CN101387658A - 自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法，包括，一个内带电流监控器和升压控制器的升压电源芯片，用于给雪崩光电二极管提供偏置电压和电流；一个内带模拟转换器的微控制器，用于调整和采样偏置电压和电流；四个阻容网络，用于连接微控制器和升压电源芯片之间的内部电路。微控制器的三个模拟转换器通过三个阻容网络分别与升压电源芯片的升压控制器的反馈输入端、电流监控器的偏置电压输出端、电流监控器的监控输出端相连。本发明基于自动控制原理，自动调整安全偏置电压，通过比较采样到的电流值和预设期望值来判断雪崩击穿工作区，并将结果显示在微机系统的人机界面。具有宽动态，输出精确可调，快速准确测定的特点。

Description

自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法

技术领域

本发明是关于目前广泛应用于光纤通信网络、光纤传感、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，以下简称APD)。更具体地说，本发明是基于逐次逼近算法和自动控制原理，而提供的一种安全准确快速测定雪崩光电二极管雪崩电压值的电路和方法。

背景技术

雪崩光电二极管是一种具有体积小、灵敏度高、速度快的半导体光检测器。由于雪崩光电二极管的增益与反向偏置电压和温度的关系很大，因此有必要对反向偏置电压进行控制，以保持增益的稳定。由此可知.为了使雪崩光电二极管工作在最佳状态下，就需要给雪崩光电二极管设置一个合适的偏置电压。偏置电压偏小，雪崩光电二极管的灵敏度会显著降低，甚至不能工作；偏置电压偏大，雪崩光电二极管又很容易被击穿烧毁。业界一般以雪崩光电二极管的雪崩电压减3V作为雪崩光电二极管正常工作时的偏置电压，通过偏置电压发生电路，在6V～75V范围内设置雪崩二极管的偏置电压。又由于每支雪崩光电二极管的雪崩电压都不相同，所以在批量生产中，测定雪崩光电二极管的雪崩电压和怎样快速测定雪崩光电二极管的雪崩电压就显得尤为重要。

目前较为通用的方法是用一个可调的电压源给雪崩光电二极管提供一个可调的偏置电压，而判断标准是观察串联在雪崩光电二极管上的一个电流表的读数是否略大于发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值。这就需要测试人员一边手动调节可调电压源的输出，一边监视电流表上的读数值，然后进行人工判断。由于该方法是手工操作所以效率低下，即使是熟练工操作通常这一过程都在一分钟左右，并且在操作不当的情况下容易烧毁昂贵的雪崩光电二极管造成物料浪费。

发明内容

本发明是针对上述现有技术手工操作存在的不足之处，提供一种具有高精度、宽动态范围，输出精确可调，能够稳定、可靠，快速准确地测定雪崩光电二极管雪崩电压值的测试电路和基于该电路测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定方法。理论计算和实验结果均表明基于该测定电路和测试方法的自动测试过程，通常耗时仅需1秒钟左右。

本发明的上述目的中的电路可以通过以下措施来达到。一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于，它包括，一个内部带电流监控器和升压控制器的升压电源芯片，用于给雪崩光电二极管提供偏置电压和电流；一个内部带模数转换器和数模转换器的微控制器，用于设置雪崩光电二极管偏置电压，采集雪崩光电二极管偏置电压值和流过雪崩光电二极管的电流值，同时接收上位微机系统下发的数据及指令并将测试结果发送给上位微机系统；四个阻容网络，用于连接微控制器和升压电源芯片。电路内部的连接关系是：上述微控制器的一个模数转换器通过上述第一个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的监控输出端相连，用于采集流过雪崩光电二极管的电流值；上述微控制器的一个数模转换器通过上述第二个阻容网络与上述升压电源芯片的升压控制器的反馈输入端相连，用于调整供给雪崩光电二极管的偏置电压值；上述微控制器的一个模数转换器通过上述第三个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端相连，用于采集供给雪崩光电二极管的偏置电压值；上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端通过第四个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的电压输入端相连。电路与外设的关系是：上述微控制器的通信接口与微机系统的外设接口相连，上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端与被测试的雪崩光电二极管的负极相连，上述雪崩光电二极管的正极接信号地，上述电路由单3.3V～5V直流电源供电。

