CN104252194A - 一种apd偏压自动调节装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对雪崩光电二极管的偏压进行自动调节装置和方法。提出了通过微控制器单元对雪崩光电二极管的温度进行实时测量，并由微控制器根据获得的温度情况，按照雪崩光电二极管的偏压-温度特性，实时调整雪崩光电二极管的偏置电压，使其保持稳定增益的方法。本发明可以避免为保持雪崩光电二极管增益恒定所需的复杂的温控系统，可以减低探测系统的功耗，提高集成度，易于实现小型化设计，有效拓宽雪崩光电二极管使用温度范围。

Description

一种APD偏压自动调节装置和方法

技术领域

本发明涉及光学和电子工程技术领域，尤其涉及一种对雪崩光电二极管偏压进行自动调整的方法和装置。

背景技术

雪崩光电二极管(以下简称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作用，一个光子可以产生几十甚至上百对光生电子空穴对，从而起到光功率放大的作用。APD的电流增益用倍增因子M表示，通常定义为倍增的光电流i₁与不发生倍增效应时的光电流i₀之比。倍增因子与PN结上所加的反向偏压V和PN结的材料有关，可以表示为：

$M=\frac{i_1}{i_0}=\frac{1}{1-{\left(\frac{V}{V_B}\right)}^n}---\left(1\right)$

其中，V_B为击穿电压；V为外加反向偏压；n为1～3，取决于半导体材料、掺杂分布以及辐射波长。所以，当外加反向偏压V增加到接近V_B时，M将趋近于无穷大，此时PN结将发生击穿。应用中，最佳工作电压不宜超过V_B。

雪崩光电二极管工作在反向偏压下。在一定温度条件下，偏压越高，产生的光电子空穴对越多。APD放大增益的稳定性受其内部温度变化影响严重，而增益不稳定会直接影响采集信号的准确度。雪崩光电二极管的击穿电压V_B与器件的工作温度有关，当温度升高时，击穿电压V_B会增大。理论上可以证明，雪崩光电二极管的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定APD工作时的增益。

实际情况中，APD受到温度漂移的影响是诸多影响信号采集因素中较为严重的，温度变化的条件下，采集信号的增益是不稳定的。

在APD用于传感测量等需要准确获得输入微弱光功率信号强度时，其增益的稳定性尤为重要，否则极易造成测量信号失真和畸变，因此，需要采取相应的控制方法实现APD增益的稳定控制。

目前，APD增益稳定控制方法大多采用温度控制的方法，即通过热交换设备，对APD进行恒温控制，通过加热或制冷维持APD管的工作温度不变。这种方法需要加热制冷设备或器件，对温控精度要求较高，工作时功耗较大，结构复杂，环境温度适应能力有限；专利(CN 102098016 A)中出一种通过维持采集信号的强度稳定性来动态调整APD偏压的方法，有效避免了温度控制方法的缺点，但该方法适用于通讯系统中数字信号的传输，在光纤传感等需要严格准确获取光信号强度的场合中，并不适用。

发明内容

本发明的目的在于，为克服APD温度控制方案技术的不足，提出一种基于偏压自动调整以获得APD稳定增益的控制方法和装置，以解决APD的增益稳定问题，实现光传感等领域中，微弱信号探测不发生畸变和失真。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种APD偏压自动调节装置，其特征在于包括：微控制器单元(1)、温度测量单元(2)、雪崩光电二极管(APD)(3)、偏压幅度控制单元(4)、热量平衡结构(5)、偏压产生电路(6)、低压直流电源系统(7)及APD探测电路(8)；所述的雪崩光电二极管(3)(APD)的负极连接到偏压产生电路(6)的输出端Vapd，Vapd为25V～70V的高压，其电压幅度通过偏压幅度控制单元(4)进行控制。从而实现APD偏压的动态调整；所述雪崩光电二极管(3)和温度测量单元(2)共同安装于热量平衡结构(5)上；所述温度测量单元(2)和偏压幅度控制单元(4)与微控制器单元(1)的信号引脚相连，微控制器单元(1)存储有APD管的温度-偏压特征曲线，并控制温度测量单元(2)与偏压幅度控制单元(4)进行工作，微控制器单元(1)通过温度测量单元(2)得到的当前温度，根据温度-偏压特征曲线计算得到当前所需最佳偏压，再经由偏压幅度控制单元(4)使得偏压产生电路(6)产生该最佳偏压；所述低压直流电源系统(7)，为调节装置中的电路提供供电；所述APD探测电路(8)对APD输出信号进行放大。

