基于單片機(jī)的APD參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪家平 ，高美珍，殷志文

(1.湖北師范學(xué)院學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002 2.湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

基于單片機(jī)的APD參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪家平1，高美珍2，殷志文1

(1.湖北師范學(xué)院學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002 2.湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

雪崩光電二極管(APD)是一種高靈敏度、高速度的光電器件，是光纖接入的必備核心器件。其性能測(cè)試在業(yè)界一直存在成品率低、生產(chǎn)效率不高、精度低、不能大規(guī)模用于生產(chǎn)測(cè)試等問(wèn)題。本測(cè)試系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，具有價(jià)格低廉，效率高等特點(diǎn)，與國(guó)外普遍使用的數(shù)字源表來(lái)測(cè)量APD參數(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

APD測(cè)試;單片機(jī);升壓電路;微小電流檢測(cè)

1 APD 測(cè)試系統(tǒng)概述

雪崩光電二極管(APD)是一種在一定條件下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，作為一種高靈敏度、高速度的光電器件，是當(dāng)前光纖接入三網(wǎng)融合網(wǎng)的必備核心器件，在當(dāng)今光電傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于同批次不同APD 管雪崩電壓的不同，其性能測(cè)試在業(yè)界一直存在生產(chǎn)效率不高和精度低等諸多問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)外主要使用數(shù)字源表來(lái)測(cè)量APD參數(shù)，但是，數(shù)字源表價(jià)格昂貴并且測(cè)試參數(shù)也不夠完善。而國(guó)內(nèi)的一些測(cè)試系統(tǒng)雖然價(jià)格相對(duì)較低但卻面臨著測(cè)試精度低，速度慢等問(wèn)題，也不能大規(guī)模用于生產(chǎn)測(cè)試。在APD參數(shù)測(cè)量中，相比于數(shù)字源表的應(yīng)用而言，本測(cè)試系統(tǒng)具有價(jià)格低廉，效率高等特點(diǎn)，本文將分析雪崩光電二極管(APD)的工作原理、工作特性及如何利用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)有效進(jìn)行APD參數(shù)測(cè)試。

2 APD 測(cè)試系統(tǒng)原理

在半導(dǎo)體光電探測(cè)器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進(jìn)入外電路后，形成可測(cè)量的光電流。PIN-光電二極管即使在最大的響應(yīng)度下，一個(gè)光子最多也只能產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，是一種無(wú)內(nèi)部增益的器件。而APD 雪崩二極管是基于電離碰掩效應(yīng)工作的，在一定的條件下，被加速的電子空穴獲得足夠的能量，能夠與晶格碰撞產(chǎn)生一對(duì)新的電子空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程是一種連鎖反應(yīng)，由光吸收產(chǎn)生的一對(duì)電子空穴對(duì)引發(fā)產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)進(jìn)而形成較大的二次光電流。因此APD 具有較高的內(nèi)部增益和響應(yīng)度，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。 APD 測(cè)試系統(tǒng)主要用于測(cè)量雪崩二極管的最佳工作狀態(tài)，找到最佳的信噪比(S/N)，測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

圖1 APD 測(cè)試整體結(jié)構(gòu)框圖

APD 測(cè)試系統(tǒng)需要由內(nèi)部產(chǎn)生光脈沖信號(hào)，這個(gè)光入射到APD 雪崩二極管上，產(chǎn)生與光功率對(duì)應(yīng)的光電流，這就要求系統(tǒng)中具有監(jiān)控APD 光電流的電路，同時(shí)由于APD 在電壓范圍為10～60V的高偏壓下工作，要找到APD最佳工作電壓，就需要加在APD 二極管上的電壓可以調(diào)節(jié)，但是這樣范圍的電壓A/D 是采樣不到的，這就要用到DC-DC 的升壓電路，將小的電壓升到滿足要求的高壓上去。這樣的電壓可以用MCU 編程進(jìn)行控制，最后通過(guò)上位機(jī)界面或下位機(jī)的液晶顯示界面將被測(cè)參數(shù)顯示出來(lái)。

3 APD 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)分析

APD 雪崩二極管主要測(cè)量的參數(shù)有擊穿電壓Vbr、暗電流Id 和響應(yīng)度，每個(gè)參數(shù)及其含義見(jiàn)表1：

表1 APD 雪崩二極管主要測(cè)量的參數(shù)及其含義

4 APD 測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為檢測(cè)APD 的性能指標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)需要能夠輸出10～60V 可調(diào)節(jié)的電壓，能夠檢測(cè)低至 10 nA的微弱電流，針對(duì)這些條件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2 所示：

