低功耗APD偏压控制器与偏压控制方法及光电接收器

摘要

本发明提供了一种APD偏压控制方法，包括：采集与流经APD的光电流信号对应的光电流强度电压信号；将光电流强度电压信号与偏压设定信号叠加后产生控制信号，用于控制可调供电电源输出电压与APD电压之间的电压降；同步调整可调供电电源输出电压和偏压设定信号，将电压降控制在预定范围内。本发明还提供了一种APD偏压控制器，包括：偏置电压产生单元，用于根据来自外部的光电流强度反馈信号产生偏置电压信号用于决定APD偏压，其中，该偏置电压产生单元还产生第二电压信号，并将所述第二电压信号与一个或多个参考电压相比较，用以产生欠压或过压指示。本发明的APD偏压控制器及光电接收器具有低功耗、高动态，高信噪比，高灵敏度和及时温度补偿的优点。

说明书

技术领域

本发明属于光学通信领域，更具体地，涉及一种低功耗APD(雪崩光电二极管)偏压控制器、APD偏压控制方法及APD光电接收器。

背景技术

作为APD偏压控制器的相关技术，将描述以下相关的专利文献1和2。

专利文献1(公开号：CN1790946A)公开了一种具有过载保护功能的光接收模块，用于光纤通讯领域；包括一雪崩光电二极管；一为雪崩光电二极管提供反向偏置电压的DC/DC升压电路；一用于输入光检测的取样电阻；取样电阻的一端与DC/DC升压电路的输出端连接，在取样电阻的另一端与雪崩二极管的反向偏压管脚之间串接一限流保护电阻，且所述限流保护电阻的阻值大于取样电阻的阻值。

该专利采用串联电阻进行偏压，升压电路的输出电压不会根据APD光电流的大小自动调整，当光电流接近过载点时，输出功耗较大，而且大部分功耗浪费在限流电阻上；在多通道APD应用中，功耗浪费更加严重。

专利文献2(公开号：CN201256288Y)公开了一种雪崩光电二极管偏压器和电路，其中，上述器包括供电单元和雪崩光电二极管，还包括反馈部，其中，反馈部的输入端连接至供电单元的输出端；反馈部的第一输出端连接至供电单元的输入端；反馈部的第二输出端连接至APD的输入端。该实用新型通过对雪崩光电二极管提供偏压过载，防止雪崩光电二极管管芯烧毁，提高了雪崩光电二极管接收机的安全性，降低了维修成本。

该专利采用电流反馈调节偏压进行APD保护，动态范围小，并可 能起不到保护作用。通过DC/DC升压电路的反应时间一般在0.1ms～10ms，当输入光功率在小于DC/DC升压电路的反应时间内瞬时增大时，光电流过载，TIA产生误码，APD/TIA有可能过载损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种APD偏压控制方法及相应的装置，能够解决上述问题并且获得低功耗和高动态响应速度。

根据本发明的一个方面，提供了一种APD偏压控制的方法，包括：

采集与流经APD的光电流信号Iapd对应的光电流强度电压信号Vfb；

将采集到的光电流强度电压信号Vfb与偏压设定信号Vset叠加后产生控制信号V2nd，用于控制可调供电电源输出电压V0与APD电压Vapd之间的电压降Vdrop(＝V0-Vapd)；

同步调整可调供电电源输出电压V0和偏压设定信号Vset，将电压降Vdrop控制在预先设定的目标电压降范围内(例如0.82V+/-0.32V)，并使得APD偏置电压Vapd逐步趋近并稳定在与当前输入光功率Pin相对应的偏置电压值。

可选地，在所述APD偏压控制方法中，所述偏压设定信号独立于光电流强度电压信号分别控制所述电压降，偏压设定信号或光电流强度信号越大，电压降越大，并且使得APD工作点落在其安全范围内。

可选地，所述APD偏压控制的方法还包括：

温度校准步骤和温度补偿步骤，其中，所述温度校准步骤包括：

-在APD额定工作温度范围内选取典型温度工作点；

-在典型工作点温度下依次对可调供电电源输出电压初始值和偏压设定信号初始值进行校准，分别建立可调供电电源输出电压初始值和偏压设定信号初始值与APD工作温度的关系表(简称温度关系表)；

其中，所述温度补偿步骤包括：

-采集当前APD工作温度；

-依照温度关系表确定当前APD温度下的可调供电电源输出电压初始值和偏压设定信号初始值，用于对所述电压降进行控制。

进一步可选地，所述APD偏压控制的方法还包括可调供电电源输出电压初始值和偏压设定信号初始值的校准步骤，其中所述校准步骤包括：

-将APD输入光功率设置在略低于其灵敏度指标值，改变可调供电电源输出电压；

-调整偏压设定信号将所述电压降控制在目标值；

-测量APD接收机的误码率；

-将误码率最低点对应的可调供电电源输出电压值和偏压设定信号值分别作为可调供电电源输出电压和偏压设定信号的初始值。

可选地，所述APD偏压控制方法，还包括电源电压状态指示产生步骤，其中，所述电源电压状态指示产生步骤包括：

-在电压降低于所述目标电压降范围时产生欠压指示信号；

-在电压降高于所述目标电压降范围时产生过压指示信号。

可选地，所述APD偏压控制的方法还包括辅助电源和电源切换步骤，其中，所述辅助电源和电源切换步骤包括：

-在电压降低于所述目标电压降范围下限时，连接辅助电源为APD供电；

-在电压降高于或等于所述目标电压降范围下限时，断开辅助电源，由可调供电电源为APD独立供电。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种低功耗APD偏压控制器。其中包括：

