雪崩光電二極體偏置電壓產生電路、方法及光模塊的製作方法

2023-04-27 16:46:46 5

雪崩光電二極體偏置電壓產生電路、方法及光模塊的製作方法
【專利摘要】本發明揭示了一種雪崩光電二極體偏置電壓產生電路、方法及光模塊，雪崩光電二極體偏置電壓產生電路為多個雪崩光電二極體提供偏置電壓，其包括：升壓模塊，用於提供一預定偏置電壓，預定偏置電壓的值大於多個雪崩光電二極體中每一個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓的值；與升壓模塊連接的多個電壓微調模塊，多個電壓微調模塊將預定偏置電壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。通過這種一路升壓，多路電壓微調的方式，可以減少升壓模塊的設置數量，減少佔用PCB板的面積，降低成本。
【專利說明】雪崩光電二極體偏置電壓產生電路、方法及光模塊

【技術領域】
[0001] 本發明屬於光通信【技術領域】，具體涉及一種雪崩光電二極體偏置電壓產生電路、 方法以及應用其的光模塊。

【背景技術】
[0002] 光模塊技術已經非常成熟，但目前的挑戰主要在大容量、低成本、高密度幾個方 面。低成本、低功耗通信設備的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高，要求光電 器件向低成本、低功耗的方向發展。小型化光收發模塊作為光纖接入網的核心器件推動了 幹線光傳輸系統向低成本方向發展，使得光網絡的配置更加完備合理。目前的光通信市場 競爭越來越激烈，通信設備要求的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高。傳統的 雷射器和探測器分離的光模塊已經很難適應現代通信設備的要求。為了適應通信設備對光 器件的要求，光模塊正向高度集成的小封裝發展。可以說小封裝光收發模塊技術代表了新 一代光通信器件的發展趨勢，是下一代高速網絡的基石。
[0003] -般而言，光模塊的接收端是將通過光電二極體實現光電轉換，將光信號轉換為 電流信號。而雪崩光電二極體（avalanche photodiode，APD)由於其優異的靈敏度性能，應 用非常廣泛。而由於40GU00G這種包含了多路收發路徑光模塊的出現，需要同時對多路 (例如4路）AH)提供不同的偏置電壓。而傳統的單路AH)偏置電路無論從成本還是面積上 已經不適合40GU00G光模塊的應用需求。


【發明內容】

[0004] 本申請一實施例提供一種雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，用於為多個雪崩光 電二極體提供偏置電壓，其成本較低且佔用PCB板面積更小，該雪崩光電二極體偏置電壓 產生電路包括： 升壓模塊，用於提供一預定偏置電壓，所述預定偏置電壓的值大於所述多個雪崩光電 二極體中每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓的值； 與所述升壓模塊連接的多個電壓微調模塊，所述多個電壓微調模塊將所述預定偏置電 壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。
[0005] -實施例中，還包括微處理器，所述微處理器對所述多個電壓微調模塊分別發送 電壓微調信號，所述多個電壓微調模塊根據所述電壓微調信號對所述預定偏置電壓分別進 行調節。
[0006] -實施例中，所述電壓微調模塊包括電流調控單元以及與所述電流調控單元連接 的第一電阻，所述電流調控單元通過調整流經所述第一電阻的電流來調整輸出至每個雪崩 光電二極體的電壓。
[0007] -實施例中，所述電流調控單元包括運算放大器、三極體以及第二電阻，所述第一 電阻與所述三極體的集電極相連，所述三極體的發射極連接至所述第二電阻，所述運算放 大器的同相輸入端與所述微處理器相連、反向輸入端連接至所述三極體的發射極和第二電 阻之間、輸出端連接至所述三極體的基極。
[0008] -實施例中，所述電流調控單元包括運算放大器、場效應管以及第二電阻，所述第 一電阻與所述場效應管的漏極相連，所述場效應管的源極連接至所述第二電阻，所述運算 放大器的同相輸入端與所述微處理器相連、反向輸入端連接至所述場效應管的源極和第二 電阻之間、輸出端連接至所述場效應管的柵極。
[0009] -實施例中，所述多個電壓微調模塊的運算放大器中的至少部分集成於同一晶片 上。
[0010] 一實施例中，所述多個電壓微調模塊的運算放大器中每4個被集成於同一晶片 上，集成有所述運算放大器的晶片型號為0PA4330AIRGYT。