一种使用上述测定电路自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的方法，其特征在于包括以下步骤：

初始化值设置步骤，用户在微机系统的人机界面中设置雪崩光电二极管起始安全偏置电压值、发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值，和最大调整次数及最大安全偏置电压值；

测试开始命令下发步骤：将上述步骤中微机系统的人机界面中的初始化值数据和开始测试的命令，通过微机系统的外设通信接口下发给微控制器，微控制器随即开始自动测试过程；

判断步骤：微控制器在收到初始化值数据和开始测试的命令后，首先将当前升压电压设定到起始安全偏置电压值；微控制器继而采样并计算流过雪崩光电二极管的电流值，然后与发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值进行比较，判断雪崩光电二极管是否已经工作在雪崩击穿工作区；

确定步骤：当上述判断步骤的判断结果为“否”时，则使用逐次逼近的方法微调升压电压值，再次采样当前升压电压值和流过雪崩光电二极管的电流值，然后再次判断，直到雪崩光电二极管工作在雪崩击穿工作区为止，即当前流过雪崩光电二极管的电流值落在发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值的上下限范围内；或者到出现错误情况为止，即微调升压电压值的次数大于等于最大调整次数，或当前采样到的升压电压值大于等于最大安全偏置电压值；此时判断步骤的判断结果变成“是”；当所述判断步骤的判断结果为“是”时，微控制器的将返回一个表征此次测试的成功或失败的状态代码；

测试结果返回步骤：微机系统通过通信接口查询到微控制器已经返回了表征此次测试的成功或失败的状态代码之后，则在微机系统的人机界面中显示从微控制器返回的表征此次测试的正确或错误的代码，以及当前雪崩光电二极管的偏置电压值和电流值。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1.上位微机系统的操作简单，仅需要做简单的初始化设置工作后启动下位微控制器测试步骤就能得到下位微控制器的返回结果，大大降低的测试人员的操作难度；同时因为是全自动化测试，耗时较短、效率较高；

2.整个电路仅需单3.3V～5V直流电源供电，也无需外挂昂贵的高精度可调电压源和电流表，外设简单、成本低廉；

3.电路中的低压到高压的升压电路经济、简单，能够为雪崩光电二极管提供准确、安全、稳定、可靠的偏置电压；

4.电路中的电流采样电路经济、简单，能够在不需要太多外围元件情况下准确采集供给雪崩光电二极管的偏置电压和流过雪崩光电二极管的电流；

5.下位微控制器快速设定雪崩光电二极管偏置电压的程序流程，能够有效减少后续测定雪崩光电二极管雪崩电压的循环次数，因为该预设值是根据统计结果得出的绝大部分雪崩光电二极管的雪崩电压附近的值，该值低于绝大多数雪崩光电二极管的雪崩电压值，但和雪崩光电二极管的雪崩电压值相差不远。这就更加有效地减少了雪崩光电二极管偏置电压所需微调的步骤，从而进一步提高了测定雪崩光电二极管的雪崩电压的效率。

6.下位微控制器基于逐次逼近算法寻找雪崩光电二极管雪崩电压的程序流程，能够避免二分法在雪崩光电二极管偏置电压时调整步进很大的情况下设置的雪崩光电二极管偏置电压过高从而烧毁雪崩光电二极管的情况。因为逐次逼近法每次雪崩光电二极管偏置电压调整步进很小，不会出现较大的过设置雪崩光电二极管偏置电压的情况，大大降低了因设置的雪崩光电二极管偏置电压过高而烧毁雪崩光电二极管的可能性。

