CN103940507A - 一种偏置电压补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏置电压补偿电路，包括LT3571芯片、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、热敏电阻R_PTC、电感L₁、第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇，热敏电阻R_PTC为正温度系数镍金属膜线性热敏电阻，其阻值与温度T相关。本发明通过生成具有温度补偿功能的补偿控制电压，经过偏置电压生成部分的直流放大，生成具有自动温度补偿功能的偏置补偿电压，可以提高雪崩光电探测器增益的温度稳定性。本发明的偏置电压补偿电路具有结构简单、可靠性高的优点，降低了偏置电压温度补偿的实现难度。同时本发明的偏置电压补偿电路兼容常规雪崩光电探测器，提高了温度补偿技术的使用范围。

Description

一种偏置电压补偿电路

技术领域

本发明涉及一种偏置电压补偿电路，尤其涉及一种简单可靠的具有自动温度补偿功能的雪崩光电探测器的偏置电压补偿电路，属于光电子技术领域。

背景技术

雪崩光电探测器是一种先进的光电探测器，主要利用载流子的雪崩放大过程实现对光电流的放大，从而提高对微弱信号光的检测灵敏度，可以广泛应用于多种需要进行微弱光检测的应用场合中。

根据理论研究，雪崩光电探测器的倍增因子M与偏置电压V的关系为

$M=\frac{1}{1-{(V/V_B)}^n}---\left(1\right)$

式中，V_B为击穿电压；n为参数，与探测器具体材料有关，在室温范围附近可认为是固定值。

而击穿电压V_B与温度T之间的关系为

V_B(T)＝V_B(T₀)[1+a(T-T₀)]   (2)

式中，a为常数，T为实际温度，T₀为基准温度，V_B(T₀)为基准温度T₀时雪崩光电探测器的击穿电压，V_B(T)为温度T时雪崩光电探测器的击穿电压。

当环境温度Ｔ发生改变时，由于击穿电压V_B发生变化，若偏置电压Ｖ保持不变，则倍增因子M将发生明显改变，引起雪崩光电探测器的增益变化，导致雪崩探测器的增益稳定性变差。

为了提高雪崩光电探测器的增益稳定性，一般可以采用温度控制或者温度补偿方法。

当采用温度控制方法时，需要实时测量雪崩光电探测器管芯的温度，并根据预定的控制规律启动制冷/制热装置实现对管芯的温度控制，需要探测器内部集成温度探测器，但是常规雪崩光电探测器内部一般不具备集成的温度探测器，无法实时获取探测器管芯的准确温度，难以实现精确的温度控制效果，限制了温度控制技术在实际中的广泛应用。

当采用温度补偿方法时，可以生成一个随温度变化的偏置电压，保持偏置电压与击穿电压之间的比率稳定，获取稳定的倍增因子Ｍ，从而提高雪崩光电探测器增益的温度稳定性。目前使用的温度补偿方法需要设计偏置电压可控的专用电路，需要通过微控制器编写算法软件的方式来实现偏置电压补偿规律，增大了实际应用中的难度，同时降低了可靠性。

在实际应用中，使用常规雪崩光电探测器时难以保证雪崩光电探测器的工作环境为恒温环境，因此为了提高常规雪崩光电探测器增益的温度稳定性，迫切需要一种兼容性好、集成度高、实现方式简单的偏置电压补偿电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种偏置电压补偿电路，通过采用补偿偏置电压的方法提高雪崩光电探测器增益稳定性，该电路兼容性好、集成度高、实现方式简单。

本发明的技术方案是：一种偏置电压补偿电路，包括LT3571芯片、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、热敏电阻R_PTC、电感L₁、第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇；

其中第一电阻R₁连接在LT3571芯片的监控输入引脚和反馈引脚之间，第二电阻R₂连接在LT3571芯片的反馈引脚和地之间；第四电阻R₄连接在LT3571芯片的参考输出引脚和输出控制引脚之间，热敏电阻R_PTC和第三电阻R₃依次串联连接在LT3571芯片的输出控制引脚和地之间；

电感L₁连接在LT3571芯片的电源输入引脚和切换引脚之间，第五电阻R₅连接在LT3571芯片的监控输出引脚和地之间，第六电阻R₆连接在LT3571芯片的切换频率引脚和地之间，第七电阻R₇连接在LT3571芯片的升压输出引脚和监控输入引脚之间；

LT3571芯片的引脚和电源输入引脚分别与+5V外接电源连接，频率同步引脚接地；LT3571芯片的APD输出引脚与雪崩光电探测器相连，所述偏置电压补偿电路通过LT3571芯片的APD输出引脚向雪崩光电探测器输出偏置补偿电压。

