基于单片机的APD参数测试系统设计

洪家平 ，高美珍，殷志文

(1.湖北师范学院学院 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002 2.湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

基于单片机的APD参数测试系统设计

洪家平1，高美珍2，殷志文1

(1.湖北师范学院学院 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002 2.湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度、高速度的光电器件，是光纤接入的必备核心器件。其性能测试在业界一直存在成品率低、生产效率不高、精度低、不能大规模用于生产测试等问题。本测试系统采用单片机控制，具有价格低廉，效率高等特点，与国外普遍使用的数字源表来测量APD参数相比具有明显的优势。

APD测试;单片机;升压电路;微小电流检测

1 APD 测试系统概述

雪崩光电二极管(APD)是一种在一定条件下能将光信号转变为电信号的器件，作为一种高灵敏度、高速度的光电器件，是当前光纤接入三网融合网的必备核心器件，在当今光电传输系统中得到了广泛的应用。由于同批次不同APD 管雪崩电压的不同，其性能测试在业界一直存在生产效率不高和精度低等诸多问题。当前，国外主要使用数字源表来测量APD参数，但是，数字源表价格昂贵并且测试参数也不够完善。而国内的一些测试系统虽然价格相对较低但却面临着测试精度低，速度慢等问题，也不能大规模用于生产测试。在APD参数测量中，相比于数字源表的应用而言，本测试系统具有价格低廉，效率高等特点，本文将分析雪崩光电二极管(APD)的工作原理、工作特性及如何利用单片机系统来有效进行APD参数测试。

2 APD 测试系统原理

在半导体光电探测器中，入射光子激发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后，形成可测量的光电流。PIN-光电二极管即使在最大的响应度下，一个光子最多也只能产生一个电子空穴对，是一种无内部增益的器件。而APD 雪崩二极管是基于电离碰掩效应工作的，在一定的条件下，被加速的电子空穴获得足够的能量，能够与晶格碰撞产生一对新的电子空穴对，这个过程是一种连锁反应，由光吸收产生的一对电子空穴对引发产生大量的电子空穴对进而形成较大的二次光电流。因此APD 具有较高的内部增益和响应度，这种内部增益提高了器件的信噪比。 APD 测试系统主要用于测量雪崩二极管的最佳工作状态，找到最佳的信噪比(S/N)，测试系统原理框图如图1所示：

图1 APD 测试整体结构框图

APD 测试系统需要由内部产生光脉冲信号，这个光入射到APD 雪崩二极管上，产生与光功率对应的光电流，这就要求系统中具有监控APD 光电流的电路，同时由于APD 在电压范围为10～60V的高偏压下工作，要找到APD最佳工作电压，就需要加在APD 二极管上的电压可以调节，但是这样范围的电压A/D 是采样不到的，这就要用到DC-DC 的升压电路，将小的电压升到满足要求的高压上去。这样的电压可以用MCU 编程进行控制，最后通过上位机界面或下位机的液晶显示界面将被测参数显示出来。

3 APD 测试系统参数分析

APD 雪崩二极管主要测量的参数有击穿电压Vbr、暗电流Id 和响应度，每个参数及其含义见表1：

表1 APD 雪崩二极管主要测量的参数及其含义

4 APD 测试系统方案设计

4.1系统总体设计

为检测APD 的性能指标，测试系统需要能够输出10～60V 可调节的电压，能够检测低至 10 nA的微弱电流，针对这些条件设计的系统硬件电路框图如图2 所示：

图2 APD 测试系统硬件电路结构原理框图

图2 所示为APD 测试系统硬件电路结构原理框图，该电路包括APD监控电路芯片ADL5317，它主要通过升压电路给雪崩二极管APD提供可调节的电压，同时通过镜像电流源电路将APD 雪崩二极管上的电流镜像输出，因此测试系统中需要有升压电路和电流检测电路，这两个电路设计的好坏直接影响系统的测量精度，此外APD 雪崩二极管测试系统还可以检测响应度，系统还增加了激光器驱动电路，用于驱动激光器发出特定功率的光，以及用于参数显示的LCD显示器。

图3是根据系统工作要求设计的各个硬件结构功能模块原理图，MCU 选用的是microchip 公司的DSPIC33FJ128GP804 单片机，用按键给单片机发送相应命令。单片机的DACL用来给APD 管固定的光功率，DACR为APD 管提供可调偏置电压，可以用来测试击穿电压、暗电流等参数。I-V 变换电路输出的电压由ADC 模块进行采样，根据采样结果判断APD 的击穿电压点和实时的输出电流，最终通过液晶屏显示测试值。为了使测试简洁，系统中将待测试参数分成了七个模式，如下图3的七个部分。此外，本系统还带有RS232 接口与PC 机进行通信，整个测试可以完全由PC电脑控制，并能够自动将测试结果返回PC机保存，使用方便。