附图说明

图1是本发明测试雪崩光电二极管雪崩电压值的电路系统结构示意图。

图2是图1主电路原理图。

图3是本发明运行在上位微机系统的总体程序流程图。

图4是本发明运行在下位微控制器的总体程序流程图。

图5是本发明运行在下位微控制器的快速设置升压电压到起始安全偏置电压值的子程序流程图。

具体实施方式

参阅图1，自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，主要由内带电流监控器和升压控制器的升压电源芯片LT3482、带高精度模拟监控电路的微控制器、阻容网络以及外围电路构成。其中，用于调整、采样雪崩光电二极管偏置电压值和流过雪崩光电二极管的电流值的微控制器，可通过通信电缆连接至上位微机系统的通信端口。升压电源芯片内部带有电流监控器和升压控制器，结合阻容网络及微控制器，输出可调的升压电源和监控电流。整个电路由单3.3V～5V直流电源供电。在升压电源芯片的电源输入端连接有一个抑制电源纹波的去耦电容C到地，在升压电源芯片的电源输入端和开关SW端还连接有一个储能电感L，在升压电源芯片的开关SW端和电荷泵管脚端还连接有一个蓄电电容C。在升压电源芯片的升压控制器的电压输出端到电流监控器的电压输入端之间有阻容低通滤波电路。在升压电源芯片的升压控制器的升输出端到电流监控器的电压输入端之间有阻容低通滤波电路。在升压电源芯片的升压控制器的升压输出端和预升压输出端连接有倍压电容，该电容与储能电感L和蓄电电容C和升压电源芯片内部的二极管及电荷泵组成升压电路，使升压控制器的升压输出端的电压可以比输入的3.3V～5V电源电压大很多倍。

参阅图2，图2描述了图1自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路的具体结构。上述电路的供电电源为3.3V～5V直流电源。升压电源芯片选用LT3482专用芯片。在升压电源芯片LT3482的电源输入端管脚11与其接地端管脚9、10之间连接有一个抑制电源纹波的去耦电容C4。储能电感连接在升压电源芯片LT3482的电源输入端管脚11与开关SW端管脚7、8之间。升压电源芯片LT3482的开关SW端管脚7、8与其电荷泵管脚6之间连接有一个储能电容C1。升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端管脚4和预升压输出端5以及预升压输出端5和信号地之间分别连接有两个电容C5和C6，这部分电路配合升压电源芯片LT3482内部的电路实现PWM脉宽调制方式的DC/DC升压电源电路，能够将输入的低压直流电源电压转换为最高90V的高压直流电压。升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端管脚4与其电流监控器的电压输入端管脚3连接有一个电阻R2，电流监控器的电压输入端管脚3同时连接有一个电容C3到地，这部分电路组成高压电路的阻容低通滤波电路，该电路能够进一步抑制升压电压的纹波，使流过电流监控器的电压输入端管脚2上的偏置电压更加稳定。升压电源芯片LT3482的使能管脚12连接有一个上拉电阻R1到电源输入端管脚11，这样当加上3.3V～5V的直流电源后，升压电源芯片LT3482就开始工作。升压电源芯片LT3482的内部参考电压源选择管脚13连接到电源输入端管脚11，这样升压电源芯片LT3482就使用内部的1.235V参考电压源。升压电源芯片LT3482的内部晶振频率设置管脚15连接到电源输入端管脚11，这样升压电源芯片LT3482的内部晶振频率为1.1MHz。升压电源芯片LT3482的电流监控器的升压输出端管脚2连接被测试的雪崩光电二极管负端，同时在电流监控器的升压输出端管脚2还连接有一个滤波电容C8到地用于滤除雪崩光电二极管偏置电压上的纹波。

为使微控制器的模数转换器能够采集流过雪崩光电二极管的电流，必须采用一个阻容网络将升压电源芯片LT3482的电流监控器的监控输出端电流转换成微控制器的模数转换器的量程范围以内的电压，这个电流转电压的阻容网络就是上述第一个阻容网络，由电阻R8，电容C7组成；其中，电阻R8的一端连接到LT3482的电流监控器的监控输出端管脚16和微控制器的第一个模数转换器输入端，另一端接信号地，电容C7并联在电阻R8上面，以滤除电阻R8上的纹波电压。注意，升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2输出的电流实际分为两路，一路流过被测试的雪崩光电二极管I_APD，一路流过第二个阻容网络I_R，流过第二个阻容网络的电流值I_R可以由采样到的偏置电压值除以第二个阻容网络的电阻值得到；而升压电源芯片LT3482的电流监控器的监控输出端管脚16输出的电流I_{APD_MON}是升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2输出的电流的1/5。根据以上描述可得如下的关系式：