所述偏置电压补偿电路中的热敏电阻R_PTC为正温度系数镍金属膜线性热敏电阻。

所述偏置电压补偿电路中的第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值的确定方式如下：

V_C(T)＝V_C(T₀)+K₁·(T-T₀)

$V\left(T\right)=\frac{R_1+R_2}{R_2}\·\frac{R_3+R_{\mathrm{PTC}}}{R_3+R_{\mathrm{PCT}}+R_4}\·V_{\mathrm{REF}}-5$

通过数值计算方式确定满足V(T)＝V_C(T)的第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值；

其中，T₀为基准温度，K₁为温度系数，K₁的取值与雪崩探测器类型有关；T为实际温度，V_C(T)为雪崩光电探测器需要的偏置补偿电压，V_C(T₀)为基准温度T₀时雪崩光电探测器的初始电压；

R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值，R_PTC为热敏电阻R_PTC在温度T时的阻值，V_REF为1.22V固定参考电压，V(T)为偏置电压补偿电路输出的偏置补偿电压。

所述电感L₁的电感值，第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇的阻值由电路的切换频率值、最大输出电流限制值决定。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)温度补偿控制方案结构简单、可靠性高：通过采用PTC正温度系数热敏电阻作为温度敏感元件，构成参数随环境温度变化的电阻网路，实现补偿控制电压的生成，具有工作稳定的优点，有利于降低温度补偿的技术复杂度。

(2)兼容常规雪崩光电探测器：通过采用补偿偏置电压的方法提高雪崩光电探测器增益稳定性，可以兼容常规雪崩光电探测器，无需使用专门的采用温度控制的雪崩光电探测器，可以有效降低开发难度，降低使用成本。

(3)兼容基于LT3571芯片的常规偏置电压生成电路基本方案：通过采用热敏电阻构成电阻网络，生成所需的控制电压，可以兼容常规的固定偏置电压生成方式，对常规偏置电压生成电路的改动很小，有利于降低使用温度补偿技术的成本。

附图说明

图1为一种偏置电压补偿电路组成结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种偏置电压补偿电路，包括LT3571芯片、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、热敏电阻R_PTC、电感L₁、第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇；

其中第一电阻R₁连接在LT3571芯片的监控输入引脚(MONIN引脚)和反馈引脚(FB引脚)之间，第二电阻R₂连接在LT3571芯片的反馈引脚(FB引脚)和地之间；第四电阻R₄连接在LT3571芯片的参考输出引脚(V_REF引脚)和输出控制引脚(CTRL引脚)之间，热敏电阻R_PTC和第三电阻R₃依次串联连接在LT3571芯片的输出控制引脚(CTRL引脚)和地之间；热敏电阻R_PTC为正温度系数镍金属膜线性热敏电阻，其阻值与温度T有关。

电感L₁连接在LT3571芯片的电源输入引脚(V_IN引脚)和切换引脚(SW引脚)之间，第五电阻R₅连接在LT3571芯片的监控输出引脚(MON引脚)和地之间，第六电阻R₆连接在LT3571芯片的切换频率引脚(R_T引脚)和地之间，第七电阻R₇连接在LT3571芯片的升压输出引脚(V_OUT引脚)和监控输入引脚(MONIN引脚)之间；

LT3571芯片的引脚(引脚)和电源输入引脚(V_IN引脚)分别与+5V外接电源连接，频率同步引脚(SYNC引脚)和GND引脚接地；LT3571芯片的APD输出引脚(APD引脚)与雪崩光电探测器相连，所述偏置电压补偿电路通过LT3571芯片的APD输出引脚向雪崩光电探测器输出偏置补偿电压。

偏置电压补偿电路的实现原理为：

根据理论分析，为了提高雪崩光电探测器在环境温度变化条件下的增益稳定性，需要给雪崩探测器施加一个随温度T线性变化的偏置补偿电压V_C(T)。

偏置补偿电压V_C(T)可以通过利用雪崩探测器的实际参数进行计算获取，也可以通过高低温测试实验的方式获取。

对于实际的雪崩光电探测器，所需的偏置补偿电压V_C(T)可以表示为

V_C(T)＝V_C(T₀)+K₁·(T-T₀)   (3)

式中，T₀为基准温度；K₁为固定温度系数，与实际的雪崩探测器类型有关，可通过实验测试获取；T为实际温度；V_C(T₀)为基准温度T₀时雪崩光电探测器的初始电压，V_C(T)和V_C(T₀)的单位为V。

在偏置电压补偿电路中，当输入的控制端电压V_CTRL(T)小于1V时，输出的偏置电压V(T)与输入的控制端电压V_CTRL(T)之间为线性关系：

$V\left(T\right)=\frac{R_1+R_2}{R_2}{\·V}_{\mathrm{CTRL}}\left(T\right)-5---\left(4\right)$

