基于單片機的APD參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

洪家平 ，高美珍，殷志文

(1.湖北師范學(xué)院學(xué)院 計算機科學(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)

基于單片機的APD參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

洪家平1，高美珍2，殷志文1

(1.湖北師范學(xué)院學(xué)院 計算機科學(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)測試等問題。本測試系統(tǒng)采用單片機控制，具有價格低廉，效率高等特點，與國外普遍使用的數(shù)字源表來測量APD參數(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。

APD測試;單片機;升壓電路;微小電流檢測

1 APD 測試系統(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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?，作為一種高靈敏度、高速度的光電器件，是當前光纖接入三網(wǎng)融合網(wǎng)的必備核心器件，在當今光電傳輸系統(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，其性能測試在業(yè)界一直存在生產(chǎn)效率不高和精度低等諸多問題。當前，國外主要使用數(shù)字源表來測量APD參數(shù)，但是，數(shù)字源表價格昂貴并且測試參數(shù)也不夠完善。而國內(nèi)的一些測試系統(tǒng)雖然價格相對較低但卻面臨著測試精度低，速度慢等問題，也不能大規(guī)模用于生產(chǎn)測試。在APD參數(shù)測量中，相比于數(shù)字源表的應(yīng)用而言，本測試系統(tǒng)具有價格低廉，效率高等特點，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系統(tǒng)來有效進行APD參數(shù)測試。

2 APD 測試系統(tǒng)原理

在半導(dǎo)體光電探測器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進入外電路后，形成可測量的光電流。PIN-光電二極管即使在最大的響應(yīng)度下，一個光子最多也只能產(chǎn)生一個電子空穴對，是一種無內(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)生一對新的電子空穴對，這個過程是一種連鎖反應(yīng)，由光吸收產(chǎn)生的一對電子空穴對引發(fā)產(chǎn)生大量的電子空穴對進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 測試系統(tǒng)主要用于測量雪崩二極管的最佳工作狀態(tài)，找到最佳的信噪比(S/N)，測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

圖1 APD 測試整體結(jié)構(gòu)框圖

APD 測試系統(tǒng)需要由內(nèi)部產(chǎn)生光脈沖信號，這個光入射到APD 雪崩二極管上，產(chǎn)生與光功率對應(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 編程進行控制，最后通過上位機界面或下位機的液晶顯示界面將被測參數(shù)顯示出來。

3 APD 測試系統(tǒng)參數(shù)分析

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

表1 APD 雪崩二極管主要測量的參數(shù)及其含義

4 APD 測試系統(tǒng)方案設(shè)計

4.1系統(tǒng)總體設(shè)計

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

圖2 APD 測試系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2 所示為APD 測試系統(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，它主要通過升壓電路給雪崩二極管APD提供可調(diào)節(jié)的電壓，同時通過鏡像電流源電路將APD 雪崩二極管上的電流鏡像輸出，因此測試系統(tǒng)中需要有升壓電路和電流檢測電路，這兩個電路設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的測量精度，此外APD 雪崩二極管測試系統(tǒng)還可以檢測響應(yīng)度，系統(tǒng)還增加了激光器驅(qū)動電路，用于驅(qū)動激光器發(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)計的各個硬件結(jié)構(gòu)功能模塊原理圖，MCU 選用的是microchip 公司的DSPIC33FJ128GP804 單片機，用按鍵給單片機發(fā)送相應(yīng)命令。單片機的DACL用來給APD 管固定的光功率，DACR為APD 管提供可調(diào)偏置電壓，可以用來測試擊穿電壓、暗電流等參數(shù)。I-V 變換電路輸出的電壓由ADC 模塊進行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果判斷APD 的擊穿電壓點和實時的輸出電流，最終通過液晶屏顯示測試值。為了使測試簡潔，系統(tǒng)中將待測試參數(shù)分成了七個模式，如下圖3的七個部分。此外，本系統(tǒng)還帶有RS232 接口與PC 機進行通信，整個測試可以完全由PC電腦控制，并能夠自動將測試結(jié)果返回PC機保存，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

APD 驅(qū)動監(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)是嚴格對應(yīng)的，通過調(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)動監(jiān)控系統(tǒng)中連接電路圖

4.3升壓電路的設(shè)計

作為一種新型高靈敏度高速光電探測器件的雪崩光電二極管APD，是借助內(nèi)部強電場產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng), 電流增益可達102 ～104 量級, 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。APD 正常工作時, 需要配置合適的高反向偏置電壓, 因為APD 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，目前測試系統(tǒng)偏置電壓針對的是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現(xiàn)

測試擊穿電壓是通過調(diào)節(jié)單片機的DACR輸出電壓值來改變APD 管的電流，當電流為10μA 時APD 上的電壓即為擊穿電壓，APD 的電流經(jīng)過I-V 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓，10μA 對應(yīng)一固定電壓值，利用單片機的ADC 連續(xù)采樣，當采到這個固定電壓值時對應(yīng)的APD 兩端的電壓即為擊穿電壓。擊穿電壓軟件實現(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)的順序掃描方法測得擊穿電壓需要很長時間，效率也太低。為克服這個缺點，在軟件上采用變步長掃描的方法：首先從0 開始以1V 的步長進行掃描，當ADC 采到的電壓大于設(shè)定采樣閾值時返回上一步以0.1的步長掃描，此時ADC 采到的大于設(shè)定的閾值時對應(yīng)的APD 兩端的電壓即為其擊穿電壓。經(jīng)過驗證，APD 擊穿電壓的測試速度可以保證在1～2s 之內(nèi)，解決了測試速度慢的問題。

4．5暗電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計

APD雪崩二極管的工作狀態(tài)是根據(jù)電流判斷的，通過檢測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，確定這兩項重要的參數(shù)，此外測量響應(yīng)度和倍增因子也要根據(jù)電流值計算，因此電流檢測電路對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。電流檢測采用的是I-V變換電路，APD測試系統(tǒng)檢測的電流范圍10nA～10μA，經(jīng)過ADL5317的鏡像分流(5∶1)后，IPDM端輸出的檢測電流范圍2nA～2μA，這樣小的電流需要低噪聲、低偏流和低失調(diào)電壓的運放。本系統(tǒng)采用OPA376運算放大器，可以滿足APD雪崩二極管測試系統(tǒng)電流檢測電路的需要。

4．6上位機與下位機通信接口的設(shè)計

上位機數(shù)據(jù)庫管理系統(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中實現(xiàn)與終端的通信程序設(shè)計。本系統(tǒng)采用標準的通信控件communications進行通信程序的設(shè)計，實現(xiàn)上位機與下位機數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。每次通信時，首先在上位機的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 測試結(jié)果及結(jié)論

如圖6 所示，是在實驗室測得的某一種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)，滿足測試精度的要求。

圖5 擊穿電壓軟件實現(xiàn)流程圖 圖6 APD 測試系統(tǒng)測試結(jié)果

本測試系統(tǒng)采用上位PC機和下位單片機控制的方式工作，下位單片機具有數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理功能，上位PC機用可視化軟件編程，具有數(shù)據(jù)處理和實時數(shù)據(jù)顯示功能。本系統(tǒng)具有價格低廉、效率高、使用方便等特點，雖然是在實驗室條件下對雪崩光電二極管(APD)的主要參數(shù)進行的測試，但是只要加以改進，也可以推廣應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品測試，有一定的應(yīng)用價值。

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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，主要研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、計算機控制技術(shù).

TP273.5

A

1009-2714(2014)02- 0078- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.02.018