$I_{\mathrm{APD}\_\mathrm{MON}}=\frac{I_{\mathrm{APD}}+I_R}{5}=\frac{I_{\mathrm{APD}}+\frac{V_{\mathrm{APD}}}{R6+R7}}{5}$

而输入到微控制器的模数转换器输入端的电压为I_{APD_MON}*R8，这样微控制器通过采样电阻R8上的电压就能够反算出I_{APD_MON}。设当前微控制器采样到电阻R8上面的电压为2V，采样升压电源芯片LT3482雪崩光电二极管偏置电压输出管脚2上的分压电阻网络电压值后计算出的V_APD电压为55V，电阻R8为100KΩ，R6为845KΩ，R7为27KΩ，则：

$I_{\mathrm{APD}}=\frac{2V}{R_8}\×5-\frac{55V}{R_6+R_7}=\frac{2V}{100K}\×5-\frac{55V}{845K+27K}=37\mathrm{\μA}$

由此可知，通过采样电流取样电阻上的电压是能够准确得到流过雪崩光电二极管电流的。另外，在微控制器程序加上简单的线性拟合补偿算法，可以进一步降低模数转换器误差和电阻标称值误差从而提高雪崩光电二极管电流值的采样精度。

为了使微控制器的模数转换器能够采集电压值超出内参考电压几十倍的雪崩光电二极管偏置电压，必须采用分压网络将输入到模数转换器的电压值降低到模数转换器的量程范围以内，这个分压网络就是上述第三个阻容网络，由电阻R6、电阻R7、电容C8组成；其中，电阻R6和电阻R7的一端并联在微控制器的第二个模数转换器输入端，电阻R6的另一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2，电阻R7的另一端连接到信号地，电容C8的一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2，而另一端连接到信号地。设电阻R6为845KΩ，电阻R7为27KΩ，这样输入到模数转换器输入端的电压V_{APD_MON}最大值为80V*[电阻R6/(电阻R5+电阻R6)]＝80V*[27K/(845K+27K)]＝2.48V，可以满足一般模数转换器量程为0～2.5V的需要。另外，在微控制器程序加上简单的线性拟合补偿算法，可以进一步降低模数转换器误差和电阻标称值误差从而提高雪崩光电二极管偏置电压值的采样精度。

为使微控制器的数模转换器能够调整升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端管脚的电压，一个星型电阻网络被用在这里组成雪崩光电二极管偏置电压调整电路，这个星型网络就是上述第二个阻容网络，由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C2组成。其中，电阻R3连接在升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端管脚4和升压控制器的反馈输入端管脚14之间，该电阻R3还并联有一个提高升压电源芯片LT3482的瞬态响应性能的电容C2，电阻R5的一端连接升压电源芯片LT3482的升压控制器的反馈输入端管脚14，另一端接信号地，电阻R4的一端连接升压电源芯片LT3482的升压控制器的反馈输入端管脚14，另一端连接微控制器的数模转换器输出端。对于上述电路，根据基尔霍夫定律可以得出微控制器的数模转换器输出电压值V_set和升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端电压V_out2的关系式：

$\frac{V_{\mathrm{out}2}-V_{\mathrm{FB}}}{R_3}+\frac{V_{\mathrm{set}}-V_{\mathrm{FB}}}{R_4}=\frac{V_{\mathrm{FB}}}{R_5}$

上式中V_FB是升压电源芯片LT3482的升压控制器的反馈输入端电压值，是一个恒定值，对所述电路中的升压电源芯片LT3482来说V_FB＝1.235V，设电阻R3为845KΩ，电阻R4为39KΩ，电阻R5为27KΩ，则：

$V_{\mathrm{out}2}=R_3\×(\frac{V_{\mathrm{FB}}}{R_3}+\frac{V_{\mathrm{FB}}}{R_4}+\frac{V_{\mathrm{FB}}}{R_5}-\frac{V_{\mathrm{set}}}{R_4})$