所述的热量平衡结构(5)采用硬铝(2A12)金属材料，车削为立方体，其体积为APD管的3～5倍，并在立方体中间位置制备与APD管(5-1)外形匹配的装配孔位即APD为圆柱形同轴尾纤结构，使得APD嵌入其中，导热体底面与设备或系统外壳通过安装孔(5-2)紧密连接，同时贴近APD管壁处预留温度测量探头(5-4)的安装凹槽，APD管(5-1)、温度测量探头(5-4)与导热块(5-3)安装时，利用导热硅脂对装配缝隙进行密封。

所述的偏压产生电路(6)，是利用低压直流电源(3V-5V)，经由开关电源技术产生25～70V直流高压的升压系统，该偏压产生电路(6)的输出电压可以通过偏压幅度控制单元(4)进行调整。

一种雪崩光电二极管偏压自动调节的方法，包括如下步骤：

第一步，试验测试得到雪崩光电二极管(3)的偏压-温度特性曲线；

第二步，将所述偏压-温度特性曲线保存在微控制器单元(1)中；

第三步，温度测量单元(2)与雪崩光电二极管(3)通过热量平衡结构(5)进行组合装配，使得温度测量单元(2)如实反映雪崩光电二极管(3)的温度；

第四步，微控制器单元(1)通过控制温度测量单元(2)，按照一定的频率进行测量，得到雪崩光电二极管(3)的温度；

第五步，微控制器单元(1)根据测量得到的雪崩光电二极管(3)的温度，带入保存的APD偏压-温度特性曲线，计算得到期望的最佳偏压值，再通过偏压幅度控制单元(4)调整偏压产生电路(6)，得到该最佳偏压，从而实现对雪崩光电二极管(3)偏压的动态调整。

所述第一步中的雪崩光电二极管(3)的偏压-温度特性曲线的获得方法，是通过在高低温环境下进行试验，保持雪崩光电二极管(3)的输出信号噪声水平一致的方法获得的。具体过程：将上述的APD偏压自动调节装置放于温箱中，取-5℃～45℃的温度区间，每隔5℃取一个测试点，每个测试点温度稳定后，调整偏压产生电路(6)，使得雪崩光电二极管(3)的输出信号噪声维持在固定的水平且APD管不产生自激，记录各温度点对应的偏压值。待各温度点测量完成后，根据温度和偏压数据拟合出偏压-温度特性曲线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的特点在于解决APD恒定温度控制方法的复杂性和局限性，通过直接测定APD所处的微环境的温度，根据APD的温度-偏压特性曲线，动态调整APD管在当前温度条件下的最佳偏压，从而使APD获得稳定增益。

(2)由于本发明通过调整偏压方式稳定增益，所以不需要传统温度控制方法中的加热/制冷器件，功耗低，组装方便，可靠性高。通过事先测得的APD温度-偏压曲线，可以有效地控制APD的增益，从而使得信号输出真实有效地反映输入信号的特征，有效减小信号失真和畸变。在光传感等需要严格准确获得输入光功率变化信息的条件下，该方法具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明的APD增益稳定调节装置框图；