偏置电压产生单元，其用于根据来自外部的光电流强度反馈信号产生偏置电压信号用于决定APD偏压。此外，还在单元内部产生第二电压信号，并将所述第二电压信号与一个或多个参考电压相比较，用以产生指示当前可调供电电源的电压是否过低或过高的欠压或过压指示。

可选地，所述低功耗APD偏压控制器的所述偏置电压产生单元还包括偏压设定信号端口，其中所述偏压设定信号用于独立于光电流强度反馈信号精确设置偏置电压信号的大小。

可选地，所述低功耗APD偏压控制器，还包括：

电压跟随单元，其包括用于与可调供电电源相连的第一端口，用于向APD负载电路提供负载电压的第二端口，以及第三输入电压端口。其中，所述电压跟随单元用于实现负载电压随输入电压而变化。

可选地，所述低功耗APD偏压控制器还包括：

偏压调节单元，用于根据来自所述偏置电压产生单元的欠压或过压指示来生成控制信号，该控制信号用于控制可调供电电源电压，使其处于满足APD正常工作所需的最低电压，从而使电源输出功率最低。

可选地，所述控制信号还用于控制偏置电压产生单元的偏置电压信号，使得偏置电压信号的大小在可调供电电源电压控制过程中保持稳定。

可选地，所述低功耗APD偏压控制器还包括：

电源切换单元，用于根据所述偏置电压产生单元的欠压指示来连接辅助电源为APD供电，并且当可调供电电源脱离欠压状态时，断开辅助电源，由可调供电电源为APD独立供电。

可选地，所述低功耗APD偏压控制器还包括：

温度补偿单元，用于根据温度变化来增加或减少偏置电压信号的大小，对APD偏压进行温度补偿，使APD在工作温度范围内均保持最优偏压。

根据本发明的另一方面，还提供了一种APD光电接收器，包括APD器件，与APD器件串联的前置跨阻放大器，光电流检测单元，可调供电电源，其中该APD光电接收器还包括：

电压跟随单元，其包括用于与可调供电电源相连的第一端口，用于向APD负载电路提供负载电压的第二端口，以及第三输入电压端口，其中，所述电压跟随单元用于实现负载电压随输入电压而变化；

偏置电压产生单元，其用于根据来自外部的光电流强度反馈信号产生偏置电压信号用于决定APD偏压。此外，还在单元内部产生第二电压信号，并将所述第二电压信号与一个或多个参考电压相比较，用以产生指示当前可调供电电源的电压是否过低或过高的欠压或过压指示；

其中，所述偏置电压信号与所属第三输入电压端口相连。

可选地，所述APD光电接收器，其中，所述偏置电压产生单元还包括偏压设定信号端口，所述偏压设定信号用于独立于光电流强度反馈信号精确设置偏置电压信号的大小。

可选地，所述APD光电接收器，还包括：

偏压调节单元，用于根据来自所述偏置电压产生单元的欠压或过压指示来生成控制信号，该控制信号用于控制可调供电电源，使其处于满足APD正常工作所需的最低电压，从而使电源输出功率最低。所述控制信号还同时用于控制偏置电压产生单元的偏置电压信号，使得偏置电压信号的大小在APD供电电源电压控制过程中保持稳定。

可选地，所述APD光电接收器还包括：

辅助供电电源，其可以独立于可调供电电源或协助可调供电电源共同为APD提供正常工作所需的偏压；

电源切换单元，用于根据所述偏置电压产生单元的欠压指示来连接辅助电源为APD供电，并且当可调供电电源脱离欠压状态时，断开辅助电源，由可调供电电源为APD独立供电。

可选地，所述APD光电接收器还包括：

温度补偿单元，用于根据温度变化来增加或减少偏置电压信号的大小，对APD偏压进行温度补偿，使APD偏压在工作温度范围内均保持最优偏压。

通过本发明所披露的低功耗APD偏压控制方法设计的APD偏压控制器及APD光电接收器，相对于现有技术，具有如下优点：

1.在强光输入时APD无损伤；

2.在标称光功率输入范围内，偏压电路均保持低功耗；

3.使APD具有足够的动态响应能力，防止光电流欠载或过载造成的链路中断；

4.对APD偏压能够精细调节，获得最高的信噪比，提高了灵敏度；

5.实现对APD偏置电压进行温度补偿的功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了低功耗APD偏压控制器的电路框图；

图1a示出了APD特性曲线、负载曲线及工作点；

图1b示出了低功耗APD偏压控制逻辑框图；

图2示出了低功耗APD偏压控制器的结构框图；

图3a示出了带偏压设定的偏置电压产生单元实现框图；

图3b示出不带偏压设定的偏置电压产生单元实现框图；

图3c示出了低功耗APD偏压控制器的应用实施例电路图；

图4a示出了低功耗APD偏压调节装置的数字电路图；

图4b示出了低功耗APD偏压调节装置信号处理逻辑的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

图1示出了本发明低功耗APD偏压控制器的电路框图，下面参照图1对本发明原理进行详细说明。

本发明低功耗APD偏压控制器整体电路包括APD偏压控制装置11，可调供电电源15、辅助电源16、光电流检测单元18及外围电路组成。其中APD偏压控制装置11可包括光电流反馈型APD偏压控制器12、偏压调节单元13、温度补偿功能模块14、电源切换单元17。

其中，所述光电流反馈型偏压控制器12有三个输入信号，分别是1)可调供电电源输出电压V0；2)光电流强度反馈信号V_fb，3)偏压设定信号V_set以及三个输出信号，分别是1)欠压状态指示LowV0；2)过压状态指示HighV0；3)输出电压Vout。