$=845K\×(\frac{1.235V}{845K}+\frac{1.235V}{39K}+\frac{1.235V}{27K}-\frac{V_{\mathrm{set}}}{39K})\≈66.7-21.7*V_{\mathrm{set}}\left(V\right)$

上式中V_set的大小取决于微控制器的数字模拟转换器的设置值n和内参考电压值V_ref，两者之间的关系式如下：

$V_{\mathrm{set}}=\frac{n}{2^N}\×V_{\mathrm{ref}}$

上式中N是数模转换器的位数，n是数模转换器需要转换的设置值，这两个数都是整数，n的最大值为2^N-1。设采用具有12位数模转换器和V_ref为2.5V的微控制器，所以V_set的最小值为0，最大值约为2.5V，对应的V_out2的最大值为66.7V，最小值为12.4V。而改变该阻容网络中任一一颗电阻的阻值，即可改变V_out2输出范围。

为使供给雪崩光电二极管的偏置电压V_APD能够被升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端电压V_out2控制，一个低通阻容电阻网络被用在这里将升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端连接到电流监控器的电压输入端，而电流监控器的偏置电压输出端就是雪崩光电二极管的偏置电压了。这个低通阻容电阻网络就是上述第四个阻容网络，由电阻R2、电容C3组成。其中，电阻R2的一端连接在升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端4，而另一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的电压输入端管脚3；电容C3一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的电压输入端管脚3，而另一端连接到信号地。

参阅图3，一种运行在上位微机系统的程序流程，实现人机交互，主要包括以下几个步骤：

初始化值设置步骤，用户在微机系统的人机界面中设置雪崩光电二极管起始安全偏置电压值、发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值，和最大调整次数及最大安全偏置电压值；

测试开始命令下发步骤，如果用户通过微机系统的人机界面输入了测试开始命令，则微机系统通过通信接口把人机界面中的初始化值数据和开始测试的命令下发给微控制器，微控制器随即开始自动测试过程；如果用户没有输入测试开始命令，则继续等待；

测试结果显示步骤，如果微机系统通过通信接口查询微控制器已经返回了表征此次测试的成功或失败的状态代码，则在微机系统的人机界面中显示从微控制器返回的表征此次测试的正确或错误的代码，以及当前雪崩光电二极管的偏置电压值和电流值；如果没有查询到状态代码，则继续等待。

参阅图4，一种运行在微控制器上的总程序流程，实现雪崩光电二极管雪崩电压值的自动测试，主要包括以下几个步骤：

初始化步骤，微控制器初始化内部数模转换器、模数转换器和外设通信接口，然后等待上位微机系统下发测试开始命令；

雪崩光电二极管的起始安全偏置电压值快速设定步骤，当微控制器通过通信接口查询到微机系统下发了初始化值数据和开始测试的命令之后，微控制器首先将微控制器将当前偏置电压快速设置到微机系统下发的起始安全偏置电压值；

雪崩光电二极管雪崩电压值自动测试步骤，微控制器使用逐次逼近的算法微调升压电压值，然后采样当前偏置电压值和流过雪崩光电二极管的电流值，如果当前采样的电流值大于等于期望电流值，或微调偏置电压值次数大于等于最大调整次数，或当前采样的偏置电压值大于等于最大安全偏置电压值，则微控制器返回一个表征此次测试的成功或失败的状态代码；否则循环执行本步骤，直到雪崩光电二极管工作在雪崩击穿工作区为止或出现错误情况为止；

测试结果返回步骤，微控制器通过通信端口向微机系统报告此次测试的成功或失败的状态代码，偏置电压值和流过雪崩光电二极管的电流值。

参阅图4，进一步举例阐述雪崩光电一极管雪崩电压值自动测试步骤。假设采样到的电流取样阻容网络上的电压为1.4V，电阻R8为100KΩ，上位微机系统下发的雪崩光电二极管电流期望值下限为25μA，上限为30μA，当前雪崩光电二极管偏置电压为45V，则根据实施例1中所述的流过雪崩光电二极管实际电流的计算公式可得：

$I_{\mathrm{APD}}=\frac{1.4V}{R_8}\×5-\frac{45V}{R_6+R_7}=\frac{1.4V}{100K}\×5-\frac{45V}{845K+27K}\≈18.4\mathrm{\μA}$

