set_0+ Δ V。
[0266] 第6步，延時。然后進入第1步。
[0267] 根據(jù)本發(fā)明的多個低功耗AH)偏壓控制器適合于集成為一體，例如集成在同一集 成電路（1C)中，用于為多個Aro提供偏壓控制，為多個Aro提供過載保護、獨立精確偏壓設(shè) 置、接收光功率全范圍內(nèi)低功耗、快速響應(yīng)、溫度補償?shù)裙δ堋?br>[0268] 如圖1所述的AH)偏壓控制器12與偏壓調(diào)節(jié)單元13、可調(diào)供電電源15、電源切換 單元17、輔助電源16、光電流檢測單元18、可以是相互獨立的，也可以集成為一體構(gòu)成一個 完整的Aro偏壓控制器。所述Aro偏壓控制器與Aro及跨阻放大器TIA封裝在一起，可以 構(gòu)成一個完整的Aro光電接收器，其工作原理如前所述，在此不再贅述。
[0269] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論 從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化涵括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
【主權(quán)項】
1. 一種Aro偏壓控制方法，所述方法包括： 采集與流經(jīng)Aro的光電流信號對應(yīng)的光電流強度電壓信號； 將采集到的光電流強度電壓信號與偏壓設(shè)定信號疊加后產(chǎn)生控制信號，用于控制可調(diào) 供電電源輸出電壓與APD之間的電壓降； 同步調(diào)整可調(diào)供電電源輸出電壓和偏壓設(shè)定信號，將電壓降控制在預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電 壓降范圍內(nèi)，并使得Aro偏置電壓逐步趨近并穩(wěn)定在與當(dāng)前輸入光功率相對應(yīng)的偏置電壓 值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的Aro偏壓控制方法，其中： 所述偏壓設(shè)定信號獨立于光電流強度電壓信號分別控制所述電壓降，偏壓設(shè)定信號或 光電流強度信號越大，電壓降越大，并且使得Aro工作點落在其安全范圍內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的Aro偏壓控制的方法，還包括溫度校準(zhǔn)步驟和溫度補償步驟， 其中，所述溫度校準(zhǔn)步驟包括： -在Aro額定工作溫度范圍內(nèi)選取典型溫度工作點； -在典型工作點溫度下依次對可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè)定信號初始值進 行校準(zhǔn)，分別建立可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè)定信號初始值與APD工作溫度的 溫度關(guān)系表， 其中，所述溫度補償步驟包括： -采集當(dāng)前APD工作溫度； -依照溫度關(guān)系表確定當(dāng)前Aro溫度下的可調(diào)供電電源輸出電壓初始值和偏壓設(shè)定信 號初始值，用于對所述電壓降進行控制。4. 根據(jù)權(quán)利要求3的Aro偏壓控制方法，其中，還包括所述可調(diào)供電電源輸出電壓初始 值和偏壓設(shè)定信號初始值的校準(zhǔn)步驟，所述校準(zhǔn)步驟包括： -將Aro輸入光功率設(shè)置在略低于其靈敏度指標(biāo)值，改變可調(diào)供電電源輸出電壓； -調(diào)整偏壓設(shè)定信號將所述電壓降控制在目標(biāo)值； -測量AH)接收機的誤碼率； -將誤碼率最低點對應(yīng)的供電電源輸出電壓值和偏壓設(shè)定信號值分別作為可調(diào)供電電 源輸出電壓和偏壓設(shè)定信號的初始值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項的Aro偏壓控制方法，還包括電源電壓狀態(tài)指示產(chǎn)生步 驟，其中，該電源電壓狀態(tài)產(chǎn)生步驟包括： -在電壓降低于所述目標(biāo)電壓降范圍時產(chǎn)生欠壓指示信號； -在電壓降高于所述目標(biāo)電壓降范圍時產(chǎn)生過壓指示信號。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項的Aro偏壓控制方法，還包括輔助電源和電源切換步驟， 其中，所述輔助電源和電源切換步驟包括： -在電壓降低于所述目標(biāo)電壓降范圍下限時，連接輔助電源為Aro供電； -在電壓降高于或等于所述目標(biāo)電壓降范圍下限時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電源為 Aro獨立供電。7. -種Aro偏壓控制器，包括： 偏置電壓產(chǎn)生單元，其用于根據(jù)來自外部的光電流強度反饋信號產(chǎn)生偏置電壓信號用 于決定Aro偏壓，其中，該偏置電壓產(chǎn)生單元還在單元內(nèi)部產(chǎn)生第二電壓信號，并將所述第 二電壓信號與一個或多個參考電壓相比較，用以產(chǎn)生指示當(dāng)前可調(diào)供電電源的電壓是否過 低或過高的欠壓或過壓指示。