CN104635825A - 纯模拟电路控制的apd偏压温补电路及激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其包括APD、低压压控高压LDO模块、输出电压反馈模块、变阻器模块、误差放大器模块和模拟温度传感器；低压压控高压LDO模块的输出端分别与APD的阴极、输出电压反馈模块的输入端相接；电压反馈模块的输出端、变阻器模块的输出端、以及模拟温度传感器的输出端均与误差放大器模块的输入端相接；误差放大器模块的输出端与低压压控高压LDO模块的输入端相接。本发明中涉及的各个模块只需使用电阻、电容、场效应管以及误差放大器等模拟电路元件，元件成本较低，有利于降低整个电路的成本；而且由于本发明是纯模拟电路，不会引入额外噪声，相对于现有技术，整个电路的噪声明显较少。

Description

纯模拟电路控制的APD偏压温补电路及激光测距系统

技术领域

本发明涉及APD电路应用领域，具体涉及一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，以及应用该APD偏压温补电路的激光测距系统。

背景技术

APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)广泛应用于激光测距、安检设备、运动控制、分析仪器、生物医疗、光通信、军事、航空航天、光通讯等领域。其中，在激光测距领域使用的APD电路中，非制冷的APD的M值(倍增系数)会随着温度的上升而减小，如果不进行偏压温度补偿，APD偏压输出的幅度会相应的减小。而这种减小对于基于飞行时间测量的激光测距系统来说是致命的。因而，为了保持APD的M值不变，APD的偏压就要随着温度的升高而相应的升高。

现有技术中主要通过两种方案的APD偏压温补(即温度补偿)电路来保持APD的M值不变，请参考图1和图2，图1中的电路主要包括模拟温度传感器、模数转换器(ADC)、单片机(MCU)、可控偏压电路和APD(APD阳极用于接光电转换电路)，图2中的电路主要包括数字温度传感器、单片机(MCU)、可控偏压电路和APD(APD阳极用于接光电转换电路)。两种方案的原理都是：由单片机(MCU)通过读取APD上的温度传感器的温度信息，从而得到一个相应的偏压控制信号，输出给可控偏压电路进行控制。

由此可知，无论是应用模拟温度传感器还是应用数字温度传感器，现有技术中的温补偿电路都需要单片机这一数字元件来读取温度信息，并输出与温度信息相对应的控制信号给可控偏压电路进行控制。这便至少导致了两种缺陷，一是由于使用了单片机等成本相对较高的元件，会使整个电路的成本大大提高；二是由于引入了数字元件，噪声也随之而来。单片机往往都工作在几十MHZ的工作频率，APD的模拟信号上肯定会被耦合进这种几十MHZ的噪声，而这种噪声势必会减小APD偏压输出信号的信噪比，从而会大大降低APD检测微弱光信号的能力。

发明内容

本发明针对现有技术中APD偏压温补电路成本较高，以及容易引入较多额外噪声，导致APD检测微弱光信号的能力降低的技术问题，提供一种成本较低、噪声较少的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路。

本发明提出的一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其包括APD、低压压控高压LDO模块、输出电压反馈模块、变阻器模块、误差放大器模块和模拟温度传感器；所述低压压控高压LDO模块的输出端分别与所述APD的阴极、所述输出电压反馈模块的输入端相接；所述电压反馈模块的输出端、所述变阻器模块的输出端、以及所述模拟温度传感器的输出端均与所述误差放大器模块的输入端相接；所述误差放大器模块的输出端与所述低压压控高压LDO模块的输入端相接；使用时，所述差放大器模块将所述输出电压反馈模块的输出电压和所述模拟温度传感器的输出电压进行误差比较，并将比较结果与所述变阻器模块输出的调整电压相结合输入所述低压压控高压LDO模块中，由所述低压压控高压LDO模块控制所述APD的偏压输出。

优选的，所述低压压控高压LDO模块具体包括场效应管和第一电阻；所述场效应管的漏栅接入固定高电压，栅极接所述误差放大器模块的输出端，源极分别接所述APD的阴极、所述输出电压反馈模块的输入端、以及所述第一电阻的一端；所述第一电阻的另一端接地。

优选的，所述误差放大器模块具体包括误差放大器和第二电阻，所述第二电阻接于所述误差放大器的输出端和反相输入端之间；所述误差放大器的输出端与所述场效应管的栅极相接，同相输入端与所述模拟温度传感器的输出端相接，反相输入端还分别与所述输出电压反馈模块的输出端、变阻器模块的输出端相接。

优选的，所述输出电压反馈模块具体包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻一端与所述场效应管的源极相接，另一端分别与所述误差放大器的反相输入端以及所述第四电阻的一端相接；所述第四电阻的另一端接地。

优选的，所述变阻器模块具体包括第五电阻和变阻器，所述第五电阻一端与所述误差放大器的反相输入端相接，另一端与所述变阻器变阻连接；所述变阻器第一端接电源，第二端接地。