因为此时的电流小于雪崩光电二极管电流期望值下限，则需要增大雪崩光电二极管的偏置电压，假设每次调整微控制器的数模转换器使偏置电压的调整值为0.1V，再假设所测试雪崩光电二极管的雪崩电压为55V，而流过雪崩光电二极管电流同雪崩光电二极管的偏置电压是单调的关系，即雪崩光电二极管电压增大时，流过雪崩光电二极管的电流不可能会减小，所以经过(55V-45V)/0.1V＝100次调整后就一定能够得到所测试的雪崩光电二极管雪崩电压值。

从上面的例子，我们还可以得出以下结果，假定雪崩光电二极管在没有光信号输入的情况下内阻为1MΩ，对于绝大多数雪崩光电二极管来说，其内阻高于该值，雪崩光电二极管偏置电压每次调整的步进值为0.1V，则根据欧姆定律可知相应的流过雪崩光电二极管的电流的调整值为0.1μA，该电流对于一般的雪崩光电二极管雪崩击穿电流为10μA甚至更大的值来说是相当小的，所以用该方法来测定雪崩光电二极管雪崩电压是安全的，不会因为设置的偏置电压突然过高而烧毁雪崩光电二极管；另外，理论计算和实验结果均表明，微控制器每次调整偏置电压的耗时不超过10毫秒，则100次调整过程耗时不超过1秒，效率非常高。最后，为了避免异常情况下微控制器进入死循环，程序中使用了一个微调偏置电压次数计数器，当该计数器的值大于等于微机系统下发的最大调整次数，就退出微调步骤；或者当采样到的偏置电压值大于等于微机系统下发的最大安全偏置电压值时，也退出微调步骤；从而提高了程序的健壮性。

参阅图5，描述了图4中，一种快速设定雪崩光电二极管的偏置电压值的详细程序流程，主要包括以下几个步骤：

采样当前偏置电压值及计算差值步骤，微控制器用第二个模数转换器去采样第三个阻容网络上针对偏置电压分压出电压，然后计算出当前实际的雪崩光电二极管偏置电压值，最后计算出微机系统下发的雪崩光电二极管起始安全偏置电压值同当前偏置电压值的差值；

判断当前偏置电压是否需要调整步骤，设差值的最大允许范围是0.1V，如果上述差值的绝对值小于0.1V则说明雪崩光电二极管偏置电压已经被设置好，本流程结束；如果上述差值的绝对值超过0.1V则进入调整偏置电压步骤；

调整偏置电压步骤，用上一步得到的差值除以V_out2的最小变化量得到数模转换器的调整值，将该调整值加到数模转换器的当前设置值上，经数模转换器后输出新的V_sct值，这样V_out2就被重新设置了，相应也就重新设置了雪崩光电二极管的偏置电压；然后程序返回到采样当前偏置电压值及计算差值步骤，重新开始循环微调。

下面举例说明，假设微控制器采集雪崩光电二极管偏置电压的分压电阻网络上的电压为1V，微机系统下发雪崩光电二极管偏置电压预设值为45V，电阻R5为845KΩ，电阻R6为27KΩ，则此时雪崩光电二极管的偏置电压实际值为：

$V_{\mathrm{APD}}=1V\×\frac{R_5+R_6}{R_6}=1V\×\frac{845K+27K}{27K}\≈32.3V$

显然雪崩光电二极管偏置电压需要调整，为了确定数模转换器的数字调整值的大小，将实施例1所述的几个关系式综合在一起得到下面的式子，式中的各参数值同上述的假设值：

$V_{\mathrm{out}2}=66.7-21.7V_{\mathrm{set}}=66.7-21.7\×\frac{n}{2^N}{V}_{\mathrm{ref}}=66.7-0.013226n\left(V\right)$

将上式对n求导得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}2}}{\mathrm{\Δn}}=-0.013226$

由于n只能取整数，所以n的最小变化量为1，相应的V_out2的最小变化量为0.013226V，上式的负号表明n增大时V_out2相应减小。则数模转换器的数字调整值为：

