CN102798466A

CN102798466A - 一种带温度补偿的apd反偏电压控制电路

Info

Publication number: CN102798466A
Application number: CN2011101407990A
Authority: CN
Inventors: 黄正
Original assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路，通过在所述测温电路和所述反偏电压控制电路间添连接一个温度反馈电压控制电路，将测温电路中输出的电压信号转化成一个输出可调的反馈电压，从而达到APD反偏电压在不同的工作温度下实现自动补偿控制的效果，使得定标过程效率得到了极大地提高。

Description

一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路

技术领域

本发明设计光纤温度传感技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管的反偏电压控制领域。

背景技术

雪崩光电二极管(APD)是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10-100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩光电二极度管工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时，耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。

然而，APD增益随温漂的变化而变化，严重影响其增益的稳定性，甚至引起测量精度的恶化。由于APD的增益是由其反偏电压和所处温度的函数，二者共同决定APD工作时的增益，而且在维持APD增益恒定的条件下，其反偏电压和温度之间存在一定的关系。因此，可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。这样就可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。

现有技术中，比较典型的APD偏压补偿做法为：测量出在各个温度下，为了保持相同的增益所需要的反偏电压值；从而获得一张温度与反偏电压的映射表。影响效率的是如何获得这张映射表，这需要通过试验测量，如果需要很准确，各个温度点都得测量；例如，通常APD工作温度范围是0到50度，如果每度校准一次，就需要测量50次，每一次都需要对恒温箱进行恒温，每次恒温时间都需要花十分钟以上的时间；由于每只APD的温度特定都有所差别，实际过程中每只APD都需要做温度补偿定标；总体上这种方案效率很低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路及定标方法。可以解决不同温度下，APD增益恒定的要求，并且能大幅度地提高定标工作效率。

为了达到上述目的，本发明采用的一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路，包括测温电路、反偏电压控制电路和APD放大电路，其特征在于，在测温电路和反偏电压控制电路间连接一个温度反馈电压控制电路，所述的温度反馈电压控制电路包括两个放大器，一个放大器的输入端一接测温电路的输出，输入端二接一个接地的可调电位器，所述的可调电位器的另一端接一个反馈电阻，所述反馈电阻的另一端和所述放大器的输出端相连后连接一个分压电阻；另一个放大器的输入端一接一个稳压电源，输入端二接一个接地的可调电位器，所述的可调电位器的另一端接一个反馈电阻，所述反馈电阻的另一端和所述放大器的输出端相连后连接一个分压电阻；两个分压电阻的另一端相连，输出一个放大后的电压。

所述测温电路通常是铂电阻测温电路，其功能是把温度信号转化为电压信号，将铂电阻安装在APD的工作环境中，例如把APD与铂电阻密封在同一空间中，铂电阻的阻值随着温度的变化而变化，设其输出电压为V_pt，已知V_pt与温度的关系为如下形式：

V_pt(T)＝a*T+b；

其中a是测温电路的电路系数，电路参数确定后，a也就确定了；b为常量。特别地，在APD温度补偿定标过程中，V_pt(T)的电压值可用万用表测量得到。

所述温度反馈电压控制电路的功能是把测温电路的输出电压V_pt放大，同时实现电压的偏置，设其输出电压为V_F。

所述反偏电压控制电路提供反偏高压给APD放大电路，通常采用芯片MAX1932实现，V_F是一个电压反馈点，从MAX1932的数据手册中得知，改变该电压反馈点的电压，就可以改变其输出的反偏高压V_H，关系是V_H＝G_H*V_F，其中G_H为MAX1932控制电路的增益，这个增益可通过改变MAX1932的外围电路来设定。

MAX1932为雪崩光电二极管(APD)提供一个低噪声、高电压输出。MAX1932集成了精确的高端限流特性可以保护贵重的APD，抵制不利的工作条件，同时提供最优的反偏高压。一个限流标志位指示精确的雪崩击穿点以方便APD工作点的校准。MAX1932控制方式防止输出过冲和欠冲，可使APD安全工作而不发生数据丢失。输出电压可以通过外部电阻器、内部8位DAC、外部DAC或者其他电压源来进行精确的调节。输出范围和偏移都是可通过外部电阻器独立调节的。

