一种光模块APD保护电路的制作方法

本发明涉及光模块保护电路领域，特别涉及一种反应快速的光模块APD保护电路。
背景技术：
：光模块在实际应用中由于一些人为的误操作或特殊测试的要求会出现大光入射接收端的情况，最常见的案例是光源不经过任何衰减直接对接被测光模块，这种情况对接收端为PIN管芯的一般不会有影响，但是对于APD(雪崩光电二极管)管芯，在大光对接的瞬间由于倍增效益将产生较大的光生电流，在几十伏的高压作用下通常几个mA的电流就容易造成APD管芯的损坏，因此对接收端为APD的光模块一般都有相应的保护电路。APD大光下损毁的成因可以概括为瞬时过度的能量冲击，这种冲击包括过压或过流，APD保护电路也是从快速的降压和限流入手，目前已有的设计分为软件控制和硬件控制两种方案。目前已有的软件控制方案：将大光入射造成的电压或电流异常反馈到MCU，MCU检测到异常后采取相应的措施控制或者关闭DC-DC的输出，图1简单表示了这种控制过程。该方案存在以下问题：反馈信号需经过MCU检测、判断再输出控制信号，控制信号作用于DC-DC上生效也需要时间，所有延时加起来导致它的响应速度比起硬件控制要慢的多，通常至少是ms级别，这对于要求快速响应的APD保护可以说是一项致命缺陷，可能导致设计完全失效，故实际应用中很少使用。目前，使用得比较多的是硬件保护电路，如图2是目前较为常见的硬件控制APD保护方案，边框标识部分电路起到保护作用。R4为串联分压电阻，在大光入射时电阻的分压可以减小实际作用于APD的偏压，偏压的减小会降低增益从而同时达到减小电流的目的，入射光越大，分压和限流的幅度也越大；并联负载支路在大光入射时利用R3两端的压差开启高压三极管PNP，R0一端连到PNP的C级，另一端的接法有两种(对应图中的1和2连接)：一种是连到芯片的FB管脚，PNP开启时相当于R0和R1并联，利用芯片自身的反馈调节功能降低APD偏压；另一种是连接到地，PNP开启时作为并接负载利用DC-DC输出能力的限制降低APD偏压并进行分流。相较于软件控制，这种硬件方案在响应速度上具有明显提高，0dBm入射光下的APD偏压波形如图3所示。可以看到，此种方案可在百us级的时间内将APD偏压降至一个较小的稳定值，起到了一定的保护作用，但实测发现当入射光增大到一定程度例如直接使用4dBm左右的光源对接时保护电路将失效，图4为保护失效瞬间的APD偏压波形。图4可以直观反映出现有硬件方案的几个问题：(1)响应时间仍然不够快，图4显示当入射光过大时10us内就有可能导致APD损坏，而此电路的响应时间至少是在百us级。(2)保护强度不够，这体现在两个方面，一方面是保护效果与入射光大小有关，另一方面是APD偏压稳定后还保有一定幅度。技术实现要素：本发明针对目前光模块APD保护电路由于反应时间长不能对光模块APD进行有效的保护的不足，提供一种反应更加快捷的光模块APD保护电路。本发明为实现其目的所采用的技术方案是：一种光模块APD保护电路，光模块APD连接在APD偏压输出端与地之间；保护电路连接在APD偏压输出端与地之间，构成与APD并联的降压分流电路，包括检测APD偏压的快速检测电路和由所述的快速检测电路触发的快速降压分流电路；所述的快速降压分流电路包括NMOS管Q1和电阻R；所述的NMOS管Q1的漏极通过电阻R接APD偏压输出端，源极接地，栅极接所述的快速检测电路的触发信号输出端。本发明采用了一个NMOS管做分流电路，一旦NMOS开启整个APD偏压输出路径相当于接了一个极小的负载到地，电压会很快被拉倒接近0并保持，对APD进行有效的保护。进一步的，上述的光模块APD保护电路中：所述的快速检测电路包括PMOS管Q2、电阻R3、电阻R0；所述电阻R3连接在APD偏压输出端与APD阴极之间，所述的PMOS管Q2的源极和栅极分别与所述电阻R3两端相连，所述的PMOS管Q2的漏极通过电阻R0接地，所述的PMOS管Q2的漏极形成触发的快速降压分流电路的触发信号输出端。