$\frac{45V-32.3V}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}2\min }}=\frac{45V-32.3V}{-0.013226V}\≈-960$

那么新的数模转换器的设置值就是在原值上加-960，经过模数转换器后就得到了新的V_set值，从而调整了V_out2的大小。假设此后再次采样雪崩光电二极管偏置电压的分压电阻网络上的电压为1.393V，则雪崩光电二极管的偏置电压实际值为：

$V_{\mathrm{APD}}=1.393V\×\frac{R_5+R_6}{R_6}=1.393V\×\frac{845K+27K}{27K}\≈44.99V$

此时雪崩光电二极管偏置电压和微机系统下发雪崩光电二极管偏置电压预设值只相差0.01V，所以雪崩光电二极管偏置电压不需要再次调整，直接转到下面的雪崩光电二极管雪崩电压测试程序。

采用上述程序流程后，通常只需要经过一次调整，雪崩光电二极管偏置电压就能够被调整到期望值上，而对于运算速度为20MIPS，数模、模数转换时间为1微秒的微控制器来说，整个设置过程时间耗时大概为10微秒，可见这种设定雪崩光电二极管的偏置电压值的方法是非常高效的。

Claims (8)

1.一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于，它包括，一个内部带电流监控器和升压控制器的升压电源芯片，用于给雪崩光电二极管提供偏置电压和电流；一个内部带模数转换器和数模转换器的微控制器，用于设置雪崩光电二极管偏置电压，采集雪崩光电二极管偏置电压值和流过雪崩光电二极管的电流值，同时接收上位微机系统下发的数据及指令并将测试结果发送给上位微机系统；四个阻容网络，用于连接微控制器和升压电源芯片之间的电路；

电路内部的连接关系是：上述微控制器的一个模数转换器通过上述第一个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的监控输出端相连，用于采集流过雪崩光电二极管的电流值；上述微控制器的一个数模转换器通过上述第二个阻容网络与上述升压电源芯片的升压控制器的反馈输入端相连，用于调整供给雪崩光电二极管的偏置电压值；上述微控制器的一个模数转换器通过上述第三个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端相连，用于采集供给雪崩光电二极管的偏置电压值；上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端通过第四个阻容网络与上述升压电源芯片的电流监控器的电压输入端相连；

电路与外设的关系是：上述微控制器的通信接口与微机系统的外设接口相连，上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端与被测试的雪崩光电二极管的负极相连，上述雪崩光电二极管的正极接信号地，上述微控制器和升压电源芯片由单3.3V～5V直流电源供电。

2.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：上述第一个阻容网络的用于采集流过雪崩光电二极管的电流值的功能模块，由一颗电阻和一颗电容组成，它们是并联的，一端连接到上述微控制器的第一个模数转换器和上述升压电源芯片的电流监控器的监控输出端，一端连接到信号地；该阻容网络把上述升压电源芯片的电流监控器的监控输出端流出的监控电流转换成电压值，以满足上述微控制器的第一个模数转换器的输入动态范围；

上述第二个阻容网络用于调整偏置电压值的功能模块，由三颗电阻和一颗电容组成，这三颗电阻是星型连接的公共端并联在一起，公共端连接到上述升压电源芯片的升压控制器的反馈输入端，三颗电阻的另一端分别连接上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端、上述微控制器的一个数模转换器和信号地，电容的两端分别连接至上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端和上述升压电源芯片的升压控制器的反馈输入端，用于提高环路的瞬态响应性能；

上述第三个阻容网络用于采集雪崩光电二极管的偏置电压值的功能模块，由两个电阻和一个电容组成，这两颗电阻串联，公共端连接到上述微控制器的第二个模数转换器，两颗电阻的另一端分别连接到上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端和信号地，电容的两端分别连接至上述升压电源芯片的电流监控器的偏置电压输出端和信号地，用于滤除偏置电压上的纹波；

上述第四个阻容网络用于连接上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端到电流监控器的电压输入端，由一个电阻和一个电容组成，构成一个阻容低通滤波电路；电阻一端连接在上述升压电源芯片的升压控制器的升压输出端，而另一端连接在上述升压电源芯片的电流监控器的电压输入端；电容一端连接在上述升压电源芯片的电流监控器的电压输入端，而另一端接信号地。

