CN106767938B - 一种apd偏置电压温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电检测技术领域，公开了一种APD偏置电压温度补偿电路，包括：升压电路单元，APD以及温度补偿电路单元；其中，升压电路单元至少包括升压转换芯片和第一电阻，第一电阻一端接升压转换芯片的电压调节反馈端，另一端接APD的阴极，并形成温度补偿电路的电压输出端；温度补偿电路单元包括：第二电阻、第三电阻以及负温度系数热敏电阻，第二电阻和负温度系数热敏电阻串联，第三电阻与第二电阻和负温度系数热敏电阻并联，第三电阻连接在升压转换芯片的电压调节反馈端和地之间。本发明能够对APD的偏置电压进行补偿，使其随工作温度的变化而变化，提高APD增益稳定性。

Description

一种APD偏置电压温度补偿电路

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种APD偏置电压温度补偿电路。

背景技术

近年来为探测到更微弱的光信号，高速光电检测电路广泛采用雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)作为光电检测器，APD是在光电信号变换中的重要桥梁。

由于，高速光电检测电路中光模块的工作电压一般为3.3V或5V，而APD所需的工作电压高达几十伏，因此为保证APD的正常工作，需引入高压驱动电路来对APD进行升压。目前，APD高压驱动电路大部分直接采用能够实现DC/DC转换功能的专用升压芯片进行升压或倍压来达到APD的击穿电压，或者直接采用微控制器(Micro Controller Unit，MCU)控制升压电路输出高压信号，使得APD接收器获得足够的击穿电压达到雪崩状态，产生倍增效应。APD获取足够的击穿电压，达到雪崩状态后，即会将接收到的微弱光信号转换成电信号，并将转换成的电信号传递给光电检测系统的其他器件进行处理，以实现对该微弱光信号的探测。然而，由于实际应用中环境温度的变化对APD的特性影响很大，导致现有的APD高压驱动电路往往很难长时间稳定工作。具体来说，击穿电压V_B为温度T的函数，因此当环境温度变化时，击穿电压V_B会随之变化；而根据理论研究，APD的倍增因子M与偏置电压V(也称高压)及击穿电压V_B存在以下关系：(n介于1到3之间，它由APD的具体材料有关，在室温时可认为是固定值)，因此若击穿电压V_B发生变化而APD的偏置电压V不变，则倍增因子M即会随击穿电压V_B的变化而变化。即，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APD的电流增益变化，导致APD的增益稳定性变差。

发明内容

为此，本发明提供了一种APD偏置电压的温度补偿电路，以至少解决现有的APD高压驱动电路由于APD温度特性的影响而无法长时间稳定工作的问题，能够对APD的偏置电压进行补偿，使其随工作温度的变化而变化，提高APD增益稳定性，从而提高APD的光电检测性能的精确度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种APD偏置电压的温度补偿电路，包括：升压电路单元，APD以及温度补偿电路单元；其中，升压电路单元至少包括升压转换芯片和第一电阻，第一电阻一端接升压转换芯片的电压调节反馈端，另一端接APD的阴极，并形成温度补偿电路的电压输出端；温度补偿电路单元包括：第二电阻、第三电阻以及负温度系数热敏电阻，第二电阻和负温度系数热敏电阻串联，第三电阻与第二电阻和负温度系数热敏电阻并联，第三电阻连接在升压转换芯片的电压调节反馈端和地之间。

基于本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路，采用负温度系数热敏电阻设计温度补偿电路单元，进而利用温度补偿电路单元实现了对APD偏置电压的补偿，在满足能正常驱动APD同时，能够有效的将环境温度的变化反映到升压转换芯片的输入反馈电压处，从而实现对APD升压电路单元输出的电压进行不断自适应反馈调节，使其随工作温度的变化而变化，使APD增益稳定性得以提高，从而提高APD的光电检测性能的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种APD偏置电压的温度补偿电路的组成结构图一；

图2为本发明实施例提供的一种APD偏置电压的温度补偿电路的组成结构图二；

图3为本发明实施例提供的一种APD偏置电压的温度补偿电路的组成结构图三；

图4为本发明实施例中验证实验的结果图，其中，横坐标表示温度值(单位为℃)，纵坐标表示电压值(单位为V)，实线y＝Vapd为APD最佳工作电压随温度变化曲线，虚线y＝Vout为温度补偿后电路输出电压随温度变化曲线；

图1-3中，FBX电压调节反馈引脚，EN使能引脚，Vin电源输入引脚，SW内部电源转换输出引脚，INTVcc内部稳压载荷供应引脚，GND接地引脚。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

图1所示为本发明实施例提供的一种APD偏置电压的温度补偿电路的组成结构图。

参见图1，本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路包括：升压电路单元10，APD 20以及温度补偿电路单元30。

其中，升压电路单元10至少包括升压转换芯片和第一电阻R1，第一电阻R1一端接升压转换芯片的电压调节反馈端，另一端接APD 20的阴极，并形成温度补偿电路的电压输出端。其中，APD 20的阳极接入用于探测光信号的高速光电检测电路。

温度补偿电路单元30包括：第二电阻R2、第三电阻R3以及负温度系数热敏电阻R_T。第二电阻R2和负温度系数热敏电阻R_T串联，第三电阻R3与第二电阻R2和负温度系数热敏电阻R_T并联，第三电阻R3连接在升压转换芯片的电压调节反馈端(图1中FBX即电压调节反馈端)和地之间。

其中，升压电路单元10中的升压转换芯片具体可以是LT1930、LT8330、LT8580等系列芯片，也可以是LTC33986、LTC3704等系列芯片，本发明实施例对此不作具体限定。