[0011] 一實施例中，所述多個電壓微調模塊的三極體兩兩集成於同一晶片上，集成有所 述三極體的晶片型號為BC846BDW1T1G。
[0012] 本申請的又一實施例提供一種光模塊，包括多個光接收單元、光發射單元以及控 制所述光接收單元和光發射單元對光信號進行收發的微處理器，所述多個光接收單元分別 包括有雪崩光電二極體，所述光模塊還包括： 升壓模塊，用於提供一預定偏置電壓，所述預定偏置電壓的值大於所述多個光接收單 元中每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓的值； 與所述升壓模塊連接的多個電壓微調模塊，所述多個電壓微調模塊將所述預定偏置電 壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體；其 中， 所述微處理器還用於對所述多個電壓微調模塊分別發送電壓微調信號，所述多個電壓 微調模塊根據所述電壓微調信號對所述預定偏置電壓分別進行調節。
[0013] 本申請的又一實施例提供一種雪崩光電二極體偏置電壓產生方法，用於為多個雪 崩光電二極體提供偏置電壓，該方法包括以下步驟： 升壓模塊輸出大於每個雪崩光電二極體正常工作所需電壓值的預定偏置電壓； 多個電壓微調模塊將所述預定偏置電壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的 電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。
[0014] 與現有技術相比，本申請的技術方案通過採用統一升壓模塊提供預定偏置電壓， 相應提供多個電壓微調模塊對該預定偏置電壓進行微調，並提供給各路雪崩光電二極體， 由此，避免了設置過多的升壓模塊，減少了佔用PCB的面積且降低了生產成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本申請一實施例中雪崩光電二極體偏置電壓產生電路的模塊示意圖； 圖2是本申請一實施例中雪崩光電二極體偏置電壓產生電路的升壓模塊的電路結構 圖； 圖3是本申請一實施例中雪崩光電二極體偏置電壓產生電路的電壓微調模塊的電路 結構圖； 圖4是本申請一實施例中雪崩光電二極體偏置電壓產生方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0016] 以下將結合附圖所示的【具體實施方式】對本發明進行詳細描述。但這些實施方式並 不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的 變換均包含在本發明的保護範圍內。
[0017] 應當理解的是儘管術語第一、第二等在本文中可以被用於描述各種元件或結構， 但是這些被描述對象不應受到這些術語的限制。這些術語僅用於將這些描述對象彼此區分 開。例如，第一電阻可以被稱為第二電阻，並且類似地第二電阻也可以被稱為第一電阻，這 並不背離本發明的保護範圍。
[0018] 參圖1，介紹本申請雪崩光電二極體偏置電壓產生電路的一實施例，其用於為多個 的雪崩光電二極體提供偏置電壓，在本實施例中，該雪崩光電二極體偏置電壓產生電路包 括升壓模塊11、微處理器12、以及電壓微調模塊131、132、133、"·、13Ν。
[0019] 需要說明的是，在以下的一些實施例及附圖中，僅僅以4路雪崩光電二極體為例， 示範性地闡述本申請的技藝精神，但在實際的應用中，本申請提供的雪崩光電二極體偏置 電壓產生電路可以根據實際需求對更多數量的雪崩光電二極體提供偏置電壓。
[0020] 配合參照圖2,升壓模塊11用於為多個雪崩光電二極體141、142、143、…、14Ν提供 預定偏置電壓VAPD。升壓模塊11採用能夠實現DC/DC轉換功能的專用升壓晶片及外圍電 路，如LT3494EDDB。升壓模塊11將例如3. 3V的供電電壓升壓至大於雪崩光電二極體141、 142、143、…、14Ν正常工作所需的電壓的值，並提供給電壓微調模塊131、132、133、"·、13Ν 進一步進行微調。
[0021] 配合參照圖3,微處理器12用於為多路雪崩光電二極體141、142、143、…、14Ν分 別提供電壓微調信號。根據每路雪崩光電二極體141、142、143、…、14Ν的實際所需偏置電 壓的不同，需要對各路雪崩光電二極體141、142、143、…、14Ν提供不同的電壓微調信號進 行微調。具體地，微處理器12的數字模擬轉換輸出管腳輸出針對多路雪崩光電二極體141、 142、143、…、14Ν的多個模擬控制信號DAC，並分別傳輸至與其連接的多個電壓微調模塊 131、132、133、"·、13Ν中，進行進一步的控制微調。