3.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：所述的升压电源芯片的型号LT3482。

4.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：第一个阻容网络的电阻R8，电容C7，和外接微控制器共同组成升压电源芯片LT3482的监控电流值的采样电路；其中，电阻R8的一端连接到升压电源芯片LT3482的电流监控器的监控输出端管脚16和微控制器的第一个模数转换器输入端，另一端接信号地，电容C7并联在电阻R8上面，以滤除电阻R8上的纹波电压，此采样到的电流分为两路，一路流过被测试的雪崩光电二极管，一路流过第二个阻容网络，流过第二个阻容网络的电流值可以由采样到的偏置电压值除以第二个阻容网络的电阻值得到。

5.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：升压电源芯片LT3482，第二个阻容网络的电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C2，和微控制器共同组成雪崩光电二极管偏置电压值的调整电路；其中，电阻R3连接在升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端管脚4和升压控制器的反馈输入端管脚14之间，该电阻R3还并联有一个提高升压电源芯片LT3482的瞬态响应性能的电容C2，电阻R4的一端连接升压电源芯片LT3482的升压控制器的反馈输入端管脚14，另一端接信号地，电阻R5的一端连接升压电源芯片LT3482的升压控制器的反馈输入端管脚14，另一端连接微控制器的数模转换器输出端。

6.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：升压电源芯片LT3482，第三个阻容网络的电阻R6、电阻R7、电容C8，和微控制器共同组成雪崩光电二极管偏置电压值的采样电路；其中，电阻R6和电阻R7的一端并联在微控制器的第二个模数转换器输入端，电阻R6的另一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2，电阻R7的另一端连接到信号地，电容C8的一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的偏置电压输出端管脚2，而另一端连接到信号地。

7.根据权利要求1所述的自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路，其特征在于：升压电源芯片LT3482，第四个阻容网络的电阻R2、电容C3，共同组成升压电源芯片的升压控制器到电流监控器的高压连接电路；其中，电阻R2的一端连接在升压电源芯片LT3482的升压控制器的升压输出端4，而另一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的电压输入端管脚3；电容C3一端连接在升压电源芯片LT3482的电流监控器的电压输入端管脚3，而另一端连接到信号地。

8.一种使用上述电路实现自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的方法，其特征在于包括以下步骤：

初始化值设置步骤，用户在微机系统的人机界面中设置雪崩光电二极管起始安全偏置电压值、发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值，和最大调整次数及最大安全偏置电压值；

测试开始命令下发步骤：将上述步骤中微机系统的人机界面中的初始化值数据和开始测试的命令，通过微机系统的外设通信接口下发给微控制器，微控制器随即开始自动测试过程；

判断步骤：微控制器在收到初始化值数据和开始测试的命令后，首先将当前升压电压设定到起始安全偏置电压值；微控制器继而采样并计算流过雪崩光电二极管的电流值，然后与发生雪崩效应时流过雪崩光电二极的期望电流值进行比较，判断雪崩光电二极管是否已经工作在雪崩击穿工作区；

确定步骤：当上述判断步骤的判断结果为“否”时，则使用逐次逼近的方法微调升压电压值，再次采样当前升压电压值和流过雪崩光电二极管的电流值，然后再次判断，直到雪崩光电二极管工作在雪崩击穿工作区为止，即当前流过雪崩光电二极管的电流值落在发生雪崩效应时流过雪崩光电二极管的期望电流值的上下限范围内；或者到出现错误情况，即微调升压电压值的次数大于等于最大调整次数，或当前采样到的升压电压值大于等于最大安全偏置电压值；此时判断步骤的判断结果变成“是”；当所述判断步骤的判断结果为“是”时，微控制器的将返回一个表征此次测试的成功或失败的状态代码；

测试结果返回步骤：微机系统通过通信接口查询到微控制器已经返回了表征此次测试的成功或失败的状态代码之后，则在微机系统的人机界面中显示从微控制器返回的表征此次测试的正确或错误的代码，以及当前雪崩光电二极管的偏置电压值和电流值。

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