采用本发明所述的技术方案优点在于：通过在测温电路和反偏电压控制电路间连接一个温度反馈电压控制电路，可以解决在不同温度下，APD增益恒定的要求，大幅度地提高定标工作效率，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明所述各电路模块的连接图。

图2反偏电压控制电路工作原理图；

图3为温度反馈电压控制电路原理图。

具体实施式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。

结合图1可知，本发明所述的带温度补偿的APD反偏电压控制电路主要包括APD放大电路2、测温电路3、温度反馈电压控制电路4和反偏电压控制电路5，测温电路3的输出接温度反馈电压控制电路4的输入，温度反馈电压控制电路4的输出接反偏电压控制电路5的输入，反偏电压控制电路5的输出接APD放大电路2的输入。

结合图3可知，在温度反馈电压控制电路4中有两个放大器，放大器10的一个输入端接测温电路3的输出电压V_pt，另一个输入端接一个接地的可调电位器K1，编号为15，可调电位器K1的另一端连接一个反馈电阻R_F1，编号为13，反馈电阻R_F1的另一端和放大器10的输出端相连后连接一个分压电阻R1，编号为11；放大器9的一个输入端接稳压电源，输出1.0V的电压，另一个输入端连接一个接地的可调电位器K2，编号为16，可调电位器K2的另一端连接一个反馈电阻RF2，编号为14，反馈电阻RF2的另一端和放大器9的输出端相连后连接一个分压电阻R2，编号为12；编号为11的分压电阻R1和编号为12的分压电阻R2相连输出，得到V_F。

测温电路3通常是铂电阻测温电路，其功能是把温度信号转化为电压信号，将铂电阻安装在APD的工作环境中，例如把APD与铂电阻密封在同一空间中，铂电阻的阻值随着温度的变化而变化，设其输出电压为V_pt，已知V_pt与温度的关系为如下形式：

V_pt(T)＝a*T+b；

其中a是测温电路3的电路系数，电路参数确定后，a也就确定了；b为常量。特别地，在APD温度补偿定标过程中，V_pt(T)的电压值可用万用表测量得到。

温度反馈电压控制电路4的功能是把测温电路3的输出电压V_pt放大，同时实现电压的偏置，设其输出电压为V_F。

根据上述描述可知：

V_F＝G₁*V_pt+1.0*G₂，

G_{1} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} G_{1}^{'} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} (1 + \frac{R_{F 1}}{K_{1}}),

G_{2} = G_{2}^{'} \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} (1 + \frac{R_{F 2}}{K_{2}})

设放大器10和反馈电阻R_F1连接处电压为V₁，放大器9和反馈电阻R_F2连接处电压为V₂，则V₁＝G′₁*V_pt；V₂＝G′₂*1.0v

结合图2可知，反偏电压控制电路5提供反偏高压给APD放大电路2，反偏电压控制电路5采用的芯片MAX1932(编号为7)将温度反馈电压控制电路4输出的电压在驱动电路8的驱动下转化为反偏高压，实现APD高压输出，其输入是温度反馈电压控制电路4的输出V_F，V_F是一个电压反馈点，编号为6，从MAX1932的数据手册中得知，改变6处V_F的电压，就可以改变所需反偏高压输出的电压，关系是V_H＝G_H*V_F，其中G_H为MAX1932控制电路的增益，这个增益可通过改变MAX1932的外围电路来设定。

V_H＝G_H*(G₁*V_pt+1.0*G₂)＝P₁*V_pt+P₂*1.0

由于APD的增益与温度呈线性关系(根据厂家提供的测试数据)，那么只要求出参数P1和P2，根据公式

V_H＝V_H*(G₁*V_pt+1.0*G₂)＝P₁*V_pt+P₂*1.0

就能满足APD所要的带温度补偿的反偏电压，以使得APD工作在不同的温度环境下其增益恒定。

求解P1和P2的步骤如下：

第一步，搭建一套稳定的测设系统，包括稳定的光源1，APD放大电路2，测温电路3，温度反馈电压控制电路4，反偏电压控制电路5；将APD放大电路2和测温电路3放置于恒温箱内，其他放置于温箱外。同时调节好光源1功率，使APD处于比较好的工作状态。假设APD工作温度范围是T1～T2(例如0～50摄氏度)。