其中，偏压调节单元13有两个输入信号，分别是1)欠压状态指示LowV0；2)过压状态指示HighV0；有两个输出信号，分别是1)偏压设定V_set,输出到光电流反馈型APD偏压控制器；2)可调供电电源电压设定信号V0_set，此信号可控制可调供电电源15的输出电压。

其中，电源切换单元17是由N沟道MOS管Q3,电阻R4，P沟道MOS管Q2及电阻R3组成，其开关控制输入信号为光电流反馈型APD偏压控制器12的欠压状态指示LowV0。电源切换单元17连接辅助电源16，其输出端与光电流反馈型APD偏压控制器12的输出电压Vout输出端相连，然后一起连接到外围电路。

其中，外围电路包括有作为输入光检测的精密取样电阻Rs，高频滤波电容C0，可选滤波电容C1，雪崩二极管(APD，Avalanche Photo Diode)及跨阻抗放大器(TIA，trans-impedance amplifier)。

下面参照图1来详细说明所述低功耗APD偏压控制器方法的工作原理。

当APD反偏，输入光照射到APD光敏面时，APD产生光电流并流经取样电阻Rs。光电流检测单元18检测到取样电阻Rs上的平均光电流信号Iapd，产生一个光电流强度反馈信号V_fb,

Iapd＝Pin*η*M(1)

其中Pin为输入光功率(一般在-30～+3dBm)，η为APD响应度(一般在0.8～1mA/mW)，M为APD倍增系数。APD的倍增系数M与APD的偏置电压Vapd相关，可以近似为：

M＝1/[1－(V_apd/V_br)ⁿ](2)

其中V_apd是APD的反向偏置电压，V_br是某一确定温度的击穿电压，随温度升高而增大，n是介于1和3之间，它是由半导电材料，半导体掺杂分配和辐射源波长决定的。依据公式1-2，可以得到APD工作特性曲线(即某一特定输入光功率下APD光电流Iapd与其反向偏置电压Vapd的关系曲线):

Iapd＝Pin*η/[1－(V_apd/V_br)ⁿ](3)

为了得到最佳灵敏度，当输入光功率在灵敏度附近时一般将Vapd设置在略低于Vbr使得M在10～20倍。一方面，希望将APD电压Vapd尽量接近Vbr提高M和光电流信号强度；但另一方面，M太大会导致光电流噪声太大，使信噪比下降而灵敏度降低。在实践中，M在10～20区间通常可取得最佳灵敏度。

一个实际问题是APD过载损坏。具有APD接收器的光模块，发送端的输出光功率一般在几个mW的量级。当发送端直接通过光纤跳线或连接器回环接入接收端时，APD接收光功率从零突然增加到几个mW，假设Vapd和M不能及时降低下来，那么将瞬间出现强光电流，击穿APD致使其损坏。

光电流反馈型APD偏压控制器12的一个基本功能就是实现对APD的过载保护。其输出级串联在可调供电电源输出端和APD之间，产生随光电流强度变化的电压降Vdrop。依据图1，APD的偏置电压可以表述为：

Vapd＝V0–Vs–Vin-Vdrop(4)

其中，V0为可调供电电源的输出电压，Vs＝Iapd*Rs，为取样电阻Rs上压降，Rs为取样电阻Rs的阻值。可以尽量选取小的取样电阻值使得Vs可忽略。Vin为TIA的输入电压，一般在0.8V左右，不随光电流变化。光电流反馈型APD偏压控制器12设计成使得其输出电压降Vdrop随其光电流强度反馈信号Vfb增加而增加，即

Vdrop＝func(Vfb)(5)

Vfb＝Iapd*Rs*Gs,(6)

其中函数func(x)为单调递增函数，Gs是光电流检测单元的电压增益。通常选取Rs和Gs,使得Rs*Gs在0.5～1k ohm,Vfb在0～2xVref之间,其中Vref是+1.25V参考电压。依公式4-6，可以得到APD的负载曲线(Loadline)，即

Vapd＝V0-Vs-Vin–func(Iapd*Rs*Gs)(7)

由于func(x)的单调递增性，光电流Iapd越大，Vapd越小，APD倍增系数M越小。合理配置电路参数和选取函数func(x),可以使得在过载点光功率附近，Vapd降低到几伏特，M趋近于1，即APD几乎不产生雪崩效应，从而达到保护APD的目标。

举例说明如下：

实施例1：

假设一个APD，Vbr＝+40V，n＝2。进一步假设Vin＝+0.8V，Vs 可忽略，取样电路增益(Rs*Gs)为0.5k ohm,APD响应度η＝1mA/mW。设置V0＝+40V,并选取func(x)为线性函数，即

func(Vfb)＝32*Vfb+0.5＝16e3*Iapd+0.5(8)

Vapd＝40–0.8–Vdrop＝38.7–16k*Iapd(9)

如图1a所示，我们可以在I-V图上依据公式9画出APD负载曲线(这里为直线)；另一方面，依据公式3可以分别画出输入光功率为100uW和500uW的APD工作特性曲线。I-V图上，APD工作特性曲线和负载曲线的交点即为该输入光功率对应的APD偏置电压和光电流。

假设灵敏度Pin＝3.8uW，根据I-V图，可以得到此时Iapd＝40uA，根据公式8和9得到Vdrop＝1.14V，Vapd＝38.06V，依公式2，M＝10.57。

在输入光功率Pin增加致使Iapd达到2mA时，依公式8，Vdrop＝32.5；依公式9，Vapd＝6.7；依公式2，M＝1.03。依公式1，此时的输入光功率Pin＝Iapd/(η*M)＝2/(1*1.029)＝1.944mW。

