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TWI546641B - 雪崩光電二極體的偏壓產生電路及相關的控制電路 - Google Patents

雪崩光電二極體的偏壓產生電路及相關的控制電路 Download PDF

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TWI546641B
TWI546641B TW103141993A TW103141993A TWI546641B TW I546641 B TWI546641 B TW I546641B TW 103141993 A TW103141993 A TW 103141993A TW 103141993 A TW103141993 A TW 103141993A TW I546641 B TWI546641 B TW I546641B
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Description

雪崩光電二極體的偏壓產生電路及相關的控制電路
本發明有關雪崩光電二極體(avalanche photodiode),尤指一種雪崩光電二極體的偏壓產生電路及相關的控制電路。
雪崩光電二極體被廣泛應用在需要較高敏感度的許多光學應用中,例如光通訊與光學距離量測等等領域。為了獲得較佳的信號增益,施加於雪崩光電二極體的逆偏壓(reverse biasing voltage)最好是接近、但不超過雪崩光電二極體的崩潰電壓(breakdown voltage)。
雪崩光電二極體的信號增益,與施加在雪崩光電二極體的逆偏壓大小以及溫度兩者有很強的相關性,所以傳統雪崩光電二極體的偏壓產生電路中,需要儲存一份記錄雪崩光電二極體所需的逆偏壓與溫度間的相關性的查找表(lookup table)。由於製程差異(process deviation)的關係,不同的雪崩光電二極體所需的逆偏壓與溫度間的相關性也有所不同。
在傳統的偏壓產生電路中,通常會利用一升壓型電源轉換器(boost power converter)將一輸入電壓轉換成雪崩光電二極體所需的逆偏壓。為了維持前述逆偏壓的穩定度,傳統的偏壓產生電路需要利用一數位轉類比電路(digital-to-analog converter,DAC)依 據一控制電路所產生的控制值來產生一類比信號,並將該類比信號耦接到外部分壓電阻所產生的分壓信號上,以做為該升壓型電源轉換器運作時所需的反饋信號。
然而,由於數位轉類比電路的架構較複雜、佔據較大的電路面積、且成本較高,所以傳統偏壓產生電路控制升壓型電源轉換器產生雪崩光電二極體所需的逆偏壓的電路架構較為複雜、且成本較高。
有鑑於此,如何降低控制升壓型電源轉換器產生雪崩光電二極體所需的逆偏壓的電路架構複雜度及成本,實為業界有待解決的問題。
本說明書提供一種用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓的偏壓產生電路的實施例,其包含:一升壓型電源轉換器,設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓;一參考信號產生電路,耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號;以及一控制電路,該控制電路包含:一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;以及一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小。
本說明書另提供一種用於一偏壓產生電路中的控制電路的實施例。該偏壓產生電路用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓,且 包含一升壓型電源轉換器與一參考信號產生電路,該升壓型電源轉換器設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓,而該參考信號產生電路耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號。該控制電路包含:一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;以及一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小。
上述實施例的優點之一,是無需在偏壓產生電路設置數位轉類比電路,故可有效降低控制升壓型電源轉換器產生雪崩光電二極體所需的逆偏壓的電路架構複雜度及成本。
本發明的其他優點將藉由以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
100、200‧‧‧偏壓產生電路
102‧‧‧雪崩光電二極體
104‧‧‧電流偵測電路
106‧‧‧轉阻放大器
110‧‧‧升壓型電源轉換器
120‧‧‧參考信號產生電路
130、230‧‧‧控制電路
131‧‧‧信號感測電路
132‧‧‧類比轉數位電路
133‧‧‧反饋節點
134‧‧‧第一可調電阻
135‧‧‧第二可調電阻
136‧‧‧處理電路
圖1為本發明一實施例的偏壓產生電路簡化後的功能方塊圖。
圖2為本發明另一實施例的偏壓產生電路簡化後的功能方塊圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中,相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
圖1為本發明一實施例的偏壓產生電路(biasing voltage generating circuit)100簡化後的功能方塊圖。偏壓產生電路100用於產生一雪崩光電二極體102所需的逆偏壓。如圖1所示,偏壓產生電路100包含一電流偵測電路(current detection circuit)104、一升壓型電源 轉換器(boost power converter)110、一參考信號產生電路(reference signal generating circuit)120、以及一控制電路(control circuit)130。
在偏壓產生電路100中,升壓型電源轉換器110設置成依據一反饋信號FB與一參考信號VREF,將一輸入電壓VIN轉換成一較高的輸出電壓VOUT,以作為雪崩光電二極體102所需的逆偏壓。當升壓型電源轉換器110產生的輸出電壓VOUT達到雪崩光電二極體102的操作電壓時,雪崩光電二極體102會因應輸入光線的大小產生對應的一輸出電流IA。電流偵測電路104設置成偵測雪崩光電二極體102的輸出電流IA的大小,而轉阻放大器(transimpedance amplifier)106則會將雪崩光電二極體102的輸出電流IA轉換成相對應的電壓信號,以供後級的接收電路(not shown)進行解調變處理。
另外,參考信號產生電路120耦接於升壓型電源轉換器110,設置成產生參考信號VREF。控制電路130設置成依據雪崩光電二極體102的輸出電流IA,來調整升壓型電源轉換器110運作所需的反饋信號FB,以使升壓型電源轉換器110產生的輸出電壓VOUT的大小上升到接近、但不超過雪崩光電二極體102的崩潰電壓,藉此獲得較高的信號增益。