第二步，把恒温箱温度调节到T1(例如0摄氏度)，调节温度反馈电压控制电路4中可调电位器15和16，使反偏电压控制电路5获得合适的反偏电压V_H1，使得APD处于最佳工作状态，用示波器测量并记录APD放大电路2输出电压位置；用万用表测量反偏电压控制电路5输出的反偏电压值V_H1；用万用表测量测温电路3输出的电压值V_pt1；于是有V_H1＝P₁*V_pt1+P₂*1.0；

第三步，把恒温箱温度调节到T2(例如50摄氏度)，此时APD的增益已发生变化。调节温度反馈电压控制电路4中可调电位器15和16，直到用示波器测量所述APD放大电路2输出电压位置与上述第二步相同，表明此时T2温度下APD增益与T1时相同；用万用表测量反偏电压控制电路5输出的反偏电压值V_H2；用万用表测量测温电路3输出的电压值V_pt2；用万用表测量温度反馈电压控制电路4的输出电压V_F2；于是有V_H2＝P₁*V_pt2+P₂*1.0

第四步，由第二步和第三步得到两个两元一次方程，两个未知数，此方程可以得到唯一解，从而求出P₁和P₂；

P_{1} = \frac{V_{H 2} - V_{H 1}}{V_{pt 2} - V_{pt 1}};

P_{2} = V_{H 1} - (\frac{V_{H 2} - V_{H 1}}{V_{pt 2} - V_{pt 1}}) * V_{pt 1}

进一步地求得G_H，G′₁和G′₂，

G_H＝V_H2/V_F2

G₁＝(1+R₁/R₂)*P₁/G_H；

G₂＝(1+R₂/R₁)*P₂/G_H

第五步，计算T2温度时的V₁和V₂，

V₁＝G′₁*V_pt2，V₂＝G′₂*1.0v

第六步，保持恒温箱温度恒定在T2；用万用表测量温度反馈电压控制电路4的V₁，调节电位器15，直到V₁＝G′₁*V_pt2；用万用表测量温度反馈电压控制电路4的V₂，调节电位器16，直到V₂＝G′₂*1.0v；至此，所述温度反馈电压控制电路4的电位器15和16已调节在正确的位置，从而满足了

V_H＝G_H*(G₁*V_pt+1.0*G₂)＝P₁*V_pt+P₂*1.0

此时电路实现了不同温度下APD增益恒定不变的反偏电压温度补偿自动控制。

本发明所采用的方法只需要改变恒温箱的温度两次，分别在T1和T2时各测量一组数据，通过简单的计算就能获得所需要的电路参数，再根据此电路参数调整相应的两个可变电位器15和16，从而达到APD反偏电压在不同的工作温度下实现自动补偿控制的效果，使得定标过程效率得到了极大地提高。

Claims

1.一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路，包括测温电路、反偏电压控制电路和APD放大电路，其特征在于：所述测温电路和所述反偏电压控制电路间连接一个温度反馈电压控制电路，所述的温度反馈电压控制电路包括两个放大器，一个放大器的输入端一接测温电路的输出，输入端二接一个接地的可调电位器，所述的可调电位器的另一端接一个反馈电阻，所述反馈电阻的另一端和所述放大器的输出端相连后连接一个分压电阻；另一个放大器的输入端一接一个稳压电源，输入端二接一个接地的可调电位器，所述的可调电位器的另一端接一个反馈电阻，所述反馈电阻的另一端和所述放大器的输出端相连后连接一个分压电阻；两个分压电阻的另一端相连，输出一个放大后的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路，其特征在于：反偏电压控制电路采用MAX1932芯片。

3.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的APD反偏电压控制电路，其特征在于：所述的测温电路为铂电阻测温电路。