图2本发明的偏压产生电路框图；

图3本发明的APD探测电路框图；

图4本发明的控制流程图；

图5a、5b和5c为本发明的APD热量平衡结构，其中：图5a APD探测器示意图，图5b APD热平衡结构示意图，图5c APD探测器与热平衡结构组装示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明APD偏压自动调节装置的框图，装置由微控制器单元1、温度测量单元2、雪崩光电二极管APD3、偏压幅度控制单元4、热量平衡结构5、偏压产生电路6、低压直流电源系统7及APD探测电路8等组成。其中雪崩光电二极管3APD的负极连接到偏压产生电路6的输出端Vapd，Vapd为25V～70V的高压，其电压幅度可通过偏压幅度控制单元4进行控制。从而实现APD偏压的动态调整；雪崩光电二极管3和温度测量单元2共同安装于热量平衡结构5上；温度测量单元2和偏压幅度控制单元4与微控制器单元1的信号引脚相连,微控制器单元1存储有APD管的温度-偏压特征曲线，并控制温度测量单元2与偏压幅度控制单元4进行工作，微控制器单元1通过温度测量单元2得到的当前温度，根据温度-偏压特征曲线计算得到当前所需最佳偏压，再经由偏压幅度控制单元4使得偏压产生电路6产生该最佳偏压；低压直流电源系统7，为系统中电路部分提供供电；APD探测电路8对APD输出信号进行放大。

图2是偏压产生电路框图，所述的偏压产生电路，由数值-模拟转换控制器DAC2-1，升压电源控制器芯片2-2，倍压电路2-3，滤波电路2-4，保护电路2-5组成；具体构成是3.3V直流电源为LM1117，数值-模拟转换控制器DAC2-1为MSP430F1611单片机片上外设，升压电源控制器芯片2-2为开关电源转换芯片，型号为max5026，倍压电路2-3为二极管和电容组成的自举电路，滤波电路2-4为RLC无源网络，保护电路2-5为过压保护二极管。

MSP430F1611单片机通过DAC控制max5026的电压调节引脚，使得偏压产生电路的电压输出随着DAC的输出值改变而改变。偏压产生电路的电压调整范围约为25V～70V。

图3所示为APD探测电路框图，所述的APD探测电路由雪崩光电二极管3-1，一级放大电路3-1，二级放大电路3-2依次连接组成；雪崩光电二极管为APD-1300，所述的一级放大电路3-1为THS4601，功能为跨阻放大，将电流信号转换为电压信号，所述的二级放大电路3-2为HS4601，功能为电压信号放大。经两级放大后的信号可直接输出至采集卡或示波器等设备。

图4为本发明的控制流程图，本APD偏压控制装置对APD增益稳定控制的方法，包括下列步骤：

(1)获取APD管的偏压-温度特性曲线。该过程是通过在高低温环境下进行试验，保持雪崩光电二极管3的输出信号噪声水平一致的方法实现的。具体过程：将上述的APD偏压自动调节装置放于温箱中，取-5℃～45℃的温度区间，每隔5℃取一个测试点，每个测试点温度稳定后，调整偏压产生电路6，使得雪崩光电二极管3的输出信号噪声维持在固定的水平且APD管不产生自激，记录各温度点对应的偏压值。待各温度点测量完成后，根据温度和偏压数据拟合出偏压-温度特性曲线。将该特性曲线写入微控制器单元的存储器中。

(2)上电后，系统进行自检，若电路工作正常，则进入偏压控制循环流程，否则程序报错并终止；

(3)若电路状态正常，则微控制器通过温度测量单元获取温度数据，由于热量平衡装置的存在，该温度数据即代表了APD管的实际工作温度；

(4)微控制器根据偏压-温度曲线计算该温度下的期望偏压值；

(5)根据所需的偏压值，通过单片机调整DAC输出，调节偏压生成电路控制端，使得输出偏压达到预期幅值；

(6)重复上述(2)-(4)步骤。

图5a、5b和5c所示，为本发明的APD热量平衡结构，采用导热良好的硬铝2A12等金属材料，车削为立方体，其体积为APD管的3～5倍，并在立方体中间位置制备与APD管5-1外形匹配的装配孔位即APD为圆柱形同轴尾纤结构，使得APD嵌入其中，导热体底面与设备或系统外壳通过安装孔5-2紧密连接，同时贴近APD管壁处预留温度测量探头5-4的安装凹槽，APD管5-1、温度测量探头5-4与导热块5-3安装时，利用导热硅脂对装配缝隙进行密封。