依据公式6和7，在保持APD负向偏压的条件下，最大的光电流为38.7V/16k＝2.42mA，对应光功率约为2.42mW(+3.8dBm)。

从实施例1中，可以看到，选取func(x)为线性递增函数可以使得Vdrop与Iapd为比例递增关系，合理选取其增益(e.g.16k ohm)可以使得输入光功率在正常工作范围内(本例中<＝+3dBm)光电流不超过2.42mA。进一步地，APD功耗Papd＝Iapd*Vapd,依公式9，

Papd＝Iapd*(38.7–16e3*Iapd)(10)

其最大值发生在Iapd＝38.7/16e3*1/2＝1.21mA，最大消耗功率为23.4mW，不会超过一般APD的极限范围。

在实际应用中，我们可根据应用要求限定APD的功耗极限值(例如30mW)，并将其绘制在I-V图中，如图1a所示，示出了30mW的功耗极限曲线。APD负载曲线应该选取在位于设定功耗曲线左下方的安全工作区内，使得APD在任意输入光功率下的工作点不超过所设定的功耗。

应当指出的是，虽然上述实施例1中func(x)采用了线性函数，但 func(x)可以根据实际应用要求设定为其它单调递增函数。比如Vdrop可以设置为Vfb(或Iapd)的二次多项式函数，即

Vdrop＝Vfb²*4+Vfb*7+1；或

Vdrop＝Iapd²*4e6+Iapd*7e3+1；则有

Vapd＝38.2-Iapd²*4e6-Iapd*7e3(11)

此为抛物线形负载曲线(parabolic load line)，如图1a中虚线所示。比较两条负载曲线可以看到，

(1)因为func(x)的单调递增特性，可以保证光电流Iapd与输入光功率Pin保持单调递增关系，即对于每一个光功率输入信号可以得到确定的光电流。

(2)抛物线形负载曲线更有助于提高灵敏度附近低输入光功率下的光电流。

(3)两条负载曲线都在安全工作区内。

(4)最大工作电流都被限制在2.4mA附近。

在采用微处理器对Vfb进行采样和对Vdrop进行控制的实施例中，可以更加灵活地选择函数func(x)以达到预期的APD工作模式。

上述方案能够实现对APD过载保护，但仍有个问题，即在输入光功率接近过载点时，Vapd很小，Vdrop很大，可调供电电源的大部分输出功率浪费在Vdrop上。假设可调供电电源的输出电流主要供给APD，则电源输出功率P0为：

P0＝Iapd*V0

＝Iapd*(Vapd+Vdrop+Vs+Vin)(依公式4)

＝Iapd*(Vapd+Vs+Vin)+Iapd*Vdrop

＝P1+P2

P1＝Iapd*(Vapd+Vs+Vin)

P2＝Iapd*Vdrop

其中P1为APD工作必需功耗，P2为无用损耗。沿用前面的例子，在输入光功率Pin＝1.94mW,Iapd＝2mA时，V0＝40V，Vdrop＝32.5V，P2＝65mW，P＝40*2mA＝80mW，P1＝15mW。可以看到电源的 大部分功率浪费在Vdrop上，单通道浪费65mW。如果让V0和Vdrop同时降低32V，即降低V0到8V，同时降低Vdrop到0.5V，则APD工作状态不变(Vapd和Iapd依旧)，但浪费功率P1可以降低到0.5V*2mA＝1mW。这对于一个四通道总功耗3.5W的光模块来讲，相当于节能(65-1)*4＝256mW，约7.3％，这是非常可观的。

为了降低P1，必须降低Vdrop。本发明提供一个Vdrop反馈控制回路将Vdrop控制在预先设定的目标值范围内，在保证APD正常工作的条件下使得可调供电电源的功耗最低。

Vdrop的目标值Vdrop0一般依据控制电路所能达到的极限值(如射极跟随器的最低压降)来设定，以便使得功耗浪费最小。

所述Vdrop控制回路的机理是根据当前Vdrop与其目标值Vdrop0的差异，按照预定控制逻辑得出控制值，同时增加或减小可调供电电源输出电压V0和Vdrop,使V0-Vdrop保持稳定，进而依公式4，Vapd保持不变。

如图1所示，可调供电电源15一般采用DC/DC升压电路，其输出电压V0由控制电压V0set决定，即

V0＝V0set*A(12)

其中A为升压电路的固定增益。

为了控制Vdrop，本发明引入偏压设定信号Vset。Vset信号独立于光电流强度反馈信号Vfb对Vdrop产生影响，即

Vdrop＝func(Vfb)+B*(Vset-Vref)(13)

其中Vref为参考信号，B为Vset至Vdrop的增益。

当不需要优化电源功耗的应用中，可以将Vset固定在Vref。而在低功耗APD偏压控制器中，可以通过相对于Vref上下调整Vset来增加或降低Vdrop。Vset的变化范围设定为0～2xVref,选取增益B,使得B*Vref不小于func(Vfb)的最大值，即

B>＝max(func(Vfb))/Vref(14)

进而使得在任何Vfb的条件下可以通过Vset将Vdrop降低到0或以下。

图1b示出了Vdrop控制回路的逻辑框图，其工作原理为：

1)采集Vfb，依据公式13计算Vdrop；或者直接采集Vdrop。

2)将目标电压降Vdrop0减去当前Vdrop得到误差值。

3)积分器对该误差值进行积分产生控制信号ΔV。

4)控制信号ΔV以相应比例分别叠加到Vset初始值Vset0和V0set初始值V0set0上产生Vset和V0set，即

Vset＝Vset0+ΔV,(15)

V0set＝V0set0+ΔV*B/A(16)

根据上述逻辑，依公式12，13得到，

Vdrop＝func(Vfb)+B*(Vset0+ΔV–Vref)(17)