圖2 APD 測(cè)試系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2 所示為APD 測(cè)試系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理框圖，該電路包括APD監(jiān)控電路芯片ADL5317，它主要通過(guò)升壓電路給雪崩二極管APD提供可調(diào)節(jié)的電壓，同時(shí)通過(guò)鏡像電流源電路將APD 雪崩二極管上的電流鏡像輸出，因此測(cè)試系統(tǒng)中需要有升壓電路和電流檢測(cè)電路，這兩個(gè)電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，此外APD 雪崩二極管測(cè)試系統(tǒng)還可以檢測(cè)響應(yīng)度，系統(tǒng)還增加了激光器驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出特定功率的光，以及用于參數(shù)顯示的LCD顯示器。

圖3是根據(jù)系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)的各個(gè)硬件結(jié)構(gòu)功能模塊原理圖，MCU 選用的是microchip 公司的DSPIC33FJ128GP804 單片機(jī)，用按鍵給單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)命令。單片機(jī)的DACL用來(lái)給APD 管固定的光功率，DACR為APD 管提供可調(diào)偏置電壓，可以用來(lái)測(cè)試擊穿電壓、暗電流等參數(shù)。I-V 變換電路輸出的電壓由ADC 模塊進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果判斷APD 的擊穿電壓點(diǎn)和實(shí)時(shí)的輸出電流，最終通過(guò)液晶屏顯示測(cè)試值。為了使測(cè)試簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)中將待測(cè)試參數(shù)分成了七個(gè)模式，如下圖3的七個(gè)部分。此外，本系統(tǒng)還帶有RS232 接口與PC 機(jī)進(jìn)行通信，整個(gè)測(cè)試可以完全由PC電腦控制，并能夠自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果返回PC機(jī)保存，使用方便。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)功能模塊圖

4.2ADL5317監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)

APD 驅(qū)動(dòng)監(jiān)控電路采用ADL5317 芯片，連接電路如圖4 所示：

圖3中VAPD=30Vset，在ADL5317 的VPHV 端，供電電壓在一定范圍內(nèi)是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，通過(guò)調(diào)節(jié)Vset 的值控制加在APD 雪崩二極管上的電壓，此外該芯片通過(guò)5∶1 的鏡像電流源使得IPDM=IAPD/5.ADL5317 輸出的電壓的VAPD 端是根據(jù)VPHV 端電壓調(diào)整的。

圖4 ADL5317 在APD驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中連接電路圖

4.3升壓電路的設(shè)計(jì)

作為一種新型高靈敏度高速光電探測(cè)器件的雪崩光電二極管APD，是借助內(nèi)部強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng), 電流增益可達(dá)102 ～104 量級(jí), 因此具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、頻響寬、噪聲等效功率低等特點(diǎn)。APD 正常工作時(shí), 需要配置合適的高反向偏置電壓, 因?yàn)锳PD 只有工作于合適的反向偏置電壓狀態(tài)下, 才能獲得足夠高的APD 內(nèi)部增益。不同的APD需要的偏置電壓不同,有的只需幾十伏, 有的則需要上百伏，目前測(cè)試系統(tǒng)偏置電壓針對(duì)的是45～50V，現(xiàn)有的APD 偏置電壓電路通常是在升壓式DC/DC 變換電路的基礎(chǔ)上, 增加二極管倍壓電路才能獲得較高輸出電壓。

4.4擊穿電壓的軟件流程實(shí)現(xiàn)

測(cè)試擊穿電壓是通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)的DACR輸出電壓值來(lái)改變APD 管的電流，當(dāng)電流為10μA 時(shí)APD 上的電壓即為擊穿電壓，APD 的電流經(jīng)過(guò)I-V 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓，10μA 對(duì)應(yīng)一固定電壓值，利用單片機(jī)的ADC 連續(xù)采樣，當(dāng)采到這個(gè)固定電壓值時(shí)對(duì)應(yīng)的APD 兩端的電壓即為擊穿電壓。擊穿電壓軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