[0022] 當然，在一些替換的實施方式中，雪崩光電二極體偏置電壓產生電路中也可以不 利用微處理器的電壓微調信號進行調控，而例如僅僅通過反饋電路或分壓電阻的方式將預 定偏置電壓分別進行調節，並進而提供給各雪崩光電二極體，此種實施方式也應當視為不 超脫本申請的技藝精神範圍。
[0023] 在上述的實施例中，由於多路的雪崩光電二極體141、142、143、…、14Ν實際上共 用了同一個升壓模塊11進行升壓，故相對於為多路雪崩光電二極體141、142、143、"·、14Ν 分別設置對應的升壓模塊可以大大地減少佔用PCB板的面積，且有效地控制了成本。
[0024] 電壓微調模塊131、132、133、…、13Ν包括電流調控單元以及與電流調控單元連接 的第一電阻R28、R23、R30、R29,電流調控單元通過調整流經第一電阻R28、R23、R30、R29的 電流來調整輸出至每個雪崩光電二極體的電壓。其中，第一電阻R28、R23、R30、R29與升壓 模塊11相連。電流調控單元包括由運算放大器、電晶體、以及第二電阻R24、R25、R26、R27 組成的閉環負反饋迴路。
[0025] 在一實施例中，電晶體為三極體BJT1、BJT2、BJT3、BJT4,第一電阻R28、R23、R30、 R29與三極體BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的集電極相連，三極體BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的發射 極連接至第二電阻R24、R25、R26、R27,運算放大器的同相輸入端ΙΝΑ+、ΙΝΒ+、INC+、IND+與 微處理器12相連、反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-連接於第二電阻R24、R25、R26、R27 與三極體BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的發射極之間、輸出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD連接至三極 管BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的基極。該雪崩光電二極體偏置電壓產生電路100還包括微調 電壓輸出端，該微調電壓輸出端連接至第一電阻R28、R23、R30、R29和三極體BJT1、BJT2、 BJT3、BJT4的集電極之間。
[0026] 具體工作原理如下： 開始時，運算放大器的反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-是GND，微處理器12發出的電 壓微調信號分別對應接入運算放大器的同相輸入端INA+、INB+、INC+、IND+，使得運算放大 器的同相輸入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-產生壓差，該 壓差經運算放大器放大後在輸出端OUTA、OUTB、OUTC、0UTD輸出高電平，進而三極體BJT1、 BJT2、BJT3、BJT4 導通。
[0027] 三極體耵11、8112、8113、8114導通後在第二電阻1?24、1?25、1?26、1?27分別形成電 壓反饋到運算放大器的反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-，從而使得運算放大器的同相輸 入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-之間的壓差減小，進而運 算放大器的輸出端OUTA、OUTB、OUTC、0UTD的電壓也變小；如此循環，使得運算放大器的同 相輸入端INA+、INB+、INC+、IND+和反相輸入端INA-、INB-、INC-、IND-之間的壓差幾乎為 零，穩定整個上述的閉環負反饋迴路。
[0028] 穩定後，閉環負反饋迴路得到的電流大小等於運算放大器的同相輸入端INA+、 INB+、INC+、IND+與第二電阻R24、R25、R26、R27的比值，因此，通過電壓微調信號的調控可 以改變電流調控單元的電流，從而改變第一電阻R28、R23、R30、R29端的壓降。