式中，R₁和R₂分别为第一电阻R₁和第二电阻R₂的阻值，V_CTRL(T)和V(T)的单位为V。

而控制端电压V_CTRL(T)与热敏电阻R_PTC之间的关系为：

$V_{\mathrm{CTRL}}\left(T\right)=\frac{R_3+R_{\mathrm{PTC}}}{R_3+R_{\mathrm{PCT}}+R_4}\·V_{\mathrm{REF}}---\left(5\right)$

式中，R₃和R₄分别为第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值，V_REF为1.22V固定参考电压。R_PTC可以选用正温度系数镍金属膜线性热敏电阻，其阻值参数与温度T有关。

根据式(4)、(5)得到，偏置电压补偿电路输出的偏置电压V(T)可表示为

$V\left(T\right)=\frac{R_1+R_2}{R_2}\·\frac{R_3+R_{\mathrm{PTC}}}{R_3+R_{\mathrm{PCT}}+R_4}\·V_{\mathrm{REF}}-5---\left(6\right)$

当V(T)＝V_C(T)时，即可以为雪崩探测器提供需要的偏置补偿电压。通过计算机数值计算方式计算并确定第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值，使得V(T)＝V_C(T)，即建立了偏置电压补偿电路，其中R_PTC为热敏电阻R_PTC在温度T时的阻值。

对于一种实际的雪崩光电探测器，采用实验测试的方式，可以确定其温度系数K₁＝0.1V/℃，常温25℃时的初始电压V_C(25℃)＝38.4V。

根据实际探测器所需的偏置补偿电压V_C(T)，R_PTC选用4.7kΩ的镍金属膜线性热敏电阻，然后进行计算机数值计算，确定R₁＝1.05MΩ，R₂＝12kΩ，R₄＝7kΩ，R₃＝0Ω，此时生成的偏置补偿电压V(T)与V_C(T)一致，可以实现补偿效果，提高雪崩光电探测器的温度稳定性。

电感L₁的电感值，第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇的阻值由电路的切换频率值、最大输出电流限制值决定。

通过生成具有温度补偿功能的补偿控制电压，经过偏置电压生成部分的直流放大，生成具有自动温度补偿功能的偏置补偿电压，可以提高雪崩光电探测器增益的温度稳定性。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种偏置电压补偿电路，其特征在于：包括LT3571芯片、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、热敏电阻R_PTC、电感L₁、第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇；

其中第一电阻R₁连接在LT3571芯片的监控输入引脚和反馈引脚之间，第二电阻R₂连接在LT3571芯片的反馈引脚和地之间；第四电阻R₄连接在LT3571芯片的参考输出引脚和输出控制引脚之间，热敏电阻R_PTC和第三电阻R₃依次串联连接在LT3571芯片的输出控制引脚和地之间；

电感L₁连接在LT3571芯片的电源输入引脚和切换引脚之间，第五电阻R₅连接在LT3571芯片的监控输出引脚和地之间，第六电阻R₆连接在LT3571芯片的切换频率引脚和地之间，第七电阻R₇连接在LT3571芯片的升压输出引脚和监控输入引脚之间；

LT3571芯片的关闭引脚和电源输入引脚分别与+5V外接电源连接，频率同步引脚接地；LT3571芯片的APD输出引脚与雪崩光电探测器相连，所述偏置电压补偿电路通过LT3571芯片的APD输出引脚向雪崩光电探测器输出偏置补偿电压。

2.根据权利要求1所述的一种偏置电压补偿电路，其特征在于：所述偏置电压补偿电路中的热敏电阻R_PTC为正温度系数镍金属膜线性热敏电阻。

3.根据权利要求2所述的一种偏置电压补偿电路，其特征在于：所述偏置电压补偿电路中的第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值的确定方式如下：

V_C(T)＝V_C(T₀)+K₁·(T-T₀)

$V\left(T\right)=\frac{R_1+R_2}{R_2}\·\frac{R_3+R_{\mathrm{PTC}}}{R_3+R_{\mathrm{PCT}}+R_4}\·V_{\mathrm{REF}}-5$

通过数值计算方式确定满足V(T)＝V_C(T)的第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值；

其中，T₀为基准温度，K₁为温度系数，K₁的取值与雪崩探测器类型有关；T为实际温度，V_C(T)为雪崩光电探测器需要的偏置补偿电压，V_C(T₀)为基准温度T₀时雪崩光电探测器的初始电压；

R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄的阻值，R_PTC为热敏电阻R_PTC在温度T时的阻值，V_REF为1.22V固定参考电压，V(T)为偏置电压补偿电路输出的偏置补偿电压。

4.根据权利要求1所述的一种偏置电压补偿电路，其特征在于：所述电感L₁的电感值，第五电阻R₅、第六电阻R₆和第七电阻R₇的阻值由电路的切换频率值、最大输出电流限制值决定。