上述装置与现有温度控制装置的区别在于，通过APD的偏压温度特性对不同温度条件下的APD管进行直接偏压调节，使得不同温度下，APD的增益保持一致。这种方法和装置避免了温控方法的不易调节、工作温度范围小、稳定性差等缺点，在光传感等需要严格准确获得输入光功率变化信息的条件下，该方法具有很高的实用价值。

实验表明：本发明能够有效的稳定APD的增益，且直接、可靠、温度使用范围较宽。具有较高的实用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护范围并不局限于前述的具体实施方式，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种APD偏压自动调节装置，其特征在于包括：微控制器单元(1)、温度测量单元(2)、雪崩光电二极管(APD)(3)、偏压幅度控制单元(4)、热量平衡结构(5)、偏压产生电路(6)、低压直流电源系统(7)及APD探测电路(8)；所述的雪崩光电二极管(3)(APD)的负极连接到偏压产生电路(6)的输出端Vapd，Vapd为25V～70V的高压，其电压幅度通过偏压幅度控制单元(4)进行控制。从而实现APD偏压的动态调整；所述雪崩光电二极管(3)和温度测量单元(2)共同安装于热量平衡结构(5)上；所述温度测量单元(2)和偏压幅度控制单元(4)与微控制器单元(1)的信号引脚相连，微控制器单元(1)存储有APD管的温度-偏压特征曲线，并控制温度测量单元(2)与偏压幅度控制单元(4)进行工作，微控制器单元(1)通过温度测量单元(2)得到的当前温度，根据温度-偏压特征曲线计算得到当前所需最佳偏压，再经由偏压幅度控制单元(4)使得偏压产生电路(6)产生该最佳偏压；所述低压直流电源系统(7)，为调节装置中的电路提供供电；所述APD探测电路(8)对APD输出信号进行放大。

2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管偏压自动调节装置，其特征在于：所述的热量平衡结构(5)采用硬铝(2A12)金属材料，车削为立方体，体积为APD管的3～5倍，并在立方体中间位置制备与APD管外形匹配的装配孔位即APD为圆柱形同轴尾纤结构，使得APD嵌入其中，导热体底面与设备或系统外壳通过固定螺丝孔紧密连接，同时贴近APD管壁处预留温度测量探头的安装凹槽，APD管、温度测量探头与热量平衡结构安装时，利用导热硅脂对装配缝隙进行密封。

3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管偏压自动调节装置，其特征在于：所述的偏压产生电路(6)，是利用低压直流电源(3V-5V)，经由开关电源技术产生25～70V直流高压的升压系统，该偏压产生电路(6)的输出电压通过偏压幅度控制单元(4)进行调整。

4.一种雪崩光电二极管偏压自动调节方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，试验测试得到雪崩光电二极管(3)的偏压-温度特性曲线；

第二步，将所述偏压-温度特性曲线保存在微控制器单元(1)中；

第三步，温度测量单元(2)与雪崩光电二极管(3)通过热量平衡结构(5)进行组合装配，使得温度测量单元(2)如实反映雪崩光电二极管(3)的温度；

第四步，微控制器单元(1)通过控制温度测量单元(2)，按照一定的频率进行测量，得到雪崩光电二极管(3)的温度；

第五步，微控制器单元(1)根据测量得到的雪崩光电二极管(3)的温度，带入保存的APD偏压-温度特性曲线，计算得到期望的最佳偏压值，再通过偏压幅度控制单元(4)调整偏压产生电路(6)，得到该最佳偏压，从而实现对雪崩光电二极管(3)偏压的动态调整。

5.根据权利要求4所述的雪崩光电二极管偏压自动调节的方法，其特征在于：所述第一步中的雪崩光电二极管(3)的偏压-温度特性曲线的获得方法，是通过在高低温环境下进行试验，保持雪崩光电二极管(3)的输出信号噪声水平一致的方法获得的，具体过程：将上述的APD偏压自动调节装置放于温箱中，取-5℃～45℃的温度区间，每隔5℃取一个测试点，每个测试点温度稳定后，调整偏压产生电路(6)，使得雪崩光电二极管(3)的输出信号噪声维持在固定的水平且APD管不产生自激，记录各温度点对应的偏压值。待各温度点测量完成后，根据温度和偏压数据拟合出偏压-温度特性曲线。