實作上,前述的電流偵測電路104可用各種電流鏡的架構來實現。另外,升壓型電源轉換器110可用各種同步式或非同步式升壓型電源轉換器的架構來實現。
在圖1的實施例中,控制電路130包含一信號感測電路(signal sensing circuit)131、一類比轉數位電路(analog-to-digital converter ,ADC)132、一反饋節點(feedback node)133、一第一可調電阻(variable resistor)134、一第二可調電阻135、以及一處理電路(processing circuit)136。
在控制電路130中,信號感測電路131設置成產生與雪崩光電二極體102的輸出電流IA大小相對應的一感測信號VS。類比轉數位電路132耦接於信號感測電路131,設置成將感測信號VS轉換成一數位信號DS。反饋節點133用於提供反饋信號FB。第一可調電阻134耦接於該升壓型電源轉換器110的一輸出端與反饋節點133之間。第二可調電阻135耦接於反饋節點133與一固定電位端(例如,接地端)之間。處理電路136耦接於類比轉數位電路132,並設置成依據數位信號DS調整反饋信號FB的大小,以藉此控制升壓型電源轉換器110調整輸出電壓VOUT的大小。例如,可將處理電路136設置成依據數位信號DS改變第一可調電阻134與第二可調電阻135的至少其中之一的電阻值,以調整在反饋節點133形成的反饋信號FB的大小。
實作上,信號感測電路131可用各種合適的電阻、或是電阻與電容的組合來實現,以產生電壓形式的感測信號VS。
另外,前述偏壓產生電路100中的不同功能方塊可分別用不同的電路來實現,也可整合在一單一電路晶片中。例如,控制電路130中的所有功能方塊可以整合在一單一電路晶片中,也可以將控制電路130與升壓型電源轉換器110、參考信號產生電路120、電流偵測電路104的至少其中之一整合到單一電路晶片中。
在運作時,控制電路130的處理電路136可先將第一可調電阻134與第二可調電阻135兩者的電阻值設置成具有一預定分壓比例, 以使升壓型電源轉換器110的輸出電壓VOUT達到一預定水平。當雪崩光電二極體102接收到光線時,若升壓型電源轉換器110產生的輸出電壓VOUT過低,則雪崩光電二極體102產生的逆偏電流IA會過小,導致信號感測電路131產生的感測信號VS的電壓值過低。
此時,類比轉數位電路132會將所產生的數位信號DS通知處理電路136。接著,處理電路136便會藉由改變第一可調電阻134與第二可調電阻135的至少其中之一的電阻值的方式,改變第一可調電阻134與第二可調電阻135兩者的分壓比例,以藉此控制升壓型電源轉換器110逐漸調升輸出電壓VOUT的大小,直到處理電路136透過數位信號DS確定升壓型電源轉換器110的輸出電壓VOUT達到雪崩光電二極體102所需的逆偏壓大小為止。
由前述說明可知,在偏壓產生電路100中無需設置任何數位轉類比電路(DAC),故可有效降低控制升壓型電源轉換器110產生雪崩光電二極體102所需的逆偏壓的電路架構複雜度及成本。
另外,在設置偏壓產生電路100的電路板上也無需額外設置其他的外部分壓電阻,可進一步節省電路的複雜度和成本。
圖2為本發明另一實施例的偏壓產生電路200簡化後的功能方塊圖。偏壓產生電路200與前述的偏壓產生電路100的架構很類似,但偏壓產生電路200利用控制電路230來取代偏壓產生電路100中的控制電路130。
在圖2的實施例中,控制電路230同樣包含前述的信號感測電路131、類比轉數位電路132、以及處理電路136,但省略了控制電路130中的反饋節點133、第一可調電阻134、以及第二可調電阻 135。
如圖2所示,控制電路230中的處理電路136另耦接於參考信號產生電路120,並設置成依據數位信號DS控制參考信號產生電路120調整參考信號VREF的大小,藉此達成與前述實施例類似的功效。
例如,在運作時,控制電路230的處理電路136可先控制參考信號產生電路120將參考信號VREF調整至一預定大小,以使升壓型電源轉換器110的輸出電壓VOUT達到一預定水平。當雪崩光電二極體102接收到光線時,若升壓型電源轉換器110產生的輸出電壓VOUT過低,則雪崩光電二極體102產生的逆偏電流IA會過小,導致信號感測電路131產生的感測信號VS的電壓值過低。
此時,類比轉數位電路132會將所產生的數位信號DS通知處理電路136。接著,處理電路136便會控制參考信號產生電路120改變參考信號VREF的大小,以藉此控制升壓型電源轉換器110逐漸調升輸出電壓VOUT的大小,直到處理電路136透過數位信號DS確定升壓型電源轉換器110的輸出電壓VOUT達到雪崩光電二極體102所需的逆偏壓大小為止。
與前述的實施例相同,在偏壓產生電路200中無需設置任何數位轉類比電路(DAC),故可有效降低控制升壓型電源轉換器110產生雪崩光電二極體102所需的逆偏壓的電路架構複雜度及成本。
另外,在設置偏壓產生電路200的電路板上也無需額外設置其他的外部分壓電阻,可進一步節省電路的複雜度和成本。
有關前述偏壓產生電路100中的其他元件的連接關係、實施方式、運作方式、與相關的優點的說明,也適用於偏壓產生電路200 中的對應元件,為簡潔起見,在此不重複敘述。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而,所屬技術領域中具有通常知識者應可理解,同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式,而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語,故應解釋成「包含但不限定於」。另外,「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此,若文中描述第一元件耦接於第二元件,則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件,或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
在此所使用的「及/或」的描述方式,包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外,除非說明書中特別指明,否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
說明書及申請專利範圍中的「電壓信號」,在實作上可採用電壓形式或電流形式來實現。說明書及申請專利範圍中的「電流信號」,在實作上也可用電壓形式或電流形式來實現。
以上僅為本發明的較佳實施例,凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾,皆應屬本發明的涵蓋範圍。
100‧‧‧偏壓產生電路
102‧‧‧雪崩光電二極體
104‧‧‧電流偵測電路
106‧‧‧轉阻放大器
110‧‧‧升壓型電源轉換器
120‧‧‧參考信號產生電路
130‧‧‧控制電路
131‧‧‧信號感測電路
132‧‧‧類比轉數位電路
133‧‧‧反饋節點
134‧‧‧第一可調電阻
135‧‧‧第二可調電阻
136‧‧‧處理電路