V0＝V0set*A+ΔV*B(18)

V0-Vdrop＝V0set0*A–B*(Vset0-Vref)–func(Vfb)(19)

这就实现了V0-Vdrop与ΔV无关。

因为Vdrop控制回路的目的是降低模块稳态工作时的功耗，通常可适当选取积分器的积分时间常数，使得控制回路的闭环响应时间常数比较大，比如在0.1秒～几秒。

在一实施方式中，还可以在目标值Vdrop0上下设定电压降Vdrop的目标区间，即[Vdrop0_min,Vdrop0_max]，并依此来判断可调供电电源的过压(以逻辑信号HighV0为高表示)或欠压状态(以逻辑信号LowV0为高表示)。比如可以将Vdrop0_min配置在控制电路所能达到的最低压降值Vdrop_extreme与Vdrop0之间，并将Vdrop_max配置成略高于Vdrop0，即

Vdrop_extreme<＝Vdrop_min<＝Vdrop0(20)

Vdrop_max>＝Vdrop0(21)

如图1b所示，当光功率增加，光电流强度反馈信号Vfb变大时，可以使得Vdrop高于Vdrop0_max，比较器1输出高有效逻辑信号HighV0，表示此时可调供电电源处于过压状态，可以降低V0和Vdrop来减少功耗。相反地，如果光功率减小，Vfb变小时，可以使得Vdrop低于Vdrop0_min，比较器2输出高有效逻辑信号LowV0，表示此时 可调供电电源处于欠压状态，电源电压无法满足当前输入光功率下所需的正常APD偏压，需要增加V0和Vdrop以避免控制电路出现截止状态。

如果光电流强度反馈信号Vfb持续减小使得依公式12得到的Vdrop计算值低于Vdrop_extreme，则控制电路进入截止状态。此时受物理电路限制，实际电压降不随Vset变化，维持在Vdrop_extreme值上，APD偏压Vapd只随V0而增减。这时Vdrop控制回路会在积分器的作用下持续增加ΔV，一方面提高V0set和V0，使得Vapd增加，另一方面，提高Vset，使得控制电路逐渐脱离截止状态并使电压降Vdrop重新进入目标范围内。

现在举例说明上述实施方式。实施例2：

沿用实施例1中APD的特性参数和电路参数，并假设灵敏度指标为3.8uW,func(x)设置为线性递增函数由公式5确定，即func(Vfb)＝16k*Iapd+0.5，并且设置B＝32，Vset0＝Vref＝+1.25V，A＝32，Vset_out0＝V0/A＝1.25V。进一步假设Vdrop0＝0.82V，Vdrop_min＝Vdrop_extreme＝0.5V，Vdrop_max＝1.14V。下面说明当输入光功率从灵敏度点3.8uW(对应Iapd＝40uA)增大到+1.94mW(对应Iapd＝2mA)时Vdrop控制回路的工作模式。

根据实施例1计算，当输入光功率为3.8uW时，如果不对Vdrop进行控制，根据图1a所示负载曲线和特性曲线图，有Iapd＝40uA,Vapd＝38.06V，Vdrop＝1.14V。启动Vdrop控制回路后，由于Vdrop大于其目标值0.82V，误差积分器将ΔV负向逐渐增大，直到ΔV＝(0.82-1.14)/B＝-0.32/32＝-0.01V，使得

Vset＝1.25+(-0.01)＝1.24V(依公式15)

Vset_out＝1.25+(-0.01)*32/32＝1.24V(依公式16)

Vdrop＝16k*40uA+0.5+32*(1.25-0.01-1.25)＝0.82V(依公式17)

V0＝1.25*32+32*(-0.01)＝39.68V(依公式18)

V0–Vdrop＝38.06。

当光功率快速提高到+1.944mW时，Iapd，Vfb，Vdrop都在控制 回路产生显著作用前快速增大，直到Iapd达到2mA。此时

Vdrop＝16k*2mA+0.5+32*(1.24-1.25)＝32.18V(公式17)

V0-Vdrop＝39.68–32.18＝7.5V；

Vapd＝7.5–0.8＝6.7V正好符合公式9所示APD特性曲线。之后，Vdrop控制回路开始运行，积分器继续负向增加ΔV,直至ΔV＝-0.01+(0.82-32.18)/32＝-0.99V，使得

Vset＝1.25–0.99＝0.26V，

Vset_out＝1.25+(-0.99)*32/32＝0.26V

Vdrop＝16k*2mA+0.5+32*(0.26-1.25)＝0.82V，达到目标值；

V0＝1.25*32+32*(-0.99)＝8.32V。

V0–Vdrop＝7.5V，保持不变。

应当指出的是，APD器件特性随器件工作温度T而变化。当温度升高时，V_br值也在增大，如果此时偏置电压V_apd不变，则M会下降，要保证M值不变，就必须在温度升高时相应地增加APD偏置电压；当温度降低时，V_br值也在减少，如果此时偏置电压V_apd不变，则M会增大，要保证M值不变，就必须在温度降低时相应地降低APD偏置电压。所以APD偏压控制器一般具有温度补偿功能。

参照图1b说明本发明提供的具有温度补偿功能APD偏压控制器的实施方式。这是通过预先分别确定可调供电电源电压设定初始值V0set0和设定电压初始值Vset0与温度的函数关系,即V0set0(T)和Vset0(T)来实现的。