相应的，本发明还提出了一种激光测距系统，其包括上述任一项纯模拟电路控制的APD偏压温补电路

有益效果：本发明提出的一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其可通过差放大器模块将所述输出电压反馈模块的输出电压和所述模拟温度传感器的输出电压进行误差比较，并将比较结果与所述变阻器模块输出的调整电压相结合输入所述低压压控高压LDO模块中，由所述低压压控高压LDO模块控制所述APD的偏压输出，从而可以实现APD的偏压输出随着温度的升高而相应的升高，使得APD的M值不变。本发明中涉及的各个模块只需使用电阻、电容、场效应管以及误差放大器等模拟电路元件，元件成本较低，有利于降低整个电路的成本；而且由于本发明是纯模拟电路，不会引入额外噪声，相对于现有技术，整个电路的噪声明显较少，并且不会降低APD检测微弱光信号的能力。

附图说明

图1为现有技术中APD偏压温补电路的一种电路结构及原理示意图。

图2为现有技术中APD偏压温补电路的另一种电路结构及原理示意图。

图3为本发明提出的一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路实施例的电路结构及原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。

请参阅图3，本发明提出的一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路实施例，其包括APD、低压压控高压LDO模块、输出电压反馈模块、变阻器模块、误差放大器模块和模拟温度传感器；所述低压压控高压LDO模块的输出端分别与所述APD的阴极(在激光测距系统中，APD的阳极用于与相应的光电转换电路的元件连接)、所述输出电压反馈模块的输入端相接；所述电压反馈模块的输出端、所述变阻器模块的输出端、以及所述模拟温度传感器的输出端均与所述误差放大器模块的输入端相接；所述误差放大器模块的输出端与所述低压压控高压LDO模块的输入端相接；使用时，所述差放大器模块将所述输出电压反馈模块的输出电压和所述模拟温度传感器的输出电压进行误差比较，并将比较结果与所述变阻器模块输出的调整电压相结合输入所述低压压控高压LDO模块中，由所述低压压控高压LDO模块控制所述APD的偏压输出。

本实施例提出的一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其可通过差放大器模块将所述输出电压反馈模块的输出电压和所述模拟温度传感器的输出电压进行误差比较，并将比较结果与所述变阻器模块输出的调整电压相结合输入所述低压压控高压LDO模块中，由所述低压压控高压LDO模块控制所述APD的偏压输出，从而可以实现APD的偏压输出随着温度的升高而相应的升高，使得APD的M值不变。本实施例中涉及的各个模块只需使用电阻、电容、场效应管以及误差放大器等模拟电路元件，元件成本较低，有利于降低整个电路的成本；而且由于本发明是纯模拟电路，不会引入额外噪声，相对于现有技术，整个电路的噪声明显较少，并且不会降低APD检测微弱光信号的能力。

为了更好地实现本实施例的目的，本实施例对所述低压压控高压LDO模块做了优化设计，具体的，所述低压压控高压LDO模块包括场效应管M1和第一电阻R1；所述场效应管M1的漏栅接入固定高电压(优选为250V)，栅极接所述误差放大器模块的输出端，源极分别接所述APD的阴极、所述输出电压反馈模块的输入端、以及所述第一电阻R1的一端；所述第一电阻R1的另一端接地。

相应的，为了更好地实现本实施例的目的，本实施例对所述误差放大器模块做了优化设计，具体的，所述误差放大器模块包括误差放大器U1和第二电阻R2，所述第二电阻R2接于所述误差放大器U1的输出端和反相输入端之间；所述误差放大器U1的输出端与所述场效应管M1的栅极相接，同相输入端与所述模拟温度传感器的输出端相接，反相输入端还分别与所述输出电压反馈模块的输出端、变阻器模块的输出端相接。

相应的，为了更好地实现本实施例的目的，本实施例对所述输出电压反馈模块做了优化设计，具体的，所述输出电压反馈模块包括第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3一端与所述场效应管M1的源极相接，另一端分别与所述误差放大器U1的反相输入端以及所述第四电阻R4的一端相接；所述第四电阻R4的另一端接地。

相应的，为了更好地实现本实施例的目的，本实施例还对所述变阻器模块做了优化设计，具体的，所述变阻器模块包括第五电阻R5和变阻器RI，所述第五电阻R5一端与所述误差放大器U1的反相输入端相接，另一端与所述变阻器RI变阻连接(调节第五电阻R5与变阻器RI的连接点可改变变阻器RI的接入阻值)；所述变阻器RI第一端接电源，第二端接地。

基于上述各个模块的具体电路结构，以下对本实施例的实现过程和技术优点做进一步详细介绍：

本实施例实质上是让APD的偏压输出随着温度的变化而线性的变化，从而达到稳定倍增系数M的作用。本实施例的温补曲线可以由y＝kx+b来表示，其中，y是APD的偏压输出电压；x是模拟温度传感器的输出电压，这个电压跟温度成线性关系；曲线的斜率k是温补系数，该温补系数k受误差放大器U1的增益系数的影响，因此可以在在误差放大器U1里面设置；而截距b受所述变阻器模块的影响，可以通过调节变阻器RI的接入阻值来改变该截距b的值。