Claims (4)

  1. 一種偏壓產生電路,用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓,該偏壓產生電路包含:一升壓型電源轉換器,設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓;一參考信號產生電路,耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號;以及一控制電路,其包含:一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;以及一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小;其中,該處理電路另耦接於該參考信號產生電路,並設置成依據該數位信號控制該參考信號產生電路調整該參考信號的大小。
  2. 一種偏壓產生電路,用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓,該偏壓產生電路包含:一升壓型電源轉換器,設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓; 一參考信號產生電路,耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號;以及一控制電路,其包含:一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小;一反饋節點,用於提供該反饋信號;一第一可調電阻,耦接於該升壓型電源轉換器的一輸出端與該反饋節點之間;以及一第二可調電阻,耦接於該反饋節點與一固定電位端之間;其中,該處理電路設置成依據該數位信號改變該第一可調電阻與該第二可調電阻的至少其中之一的電阻值,以調整該反饋信號的大小。
  3. 一種用於一偏壓產生電路中的控制電路,其中,該偏壓產生電路用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓,且包含一升壓型電源轉換器與一參考信號產生電路,該升壓型電源轉換器設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓,而該參考信號產生電路耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號,該控制電路包含: 一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;以及一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小;其中,該處理電路另耦接於該參考信號產生電路,並設置成依據該數位信號控制該參考信號產生電路調整該參考信號的大小。
  4. 一種用於一偏壓產生電路中的控制電路,其中,該偏壓產生電路用於產生一雪崩光電二極體所需的逆偏壓,且包含一升壓型電源轉換器與一參考信號產生電路,該升壓型電源轉換器設置成依據一反饋信號與一參考信號,將一輸入電壓轉換成一較高的輸出電壓,以作為該雪崩光電二極體的逆偏壓,而該參考信號產生電路耦接於該升壓型電源轉換器,設置成產生該參考信號,該控制電路包含:一信號感測電路,設置成產生與該雪崩光電二極體的一輸出電流大小相對應的一感測信號;一類比轉數位電路,耦接於該信號感測電路,設置成將該感測信號轉換成一數位信號;一處理電路,耦接於該類比轉數位電路,設置成依據該數位信號調整該反饋信號或該參考信號的大小,以藉此控制該升壓型電源轉換器調整該輸出電壓的大小; 一反饋節點,用於提供該反饋信號;一第一可調電阻,耦接於該升壓型電源轉換器的一輸出端與該反饋節點之間;以及一第二可調電阻,耦接於該反饋節點與一固定電位端之間;其中,該處理電路設置成依據該數位信號改變該第一可調電阻與該第二可調電阻的至少其中之一的電阻值,以調整該反饋信號的大小。
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