在某一特定温度T0下，可以按如下方法来校准V0set0和Vset0，即

1)固定APD接收器的输入光功率Pin在其灵敏度指标值附近，

2)设定Vset＝Vref,逐渐增加V0set，同时监视APD接收器的输出误码率。误码率最低点对应的V0set值记为V0set_opt。

3)在最优灵敏度点处采集Vfb，计为Vfb_opt。然后依公式13计算此时的Vdrop值，计为Vdrop_opt＝func(Vfb_opt)。

4)比较Vdrop_opt与Vdrop0用于调整V0set0和Vset0,即

V0set0(T0)＝V0set_opt+[Vdrop0–Vdrop_opt]/A,

Vset0(T0)＝Vref+[Vdrop0–Vdrop_opt]/B。

通过以上校准得到的V0set0和Vset0，可以保证在温度T0时APD灵敏度最优并且初始Vdrop等于其目标值。

通常地，在APD工作温度范围内选取若干个温度点(通常至少包括最低温度Tmin，最高工作温度Tmax以及一个典型中间温度T0),按照上述程序分别进行校准，得到各个温度点对应的V0set0和Vset0,然后采用分段线性插值或多项式拟合方法，就可确立V0set0和Vset0与任意温度T的关系曲线。据此曲线可以设置初始值温度补偿电路的参数，或者存入微处理器内存中供温度补偿算法使用。

如图1b所示，带有温度补偿功能的Vdrop控制原理是在前述不带温度补偿功能Vdrop控制原理的基础上，增加了温度采集功能，以及根据预置的V0set(T)及Vset0(T)函数关系确立当前温度下的V0set0及Vset0。整理如下：

1)采集当前APD工作温度T；

2)根据预置V0set0(T)和Vset0(T)函数获得当前V0set0和Vset0；

3)采集Vfb，依据公式13计算Vdrop；或者直接采集Vdrop；

4)将目标电压降Vdrop0减去当前Vdrop得到误差值；

5)积分器对该误差值进行积分产生控制信号ΔV；

6)控制信号ΔV以相应比例分别叠加到当前Vset0和V0set0上以产生Vset和V0set。

还应当说明的是，为了达到APD过载保护的目的，Vdrop对光电流Iapd及光电流强度信号Vfb的响应速度通常配置成微秒量级。而Vdrop控制回路的目标是降功耗，加上一般DC/DC升压电路本身的响应速度限制(一般是毫秒量级)，Vdrop控制回路对Vfb的响应速度τ1一般配置在百毫秒量级或更慢。当可调供电电源出现欠压状态时，在τ1时间内，APD偏置电压Vapd低于预期工作点，可能使其信噪比降低，降低高速信号传输性能。通常情况下，出现欠压状况发生在测试条件下或光纤链路受到异常冲击时，链路出现短暂劣化后恢复，也能 够满足实际应用需求。当如果要求在τ1时间内保持高链路性能，则需要使Vapd有更快速的动态响应。

为了提升τ1时间段内高速传输性能，本发明还提供具有高速动态响应的实施方式。参见图1，这是由辅助电源16和电源切换单元17来完成。辅助电源供电电路配置成：a)在可调供电电源处于欠压状态时，辅助电源可以独立或协助可调供电电源对APD提供正常工作所需的偏压；b)在可调供电电源脱离欠压状态时，辅助电源对APD的供电电路被断开，但辅助电源输出电压保持，处于待机状态，因无负载电流，保持低功耗。

在一实施例中，辅助电源16的输出电压V2可以根据可调供电电源输出电压以及设定电压在当前温度下的初始值来设置，并且当温度变化时跟随变化，即：

V2(T)＝V0set0(T)*A–B*(Vset0(T)-Vref)-C(22a)

或V2(T)＝V0set_opt(T)–C(22b)

其中A为可调供电电源增益,B为Vset至Vdrop的增益,C为常数，Vref为参考电压，T位APD工作温度,V0set_opt为依照前述校准步骤当Vset0＝Vref时最优灵敏度点对应的V0电压设定值。V2配置成只随温度T变化，而不受Vfb和Vset影响。下面来说明其工作原理。

为配合辅助电源及切换开关正常工作，可以将光电流反馈型APD偏压控制器12的输出级配置成射随三极管(集电极连接V0，发射极连接负载，基极连接控制电压)，这样可以将光电流反馈型APD偏压控制器12的输出端和电源切换单元17的输出端直接连接在一起，形成复合供电电路对APD提供偏置电压。根据Vdrop值大小，复合供电电路有如下工作状态：

状态1：Vdrop>＝Vdrop0_min。这时LowV0无效，辅助电源处于关闭状态。射随三极管导通，APD偏压完全有偏压控制器12决定，即

Vapd1＝(V0-V2-Vin)–Vdrop(23)

状态2：Vdrop<Vdrop0_min。这时LowV0有效，N沟道MOS管 Q和P沟道MOS管Q2导通，辅助电源接通，辅助电源通过串联电阻R3给APD提供偏置电压和工作电流。定义由辅助电源V2和R3构成的负载线函数如下：

Vapd2＝(V2-Vs-Vin)–Iapd*R3(24)

则根据光电流Iapd的大小，状态2又可进一步分为两种情况：

状态2.1：Vapd2<Vapd1。这时射随三极管导通，APD偏压Vapd＝Vapd1，但是APD工作电流由两个电源同时提供。

状态2.2：Vapd2>＝Vapd1。这时射随三极管截止，APD偏压Vapd＝Vapd2，工作电流完全由辅助电源提供。

当状态1和状态2之间发生切换时，如果Vapd1和Vapd2不相同，则APD偏置电压可能会出现一个暂态变化。为了避免出现瞬时跳变干扰高频传输性能，一方面，可以配置如图1所示电容C1，连接到复合供电电源输出端和信号地之间，并合理配置C1，R3,Rs的值，可以将切换时间配置在要求值，如100us量级；另一方面，可以合理配置辅助电源的输出电压，使得在状态1和状态2发生切换时(即Vdrop＝Vdrop0_min时)，Vapd1等于Vapd2。依据公式17，19，23和24，有V2–Iapd*R3＝V0–Vdrop＝V0set0*A–B*(Vset0-Vref)–func(Vfb),或