取合适的R3，当入射光足够大时，APD感应的光生电流在R3的压差将使PMOS首先开启(非饱和导通)，选取合适的R0可使其两端有一个较大的压差完全开启NMOS(饱和导通)，此时NMOS的内阻很小可忽略，而R是一个较小的限流保护电阻，这样一旦NMOS开启整个APD偏压输出路径相当于接了一个极小的负载到地，电压会很快被拉倒接近0并保持，同时DC-DC输出的电流将基本全部流经NMOS。这个设计在原理上能保证只要入射光超过一定值，APD偏压和电流都会以基本相同的速度快速降到0并保持。实测结果表明，此方案能在低于1us的时间内将APD偏压减至0，图6给出了4dBm光源对接时APD偏压波形。进一步的，上述的光模块APD保护电路中：所述的快速检测电路比较器U1、电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；所述电阻R3连接在APD偏压输出端与APD阴极之间，电阻R5和电阻R6串连连接在APD偏压输出端与地之间并与R3一端相连，电阻R7和电阻R8串连连接在APD阴极与地之间并与R3另一端相连，电阻R5和电阻R6的连接点接比较器U1的同相输入端，电阻R7和电阻R8的连接点接比较器U1的异相输入端；比较器U1的输出端形成触发的快速降压分流电路的触发信号输出端。选取合适的R5、R6、R7、R8，使得正常情况下比较器输出为低，当入射光下增大到一定值时利用R3两端的压差使得比较器翻转输出为高开启NMOS，比较器输出高电平可达到VCC(典型值3.3V)，能够完全开启NMOS，而R是一个较小的限流保护电阻，这样一旦NMOS开启整个APD偏压输出路径相当于接了一个极小的负载到地，电压会很快被拉倒接近0并保持，同时DC-DC输出的电流将基本全部流经NMOS。进一步的，上述的光模块APD保护电路中：还包括电阻R2，所述的电阻R2串连在APD阴极上。R2是一个降压限流电阻。下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。附图说明图1是现有技术中APD软件保护原理图。图2是现有的APD硬件保护电路原理图。图3在0dbm时，图2所示保护电路保护效果图。图4是在4dbm时图2所示保护电路保护效果图。图5是本发明实施例1APD保护电路原理图(一)。图6是本发明实施例1APD保护电路原理图(二)。图7是在4dbm时图5或图6所示保护电路保护效果图。图8是本发明实施例2APD保护电路原理图(一)。图9是本发明实施例2APD保护电路原理图(二)。具体实施方式实施例1，本实施例是一种PMOS+NMOSAPD保护电路，PMOS快速检测部分检测APD电流大小，当输入光过大时，流经APD的电流大，APD电流应该限值在1-2mA，如果超过这个范围，则通过R0产生一个触发信号，使NMOS饱和导通，对APD降压分流，如图5所示：快速检测电路包括PMOS管Q2、电阻R3、电阻R0；电阻R3连接在APD偏压输出端与APD阴极之间，PMOS管Q2的源极和栅极分别与电阻R3两端相连，PMOS管Q2的漏极通过电阻R0接地，PMOS管Q2的漏极形成触发的快速降压分流电路的触发信号输出端。这里，连接在APD偏压输出端与APD阴极之间的电阻R3是一个取样电阻，当流经电阻R3的电流I乘以其阻值大于PMOS管Q2开启的阈值电压时，PMOS管Q2导通。快速降压分流电路包括NMOS管Q1和电阻R；NMOS管Q1的漏极通过电阻R接APD偏压输出端，源极接地，栅极接快速检测电路的触发信号输出端。这里，电阻R3是一个APD电流取样电阻，在电流正常时，电阻R3两端的电压比较小，不会使PMOS管Q2导通，当入射光过大时，APD感应的光生电流在R3的压差将使PMOS首先开启(非饱和导通)，选取合适的R0可使其两端有一个较大的压差完全开启NMOS(饱和导通)，此时NMOS的内阻很小可忽略，而R是一个较小的限流保护电阻，这样一旦NMOS开启整个APD偏压输出路径相当于接了一个极小的负载到地，电压会很快被拉倒接近0并保持，同时DC-DC输出的电流将基本全部流经NMOS。这个设计在原理上能保证只要入射光超过一定值，APD偏压和电流都会以基本相同的速度快速降到0并保持。