由于不同APD 的擊穿電壓不同，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性，加在APD 管兩端的反向偏置電壓范圍設(shè)置為0～60V.由于DAC 輸出電壓頻率受到ADL5317 的控制只有100Hz，如果采用常規(guī)的順序掃描方法測(cè)得擊穿電壓需要很長(zhǎng)時(shí)間，效率也太低。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，在軟件上采用變步長(zhǎng)掃描的方法：首先從0 開始以1V 的步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，當(dāng)ADC 采到的電壓大于設(shè)定采樣閾值時(shí)返回上一步以0.1的步長(zhǎng)掃描，此時(shí)ADC 采到的大于設(shè)定的閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的APD 兩端的電壓即為其擊穿電壓。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，APD 擊穿電壓的測(cè)試速度可以保證在1～2s 之內(nèi)，解決了測(cè)試速度慢的問(wèn)題。

4．5暗電流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

APD雪崩二極管的工作狀態(tài)是根據(jù)電流判斷的，通過(guò)檢測(cè)APD管上的電流可以得到擊穿電壓Vbr，然后根據(jù)Vbr得到暗電流，確定這兩項(xiàng)重要的參數(shù)，此外測(cè)量響應(yīng)度和倍增因子也要根據(jù)電流值計(jì)算，因此電流檢測(cè)電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。電流檢測(cè)采用的是I-V變換電路，APD測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)的電流范圍10nA～10μA，經(jīng)過(guò)ADL5317的鏡像分流(5∶1)后，IPDM端輸出的檢測(cè)電流范圍2nA～2μA，這樣小的電流需要低噪聲、低偏流和低失調(diào)電壓的運(yùn)放。本系統(tǒng)采用OPA376運(yùn)算放大器，可以滿足APD雪崩二極管測(cè)試系統(tǒng)電流檢測(cè)電路的需要。

4．6上位機(jī)與下位機(jī)通信接口的設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫，這里介紹的串行通信接口程序主要是在Visual FoxPro中實(shí)現(xiàn)與終端的通信程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信控件communications進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。每次通信時(shí)，首先在上位機(jī)的init事件中初始化通信控件olecontrol1,初始化設(shè)置為：

thisform.olecontrol1.CommPort=1 //選擇串口com1

thisform.olecontrol1.PortOpen=1 //打開串口com1

thisform.olecontrol1.InputMode=0 //按文本方式接收數(shù)據(jù)

thisform.olecontrol1.RTSEnable=1 //允許使用rts線，用于RS-232轉(zhuǎn)換器的發(fā)送控制和供電

thisform.olecontrol1.InputLen=1 //每次讀取接收緩沖區(qū)的一個(gè)字符

thisform.olecontrol1.OutbufferCount=0 //清除發(fā)送緩沖區(qū)

thisform.olecontrol1.InbufferCount=0 //清除接收緩沖區(qū)

……

5 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

如圖6 所示，是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的某一種APD 雪崩二極管的擊穿電壓和暗電流，與Keithley 源表的擊穿電壓測(cè)試結(jié)果差距在0.1V 之內(nèi)，暗電流的差距在5nA 之內(nèi)，滿足測(cè)試精度的要求。

圖5 擊穿電壓軟件實(shí)現(xiàn)流程圖 圖6 APD 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本測(cè)試系統(tǒng)采用上位PC機(jī)和下位單片機(jī)控制的方式工作，下位單片機(jī)具有數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理功能，上位PC機(jī)用可視化軟件編程，具有數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能。本系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、效率高、使用方便等特點(diǎn)，雖然是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)雪崩光電二極管(APD)的主要參數(shù)進(jìn)行的測(cè)試，但是只要加以改進(jìn)，也可以推廣應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品測(cè)試，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Keywords: The avalanche photodiode test; embedded; booster circuit; little current detection

ThedesignoftheAPDparameterstestsystembasedonSCM

HONG Jia-ping1, GAO Mei-zhen2,YIN Zhi-wen1

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University,huangshi 435002,China;2.College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

The avalanche photodiode (APD) with high sensitivity and high-speed is the essential core of the fiber access triple play network device, and it's performance testing has been a low yield, production efficiency and accuracy in the industry. So they cannot be used for large-scale production. The test system in this paper controlling by the MCU have many characteristics, such as low price and high efficiency, to compare with foreigners mainly use source table to measure the APD parameters, it also has obvious advantages .

2013—12—20

洪家平(1964— )，男，湖北仙桃人，教授，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制技術(shù).

TP273.5

A

1009-2714(2014)02- 0078- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.018