V2＝V0set0*A–B*(Vset0-Vref)–(func(Vfb)-Iapd*R3)(25)

依据公式25，如果合理配置R3使得func(Vfb)-Iapd*R3在光电流工作范围内基本不变或为常数C，则公式25具有公式22a的形式，可依据可调供电电源输出电压初始值V0set0和设定电压初始值Vset0来配置辅助电源输出电压，使得辅助电源切换时APD电压保持平稳。

下面以一个具体的例子来说明电源切换过程。

实施例3：

假设APD特性参数、电路参数及Vdrop函数设置同实施例2。配置R3＝16k ohm，根据前述校准步骤以及公式22，25可以得到：V0set_opt＝1.25V,C＝0.5V,V2＝40-0.5＝39.5V。进一步假设Vdrop控制回路的稳定时间在500ms左右，当前输入光功率Pin＝1.95mW,Iapd 稳定在2mA，Vdrop控制回路达到稳定，Vdrop＝0.82V,V0＝8.32V。以下表格描述了当光功率在10us内降低到灵敏度点Pin＝3.8uW时电路工作状态的一个变化过程。

表1：

根据上述本发明提供的APD偏压控制方法，可以方便地用硬件电路或软件算法或软硬件结合来设计APD偏压控制器和偏压调节装置。

图2示出了一种低功耗APD偏压控制器的结构框图。

所述低功耗APD偏压控制器21，包括偏置电压产生单元22，其用于根据来自外部的光电流强度反馈信号Vfb产生偏置电压信号 Vbias用于决定输出电压降，即可调供电电源电压V0与输出电压Vout之间的电压降Vdrop(Vdrop＝V0–Vout)，进而决定APD偏置电压Vapd。此外，还在单元内部产生第二电压信号(图3a中的V_2nd)，与电压降Vdrop信号相对应，并将所述第二电压信号与一个或多个参考电压(如图3a中的Vref，Vref2)相比较，用以判断电压降是否处于目标区间Vdrop_min～Vdrop_max，进而产生指示当前可调供电电源的电压V0是否过低或过高的欠压或过压指示(即图3a>

其中，所述偏置电压产生单元22中有三个输入信号，分别是光电流强度反馈V_fb、设定信号V_set以及可调供电电源V0，有三个输出信号，分别是偏置电压信号V_bias、欠压状态指示LowV0，过压状态指示HighV0。同时根据输入的信息V_fb及V_set来判断是欠压还是过压状态，并相应地输出欠压状态指示LowV0及过压状态指示HighV0；并且V0作为偏置电压产生单元22的输入来产生偏置电压信号V_bias，此信号输入到电压跟随单元，电压跟随单元23根据此信号决定负载电压V_out的大小。可调供电电源V0也同时作为电压跟随单元23的输入来为电压跟随单元提供工作电源。另外，偏压设定V_set在本发明中是优选的，所述偏压设定信号用于独立于光电流强度反馈信号设置偏置电压Vbias和电压降Vdrop信号的大小。偏压设定信号的作用一方面是用于精确设置每个APD的偏置电压以达到最佳的灵敏度，另一方面偏压设定信号还可以用于对APD供电电压和电压降Vdrop进行调节以实现低功耗。在不需要低功耗调节功能和电压降精确设定的应用中，可以不需要偏压设定信号。

所述低功耗APD偏压控制器21还包括电压跟随单元23，其用于实现负载电压随输入电压而变化的功能。其包括用于与可调供电电源V0相连的第一端口，用于向APD负载电路提供输出电压V_out的第二端口，以及第三偏置电压V_bias输入端口。电压跟随单元23的作用是实现输出电压Vout随输入电压而变化，即Vout＝Vbias-Verr,其中Verr是固定跟踪误差，比如用PNP三极管作输出级时为基极b与发射极e电压降Vbe,一般在0.5V.

图3a示出了带偏压设定信号的偏置电压产生单元实现框图，下面详细说明偏置电压及欠压过压指示信号的产生，图示中有两个输入信号分别是偏压设定值V_set，光电流强度反馈信号V_fb。

其中，图中所示第二电压信号V_2nd的电压为：

V2nd＝Vfb+Vset

由此得到：

V_bias＝V0-(V_2nd-V_ref)×K＝V0-(V_fb+V_set-V_ref)×K

Vout＝V0–(K*Vfb+K*(Vset-Vref)+Verr)

Vdrop＝V0–Vout＝K*Vfb+Verr+K*(Vset-Vref)

＝K*(V2nd–Vref)+Verr

与公式8和13比较，函数Vdrop具有相同的形式。

欠压状态指示LowV0是通过比较器1将第二电压信号V_2nd与参考电压V_ref比较而得。设置一个低阈值的参考电压V_ref，如果第二电压信号V_2nd的值低于V_ref就输出欠压状态指示信号LowV0。此时Vdrop超过其目标下限Vdrop_min＝Verr。

过压状态指示HighV0是通过比较器2将第二电压信号V_2nd电压与参考电压V_ref2比较而得。设置一个高阈值的参考电压V_ref2，V_ref2>V_ref，如果第二电压信号V_2nd的值高于V_ref就输出高压状态指示信号HighV0。此时Vdrop超过其目标上限Vdrop_max＝K*(Vref2-Vref)+Verr。

可选地，偏置电压的设置可以只通过光电流强度反馈V_fb，而不需要专门再有偏压设定信号V_set的输入，如图3b所示。

图3b示出不带偏压设置的偏置电压产生单元实现框图。与图3a类似的，只是将原Vset信号固定在Vref。图示中只有一个输入信号，即光电流强度反馈V_fb。

很容易得到：

V2nd＝Vfb+Vref,

Vbias＝V0–K*Vfb,

Vout＝V0–K*Vfb–Verr,

Vdrop＝K*Vfb+Verr＝K*(V2nd–Vref)+Verr,

过压状态指示HighV0是通过比较器2将V_2nd电压与参考电压V_ref2比较而得。设置一个高阈值的参考电压V_ref2，V_ref2>V_ref，如果V_2nd的值高于V_ref就输出高压状态指示信号HighV0。此时Vdrop超过其目标上限Vdrop_max＝K*(Vref2-Vref)+Verr.