[0029] 本實施例中，該雪崩光電二極體偏置電壓產生電路100還包括微調電壓輸出端， 該微調電壓輸出端連接至第一電阻R28、R23、R30、R29和三極體BJT1、BJT2、BJT3、BJT4的 集電極之間，通過該微調電壓輸出端輸出電壓供給給各個雪崩光電二極體。電壓微調信號 越大，閉環負反饋迴路中的電流越大，第一電阻R28、R23、R30、R29上分到的壓降也就越大， 從而微調電壓輸出端分到的壓降越小，反之亦然。其中，微調電壓輸出端的電壓計算公式 為： vapdi=vapd-vE28 ； VAPD2=VAPD-VE23 ； VAPD3=VAPD-VE3〇 ； VAPD4=VAPD-VE29〇
[0030] 多個電壓微調模塊的運算放大器中的至少部分集成於同一晶片上，一實施例 中，例如將每4個運算放大器集成於同一晶片上，該集成有多個比較器的晶片型號為 0PA4330AIRGYT。三極體兩兩被集成於同一晶片上，示範性地，例如BC846BDW1T1G。
[0031] 在又一實施例中，上述的電晶體還可以採用場效應管，示範性地，例如將第一電阻 與場效應管的漏極相連，場效應管的源極連接至第二電阻，運算放大器的同相輸入端與微 處理器相連、反向輸入端連接至場效應管的源極和第二電阻之間、輸出端連接至場效應管 的柵極。本實施例的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路的具體的工作原理與採用三極體時 基本類似，故在此不再贅述。
[0032] 在本申請的光模塊（圖未示）的一實施例中，光模塊包括多個光接收單元、光發射 單元以及控制光接收單元和光發射單元對光信號進行收發的微處理器。
[0033] 每個光接收單元中分別包括有雪崩光電二極體141、142、143、…、14N，為了給每個 雪崩光電二極體141、142、143、…、14N分別提供合適的偏置電壓，光模塊中還包括上述的 雪崩光電二極體偏置電壓產生電路。具體地，升壓模塊11用於提供一預定偏置電壓，該預 定偏置電壓大於多個光接收單元中每個雪崩光電二極體141、142、143、…、14N正常工作所 需的電壓的值，與升壓模塊11連接有多個電壓微調模塊131、132、133、一、13仏將預定偏置 電壓調節至每個雪崩光電二極體141、142、143、…、14N正常工作所需的電壓並輸出至相應 的雪崩光電二極體。在此過程中，光模塊的微處理器還用於對多個電壓微調模塊分別發送 電壓微調信號，上述的多個電壓微調模塊根據該電壓微調信號對預定偏置電壓分別進行調 節。
[0034] 也就是說，在先前雪崩光電二極體偏置電壓產生電路100的實施例中所提到的微 處理器12與光模塊中本身所包含的微處理器是共用的，如此，在應用於光模塊時，無需額 外地設置微處理器，有利於光模塊整體的小型化設計。
[0035] 參圖4,介紹本申請雪崩光電二極體偏置電壓產生方法的一實施例。在本實施例 中，該方法包括以下步驟： S1、升壓模塊輸出大於每個雪崩光電二極體正常工作所需電壓值的預定偏置電壓。
[0036] 此步驟中，升壓模塊將例如3. 3V的供電電壓升壓至稍高於雪崩光電二極體工作 時所需電壓，以便進行後續的微調。
[0037] S2、微處理器對與多路雪崩光電二極體對應的多個電壓微調模塊提供電壓微調信 號。
[0038] 每個雪崩光電二極體所對應的最佳工作電壓不一，故需要針對每個雪崩光電二極 管分別提供不同的電壓微調信號，以進行精確控制。
[0039] S3、多個電壓微調模塊將預定偏置電壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需 的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。
[0040] 本實施例中，由於上述的升壓模塊已預先將供電電壓升壓至稍高於雪崩光電二極 管工作時所需要的電壓（即預定偏置電壓)，故此時外接雪崩光電二極體的微調電壓輸出端 將該預定偏置電壓進行分壓輸出，完成電壓微調。
[0041] 本申請通過上述實施例，具有以下有益效果：採用同一升壓模塊提供預定偏置電 壓，微處理器根據各路雪崩光電二極體的具體工作需求分別提供電壓微調信號，與各路雪 崩光電二極體連接的多個電壓微調模塊進而分別對預定偏置電壓進行微調，並提供給各路 雪崩光電二極體，由此，避免了設置過多的升壓模塊，減少了佔用PCB的面積且降低了生產 成本。
[0042] 應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一 個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說 明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可 以理解的其他實施方式。