8. 根據(jù)權(quán)利要求7的Aro偏壓控制器，其中，所述偏置電壓產(chǎn)生單元還包括偏壓設(shè)定信 號端口，所述偏壓設(shè)定信號用于獨立于光電流強度反饋信號來設(shè)置偏置電壓信號的大小。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8的AH)偏壓控制器，其中，還包括： 電壓跟隨單元，其包括用于與可調(diào)供電電源相連的第一端口，用于向Aro負載電路提 供電壓的第二端口，以及第三輸入電壓端口。10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9任一項的Aro偏壓控制器，其中，還包括： 偏壓調(diào)節(jié)單元，用于根據(jù)來自所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓或過壓指示來生成控制信 號，該控制信號用于控制可調(diào)供電電源的輸出電壓。11. 根據(jù)權(quán)利要求10的Aro偏壓控制器，其中，所述控制信號還用于控制偏置電壓產(chǎn) 生單元的偏置電壓信號，使得偏置電壓信號的大小在可調(diào)供電電源電壓控制過程中保持穩(wěn) 定。12. 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項的APD偏壓控制器，其中，還包括： 電源切換單元，用于根據(jù)所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓指示來連接輔助電源為Aro供 電，并且當(dāng)可調(diào)供電電源脫離欠壓狀態(tài)時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電源為Aro獨立供 電。13. 根據(jù)權(quán)利要求7至12任一項的Aro偏壓控制器，其中，還包括： 溫度補償單元，用于根據(jù)溫度變化來增加或減少偏置電壓信號的大小，對Aro偏壓進 行溫度補償，使APD在工作溫度范圍內(nèi)均保持最優(yōu)偏壓。14. 一種Aro光電接收器，包括Aro器件，與Aro器件串聯(lián)的前置跨阻放大器，光電流檢 測單元，可調(diào)供電電源，其中該Aro光電接收器還包括： 電壓跟隨單元，其包括用于與可調(diào)供電電源相連的第一端口，用于向Aro負載電路提 供電壓的第二端口，以及第三輸入電壓端口； 偏置電壓產(chǎn)生單元，其用于根據(jù)來自外部的光電流強度反饋信號產(chǎn)生偏置電壓信號用 于決定Aro偏壓，此外，還在單元內(nèi)部產(chǎn)生第二電壓信號，并將所述第二電壓信號與一個或 多個參考電壓相比較，用以產(chǎn)生指示當(dāng)前可調(diào)供電電源的電壓是否過低或過高的欠壓或過 壓指示； 其中，所述偏置電壓信號與所屬第三輸入電壓端口相連。15. 根據(jù)權(quán)利要求14的Aro光電接收器，其中，所述偏置電壓產(chǎn)生單元還包括偏壓設(shè)定 信號端口，所述偏壓設(shè)定信號用于獨立于光電流強度反饋信號設(shè)置偏置電壓信號的大小。16. 根據(jù)權(quán)利要求14至15中任一項的APD光電接收器，其中，還包括： 偏壓調(diào)節(jié)單元，用于根據(jù)來自所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓或過壓指示來生成控制信 號，該控制信號用于控制可調(diào)供電電源的輸出電壓，所述控制信號還同時用于控制偏置電 壓產(chǎn)生單元的偏置電壓信號，使得偏置電壓信號的大小在可調(diào)供電電源電壓控制過程中保 持穩(wěn)定。17. 根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項的APD光電接收器，其中，還包括： 輔助供電電源，其可以獨立于可調(diào)供電電源或協(xié)助可調(diào)供電電源共同為Aro提供正常 工作所需的偏壓； 電源切換單元，用于根據(jù)所述偏置電壓產(chǎn)生單元的欠壓指示來連接輔助電源為Aro供 電，并且當(dāng)可調(diào)供電電源脫離欠壓狀態(tài)時，斷開輔助電源，由可調(diào)供電電源為Aro獨立供 電。18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項的APD光電接收器，其中，還包括： 溫度補償單元，用于根據(jù)溫度變化來增加或減少偏置電壓信號的大小，對AH)偏壓進 行溫度補償，使APD在工作溫度范圍內(nèi)均保持最優(yōu)偏壓。
【文檔編號】G05F1/56GK106033225SQ201510113780
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月16日
【發(fā)明人】王祥忠
【申請人】蘇州旭創(chuàng)科技有限公司