图3c示出了本发明光电流APD反馈偏压控制器的一个实施例。下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。图示中的输入信号有偏压设定信号V_set(0～+2.5V)，光电流强度反馈V_fb(0～+1.25V)，基准电压输入3.3V及供电电源V0。根据图中电路可得：

电阻R100和稳压管D组成1.27V稳压电路，再经R101和R102分压器产生1.25V参考电压，即有

低阈值参考电压V_ref＝1.25V

高阈值参考电压V_ref2＝1.27V

运算放大器Opamp1及电阻R12，R13，R14，R15组成加法器，使得：

V2nd＝Vfb+Vset；

运算放大器Opamp3和PNP三极管Q1组成V/I转换器，电阻R0、R1电流近似相等，使得：

当V2nd>＝1.25V时，Vbias＝V0-(V2nd–Vref)*R1/R0，按所示阻值，K＝R1/R0＝16K/0.5K＝32；

当V2nd<1.25V时，Q1截止，Vbias＝V0

电压跟随单元由PNP三极管Q0实现，其输出电压为：

Vout＝Vbias–Vbe,其中Vbe为Q0基极与发射极压差，可认为是常数，假定为0.5V，Vout将跟随Vbias变化。

进一步可以得到：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vdrop}=V0-\mathrm{Vout}\\ =\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Vfb}*32+0.5+(\mathrm{Vset}-1.2)*32,& (V2\mathrm{nd}>=1.25V)\\ 0.5,& (V2\mathrm{nd}<1.25V)\end{array}\right)\end{array}\right),$

比较器1将V2nd信号与参考电压Vref比较，用于产生LowV0。当V2nd<1.25V时，LowV0有效，此时对应于Vdrop目标的下限，即 Vdrop_min＝Vbe＝0.5V；

比较器2将V2nd信号与参考电压Vref2比较，用于产生HighV0。当V2nd>1.27V时，HighV0有效，此时对应于Vdrop的目标上限，即Vdrop_max＝(1.27-1.25)*32+Vbe＝1.14V。

与前述实施例2比较，func(x)函数，Vdrop函数及其目标区间是一样的，即：func(x)＝32*Vfb+0.5，而Vdrop如上所述。

下面说明依据前述APD偏压控制方法的偏压调节装置的实施例。

图4a示出了一种带温度补偿功能的低功耗APD偏压调节单元装置的数字电路图。其中包括

1)内置温度传感器和对应的模/数转换器(ADC)，用于采集当前APD工作温度T。

2)内置存储器,包含温度补偿表LUT和变量表。温度补偿表用于存储不同温度T下对应的初始电源电压设定值V0set0(T)和初始偏压设定信号值Vset0(T)。变量表用于存储工作变量，如当前APD工作温度T，当前偏压设定信号偏差ΔV，积分步长Step，增益比例G(即公式16中的B/A)。

3)数字量I/O接口，用于采集过压指示信号HighV0和欠压指示信号LowV0。

4)数模转换器(DAC)，用于输出当前电源电压设定信号V0set_out和偏压设定信号Vset。

5)信号处理逻辑，用于实现带温度补偿功能的低功耗偏压调节算法。

图4b示出了一种带温度补偿功能的低功耗偏压调节算法的流程图。开始时，设置ΔV＝0，并根据Vdrop目标范围设置step＝(Vdrop_max-Vdrop_min)/(2*B)，B为Vset至Vdrop的增益。然后进入如下循环：

第1步，采集当前温度，并将结果存入温度变量。

第2步，根据温度变量的值和温度补偿表计算该温度下的电源电压设定初始值V0set0和偏压设定信号初始值Vset0。

第3步，采集欠压指示信号LowV0，判断LowV0是否有效，如 果有效，即输出为逻辑高电平，则更新ΔV＝ΔV+setp，进入第5步。否则进入第4步。

第4步，采集过压指示信号HighV0，判断此信号是否有效，如果有效，即HighV0为逻辑高，则更新ΔV＝ΔV–step，进入第5步。否则进入第6步。

第5步，同步更新DAC0和DAC，DAC0＝V0set_out0+G*ΔV，DAC＝V0set_0+ΔV。

第6步，延时。然后进入第1步。

根据本发明的多个低功耗APD偏压控制器适合于集成为一体，例如集成在同一集成电路(IC)中，用于为多个APD提供偏压控制，为多个APD提供过载保护、独立精确偏压设置、接收光功率全范围内低功耗、快速响应、温度补偿等功能。

如图1所述的APD偏压控制器12与偏压调节单元13、可调供电电源15、电源切换单元17、辅助电源16、光电流检测单元18、可以是相互独立的，也可以集成为一体构成一个完整的APD偏压控制器。所述APD偏压控制器与APD及跨阻放大器TIA封装在一起，可以构成一个完整的APD光电接收器，其工作原理如前所述，在此不再赘述。

本领域技术人员应该理解，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。