本实施例中，旁路NMOS导通电阻由R决定通常取几十欧姆到上百欧姆量级，而即使在大光输入下一般的APD等效电阻也在几千欧姆量级，因此，NMOS的旁路可以对APD进行有效的保护。实测结果表明，此方案能在低于1us的时间内将APD偏压减至0，图7给出了4dBm光源对接时APD偏压波形。本实施例中，在APD的阴极也可以设置一个限流电阻R2，对APD进行更加进一步保护。本实施例中，为了对APD进行有交的保护，一量APD的电流大于1到2mA后立即进行降压分流，本实施例中，电阻R3的阻值范围在1K至2K之间，电阻R0的阻值也相当小在300-500欧姆之间就可以了，而限流电阻R则更小，取50-100欧姆即可，PMOS管Q2和NMOS管Q1选择普通的高压MOS管即可，如果APD的电流接近2mA，则PMOS管Q2的G-S极电压将达到2至4V，PMOS管Q2将导通，PMOS管的D-G电压将下降到接近零，这样，PMOS管Q2的漏极D处的电压将达到2至4V，加入到NMOS管的栅极G上，使NMOS管Q1导通，对APD进行胶的降压分流。实施例2如图8所示，与实施例一相比，本实施例是一种快速比较器+NMOSAPD保护电路，快速降压分流电路与实施例一一样，而快速检测电路是采用一个快速比较器，通过取样电阻R3两端电压变化，使比较器翻转产生触发NMOS快速降压分流电路分流，对APD进行有效保护。本实施例中，快速检测电路比较器U1、电阻R3、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；电阻R3连接在APD偏压输出端与APD阴极之间，电阻R5和电阻R6串连连接在APD偏压输出端与地之间，电阻R7和电阻R8串连连接在APD阴极与地之间，电阻R5和电阻R6的连接点接比较器U1的同相输入端，电阻R7和电阻R8的连接点接比较器U1的异相输入端；比较器U1的输出端形成触发的快速降压分流电路的触发信号输出端。快速降压分流电路还是一样，包括NMOS管Q1和电阻R；NMOS管Q1的漏极通过电阻R接APD偏压输出端，源极接地，栅极接所述的快速检测电路的触发信号输出端。本实施例中，电阻R5和电阻R6串连接入电阻R3左端和地之间，也就是在电阻R3的上游接地，电阻R7和电阻R8串连接入电阻R3右端和地之间，也就是在电阻R3的下游接地，分别引出这两组电阻的分压信号至快速比较器输入端。在后级加入高压NMOS并以比较器输出端作为开关电压，串接一个限流保护电阻R。本实施例原理基本与实施例一类似，不同之处在于NMOS驱动部分的实现方式。选取合适的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，使得正常情况下比较器输出为低，当入射光下增大到一定值时利用电阻R3两端的压差使得比较器翻转输出为高开启NMOS，比较器输出高电平可达到VCC(典型值3.3V)，能够完全开启NMOS，保护效果与实施例一相同。本实施例中，为了将APD电流限制在1～2mA之间，取样电阻R3可以取5K-10K，限流电阻R的取值范围是50-100欧姆，相对取样电阻R3限流电阻R阻值较小。另外电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻一般是几十K量级以上，满足下式：式中：R3、R5、R6、R7、R8分别是电阻R3、电阻R5、电阻R6和电阻R7的阻值，VAPD是APD的偏压，是设定的APD限流值，U1+MAX和U1-MAX分别是是比较器同相端输入限压值和比较器反向端输入限压值。本实施例1和实施例2利用MOSFET开启时间短和导通内阻小的特点进行保护设计，与现有的硬件保护相比具有响应更快、保护作用更强的优势，对比如表1：表1APD保护新老硬件方案对比设计方案APD偏压下降时间APD偏压下降程度保护效果现有技术100us稳定在一定幅度入射光过大失效本实施例1、21us降为0与入射光大小无关表1的对比表明新方案的保护性能有了大幅度提高，最大程度保证了APD使用的安全性。当前第1页1 2 3