1、关于温补系数k值：

K的单位为：V/℃，这个系数可以在APD的手册里面查到，只要是同一种APD，这个温补系数k的值便是固定的，因此可在误差放大器U1对其增益系数进行设置，使该增益系数能够使k的值与电路中所用的APD的温补系数相同即可。

2、关于截距b值：

b值决定着APD工作时所保持的倍增系数M，可以根据实际使用情况调高或者调低(本实施例可以通过调节变阻器RI的接入阻值来改变该截距b值)。但是，M值不是越大越好，因为这个需要根据APD输出信号的信噪比来决定，实际工作的M值往往要比APD手册标称的典型值略低。而且每个APD的最佳工作M值都不一样，这就需要根据每个APD实际工作情况来调整。

3、本实施例整个电路的工作流程是：

误差放大器把输出电压反馈模块的电压和模拟温度传感器的输出电压进行误差比较得到一个误差电压，这个误差电压再加上变阻器模块(温补曲线截距设置)的电压合并输出一个电压，输入到压控LDO(本实施例中指低压压控高压LDO模块中的场效应管M1)；由于这个压控LDO是由低电压来控制的，它的高压输出可以很好的反映误差放大器U1的输出电压。通过这种反馈网络，可以使压控LDO的输出电压(也即APD的偏压输出)随着温度线性变化，从而使得APD的M值在很大的温度波动范围内仍保持稳定。

4、举例说明：

以常见的APD C30737为例，温度系数k是1.3V/℃。假设APD在25℃的时加150V的偏压(即b＝150V)，M值为100。如果APD温度升高1℃，偏压必须升高到151.3V(即y＝151.3V)，才能保证M值为100。如果还是保持偏压为150V，M值会下降。本实施例所设计的电路，能自动的把偏压调整到151.3V。同理，如果APD温度上升到65℃，偏压就必须升高(65-25)*1.3＝52V，从而APD的偏压就必须从150V升高到202V。整个变化过程，都是由纯模拟元件来完成的，电路噪声很低。

5、技术优点：

(1)噪声低：

由于该补偿电路里面没有任何数字芯片，从而就没有任何干扰源。电路整体噪声非常低。

(2)物料成本低：

误差放大器、三极管、电阻和电容的成本要比现有技术中的模数转换器(ADC)加上单片机的成本低得多，大约仅为后者的五分之一。而且同封装可替代的选择也很多，对于保障生产有着很重要的意义。ADC和单片机同封装可替代的非常少，如果无法供货，生产就得停下来，PCB需要改版，程序也有可能需要重新编写。这样就增加了产品质量不稳定性的风险。

(3)生产成本低：

由于是纯模拟的电路，不需要烧写程序。而且电路适用于任何APD，稍作微调，就可以使用，不像单片机控制的那样需要对每种APD单独烧写一个程序，生产成本相当低廉。

相应的，本发明还提出了一种激光测距系统实施例，其包括上述任一设计的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，本实施例的电路结构、实现过程以及有益效果均可参考上述纯模拟电路控制的APD偏压温补电路实施例中的描述，这里不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其特征在于，包括APD、低压压控高压LDO模块、输出电压反馈模块、变阻器模块、误差放大器模块和模拟温度传感器；所述低压压控高压LDO模块的输出端分别与所述APD的阴极、所述输出电压反馈模块的输入端相接；所述电压反馈模块的输出端、所述变阻器模块的输出端、以及所述模拟温度传感器的输出端均与所述误差放大器模块的输入端相接；所述误差放大器模块的输出端与所述低压压控高压LDO模块的输入端相接；使用时，所述差放大器模块将所述输出电压反馈模块的输出电压和所述模拟温度传感器的输出电压进行误差比较，并将比较结果与所述变阻器模块输出的调整电压相结合输入所述低压压控高压LDO模块中，由所述低压压控高压LDO模块控制所述APD的偏压输出。

2.根据权利要求1所述的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其特征在于，所述低压压控高压LDO模块具体包括场效应管和第一电阻；所述场效应管的漏栅接入固定高电压，栅极接所述误差放大器模块的输出端，源极分别接所述APD的阴极、所述输出电压反馈模块的输入端、以及所述第一电阻的一端；所述第一电阻的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其特征在于，所述误差放大器模块具体包括误差放大器和第二电阻，所述第二电阻接于所述误差放大器的输出端和反相输入端之间；所述误差放大器的输出端与所述场效应管的栅极相接，同相输入端与所述模拟温度传感器的输出端相接，反相输入端还分别与所述输出电压反馈模块的输出端、变阻器模块的输出端相接。

4.根据权利要求3所述的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其特征在于，所述输出电压反馈模块具体包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻一端与所述场效应管的源极相接，另一端分别与所述误差放大器的反相输入端以及所述第四电阻的一端相接；所述第四电阻的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路，其特征在于，所述变阻器模块具体包括第五电阻和变阻器，所述第五电阻一端与所述误差放大器的反相输入端相接，另一端与所述变阻器变阻连接；所述变阻器第一端接电源，第二端接地。

6.一种激光测距系统，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的纯模拟电路控制的APD偏压温补电路。