图3 系统硬件结构功能模块图

4.2ADL5317监控电路的设计

APD 驱动监控电路采用ADL5317 芯片，连接电路如图4 所示：

图3中VAPD=30Vset，在ADL5317 的VPHV 端，供电电压在一定范围内是严格对应的，通过调节Vset 的值控制加在APD 雪崩二极管上的电压，此外该芯片通过5∶1 的镜像电流源使得IPDM=IAPD/5.ADL5317 输出的电压的VAPD 端是根据VPHV 端电压调整的。

图4 ADL5317 在APD驱动监控系统中连接电路图

4.3升压电路的设计

作为一种新型高灵敏度高速光电探测器件的雪崩光电二极管APD，是借助内部强电场产生雪崩倍增效应, 电流增益可达102 ～104 量级, 因此具有灵敏度高、响应速度快、频响宽、噪声等效功率低等特点。APD 正常工作时, 需要配置合适的高反向偏置电压, 因为APD 只有工作于合适的反向偏置电压状态下, 才能获得足够高的APD 内部增益。不同的APD需要的偏置电压不同,有的只需几十伏, 有的则需要上百伏，目前测试系统偏置电压针对的是45～50V，现有的APD 偏置电压电路通常是在升压式DC/DC 变换电路的基础上, 增加二极管倍压电路才能获得较高输出电压。

4.4击穿电压的软件流程实现

测试击穿电压是通过调节单片机的DACR输出电压值来改变APD 管的电流，当电流为10μA 时APD 上的电压即为击穿电压，APD 的电流经过I-V 转换电路转换成电压，10μA 对应一固定电压值，利用单片机的ADC 连续采样，当采到这个固定电压值时对应的APD 两端的电压即为击穿电压。击穿电压软件实现流程如图5所示。

由于不同APD 的击穿电压不同，为了增强系统的通用性，加在APD 管两端的反向偏置电压范围设置为0～60V.由于DAC 输出电压频率受到ADL5317 的控制只有100Hz，如果采用常规的顺序扫描方法测得击穿电压需要很长时间，效率也太低。为克服这个缺点，在软件上采用变步长扫描的方法：首先从0 开始以1V 的步长进行扫描，当ADC 采到的电压大于设定采样阈值时返回上一步以0.1的步长扫描，此时ADC 采到的大于设定的阈值时对应的APD 两端的电压即为其击穿电压。经过验证，APD 击穿电压的测试速度可以保证在1～2s 之内，解决了测试速度慢的问题。

4．5暗电流检测系统的设计

APD雪崩二极管的工作状态是根据电流判断的，通过检测APD管上的电流可以得到击穿电压Vbr，然后根据Vbr得到暗电流，确定这两项重要的参数，此外测量响应度和倍增因子也要根据电流值计算，因此电流检测电路对整个系统至关重要。电流检测采用的是I-V变换电路，APD测试系统检测的电流范围10nA～10μA，经过ADL5317的镜像分流(5∶1)后，IPDM端输出的检测电流范围2nA～2μA，这样小的电流需要低噪声、低偏流和低失调电压的运放。本系统采用OPA376运算放大器，可以满足APD雪崩二极管测试系统电流检测电路的需要。

4．6上位机与下位机通信接口的设计

上位机数据库管理系统采用Visual FoxPro编写，这里介绍的串行通信接口程序主要是在Visual FoxPro中实现与终端的通信程序设计。本系统采用标准的通信控件communications进行通信程序的设计，实现上位机与下位机数据的发送和接收。每次通信时，首先在上位机的init事件中初始化通信控件olecontrol1,初始化设置为：

thisform.olecontrol1.CommPort=1 //选择串口com1

thisform.olecontrol1.PortOpen=1 //打开串口com1

thisform.olecontrol1.InputMode=0 //按文本方式接收数据

thisform.olecontrol1.RTSEnable=1 //允许使用rts线，用于RS-232转换器的发送控制和供电

thisform.olecontrol1.InputLen=1 //每次读取接收缓冲区的一个字符

thisform.olecontrol1.OutbufferCount=0 //清除发送缓冲区

thisform.olecontrol1.InbufferCount=0 //清除接收缓冲区

……

5 测试结果及结论

如图6 所示，是在实验室测得的某一种APD 雪崩二极管的击穿电压和暗电流，与Keithley 源表的击穿电压测试结果差距在0.1V 之内，暗电流的差距在5nA 之内，满足测试精度的要求。

图5 击穿电压软件实现流程图 图6 APD 测试系统测试结果

本测试系统采用上位PC机和下位单片机控制的方式工作，下位单片机具有数据采样和数据处理功能，上位PC机用可视化软件编程，具有数据处理和实时数据显示功能。本系统具有价格低廉、效率高、使用方便等特点，虽然是在实验室条件下对雪崩光电二极管(APD)的主要参数进行的测试，但是只要加以改进，也可以推广应用于大规模工业生产过程中的产品测试，有一定的应用价值。

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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，主要研究方向为单片机与嵌入式系统应用、计算机控制技术.

TP273.5

A

1009-2714(2014)02- 0078- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.018