[0043] 上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說 明，它們並非用以限制本發明的保護範圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式 或變更均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，所述雪崩光電二極體偏置電壓產生電路為 多個雪崩光電二極體提供偏置電壓，其特徵在於，包括： 升壓模塊，用於提供一預定偏置電壓，所述預定偏置電壓的值大於所述多個雪崩光電 二極體中每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓的值； 與所述升壓模塊連接的多個電壓微調模塊，所述多個電壓微調模塊將所述預定偏置電 壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。
2. 根據權利要求1所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，還包括微 處理器，所述微處理器對所述多個電壓微調模塊分別發送電壓微調信號，所述多個電壓微 調模塊根據所述電壓微調信號對所述預定偏置電壓分別進行調節。
3. 根據權利要求2所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述電壓 微調模塊包括電流調控單元以及與所述電流調控單元連接的第一電阻，所述電流調控單元 通過調整流經所述第一電阻的電流來調整輸出至每個雪崩光電二極體的電壓。
4. 根據權利要求3所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述電流 調控單元包括運算放大器、三極體以及第二電阻，所述第一電阻與所述三極體的集電極相 連，所述三極體的發射極連接至所述第二電阻，所述運算放大器的同相輸入端與所述微處 理器相連、反向輸入端連接至所述三極體的發射極和第二電阻之間、輸出端連接至所述三 極管的基極。
5. 根據權利要求3所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述電流 調控單元包括運算放大器、場效應管以及第二電阻，所述第一電阻與所述場效應管的漏極 相連，所述場效應管的源極連接至所述第二電阻，所述運算放大器的同相輸入端與所述微 處理器相連、反向輸入端連接至所述場效應管的源極和第二電阻之間、輸出端連接至所述 場效應管的柵極。
6. 根據權利要求4或5所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述多 個電壓微調模塊的運算放大器中的至少部分集成於同一晶片上。
7. 根據權利要求6所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述多個 電壓微調模塊的運算放大器中每4個被集成於同一晶片上，集成有所述運算放大器的晶片 型號為 0PA4330AIRGYT。
8. 根據權利要求4所述的雪崩光電二極體偏置電壓產生電路，其特徵在於，所述 多個電壓微調模塊的三極體兩兩集成於同一晶片上，集成有所述三極體的晶片型號為 BC846BDW1T1G。
9. 一種光模塊，包括多個光接收單元、光發射單元以及控制所述光接收單元和光發射 單元對光信號進行收發的微處理器，所述多個光接收單元分別包括有雪崩光電二極體，其 特徵在於，所述光模塊還包括 ： 升壓模塊，用於提供一預定偏置電壓，所述預定偏置電壓的值大於所述多個光接收單 元中每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓的值； 與所述升壓模塊連接的多個電壓微調模塊，所述多個電壓微調模塊將所述預定偏置電 壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體；其 中， 所述微處理器還用於對所述多個電壓微調模塊分別發送電壓微調信號，所述多個電壓 微調模塊根據所述電壓微調信號對所述預定偏置電壓分別進行調節。
10. -種雪崩光電二極體偏置電壓產生方法，用於為多個雪崩光電二極體提供偏置電 壓，其特徵在於，該方法包括以下步驟： 升壓模塊輸出大於每個雪崩光電二極體正常工作所需電壓值的預定偏置電壓； 多個電壓微調模塊將所述預定偏置電壓調節至每個雪崩光電二極體正常工作所需的 電壓並輸出至相應的雪崩光電二極體。
【文檔編號】G02B6/42GK104156022SQ201410358127
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】湯小虎, 周新軍, 高海兵, 王祥忠 申請人:蘇州旭創科技有限公司