进一步的，如图2所示，本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路中，升压电路单元10还可以包括第一电感L1、二极管以及第一电容C1。其中，升压转换芯片的电源输入引脚和使能引脚分别与+5V外接电源连接，接地引脚接地；第一电感L1连接在升压转换芯片的电源输入引脚和切换引脚之间；二极管的阳极接升压转换芯片的电源输入引脚，阴极接APD 20的阴极；第一电容C1连接在+5V外接电源和地之间。

需要说明的是，图2中，“FBX”表示升压转换芯片的电压调节反馈引脚，“EN”表示升压转换芯片的使能引脚，“Vin”表示升压转换芯片的电源输入引脚，“SW”表示升压转换芯片的内部电源转换输出引脚，“INTVcc”表示升压转换芯片的内部稳压载荷供应引脚，“GND”表示升压转换芯片的接地引脚。

优选的，如图3所示，本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路中，升压电路单元10还可以包括第二电感L2、第二电容C2、第三电感L3以及第三电容C3。其中，第二电容C2连接在升压转换芯片的内部稳压载荷供应引脚和地之间，第二电感L2连接在+5V外接电源与升压转换芯片的使能引脚之间，第三电感L3连接在二极管与APD 20的阴极之间，第三电容C3连接在APD 20的阴极和地之间。

基于图3所示的APD 20偏置电压的温度补偿电路，第二电感L2和第二电容C2以及第三电感L3和第三电容C3可以分别构成滤波电路，以保留电路中的直流成分，滤除交流成分，变成平滑直流电，避免交流成分对APD 20偏置电压的补偿造成干扰。

优选的，本发明实施例提供的APD 20偏置电压的温度补偿电路的电压输出端的输出电压为：

式中，V_out表示温度补偿电路的电压输出端的输出电压，R1表示第一电阻R1的阻值，R2表示第二电阻R2的阻值，R3表示第三电阻R3的阻值，//表示电阻并联，T表示APD2020的工作温度，R(T)表示负温度系数热敏电阻在温度为T时的阻值。

其中，负温度系数热敏电阻在温度为T时的阻值具体可通过查询手册获得，通常，负温度系数热敏电阻的阻值和温度满足以下公式：

R(T)＝exp(-aT+c)，

式中，exp()表示以自然对数e为底数的指数函数，a和c为常数，a＞0，c＞0。一般而言，常见的负温度系数热敏电阻对应的a为0.0437，c为18.32。

具体的，当APD的工作温度为T时，APD 20的偏置电压为：

V＝V₀+δ(T-T₀)，

式中，V表示偏置电压，δ表示APD的温度系数，T₀表示基准温度，V₀表示基准温度时APD的最佳工作电压。

其中，APD的温度系数表示当APD的工作温度增加1℃，为维持APD倍增因子不变，其偏置电压需增加的幅度；APD在某一工作温度下的最佳工作电压表示在该工作温度下为了使APD的倍增因子达到最大所需的偏置电压。需要说明的是，APD的信号不同时，其对应的温度系数及最佳工作电压有所不同，APD的温度系数及最佳工作电压具体可通过设备手册获得。基准温度也可根据设备手册里的相关参数进行设置，简便起见，可选择室温(25℃)作为基准温度。

示例性的，型号为LSIAPD 20-S200的APD对应的温度系数为0.12V/℃(即δ＝0.12V/℃)，其在室温(25℃)时的最佳工作电压为46V，因此可将25℃选作为基准温度T₀，将25℃时APD的最佳工作电压46V选作对应的V₀。

优选的，本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路中，第一电阻的阻值R1、第二电阻的阻值R2及第三电阻的阻值R3满足如下方程组：

式中，f′(0)＝d(f(0))²R(T₀)，f″(0)＝2a²(f(0))³(R(T₀))²-a²(f(0))²R(T₀)，R(T₀)表示负温度系数热敏电阻在温度为T₀时的阻值。

以下给出上式的推导过程如下：

对APD作需要的偏置电压进行温度补偿，即是使本发明实施例提供的温度补偿电路最终的输出电压V_out等于APD当前工作温度下所需的偏置电压V，即令：

V_out＝V 公式(1)

而V＝v₀+δ(T-T₀)，因此有：

令T-T₀＝ΔT，则公式(2)可变换为如下所示的公式(3)：

进一步的，为实现对APD偏置电压的线性温度补偿，需使APD的偏置电压随温差线性变化，因此令公式(3)等号的左、右边部分均分别等于(kΔT+b)，则有：

对公式(4)等号左边进行变换，即可得到如下所示的公式(6)：

对照公式(6)等号的左右两边，可以得出：

同时，对公式(5)进行简化，可得到如下所示的公式(7)：

令则 利用泰勒级数二阶展开式，对公式(7)等号左右两边在ΔT＝0处进行展开，可得到如下所示的公式(8)：

对照公式(8)左右两边，即得到如公式(9)所示的方程组：

公式(9)所示的方程组即第一电阻、第二电阻及第三电阻的阻值需满足的关系式，求解公式(9)即可得到第一电阻、第二电阻及第三电阻的阻值，即R1、R2及R3。

示例性的，当选用型号为LT8330芯片作为升压转换芯片，且APD的型号为LSIAPD20-S200时，将APD及负温度系数热敏电阻的相关参数带入公式(9)，可以确定第一电阻的阻值R1＝68.65×10³Q，第二电阻的阻值R2＝10⁴，第三电阻的阻值R3＝2.82×10³。

基于本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路，采用负温度系数热敏电阻设计温度补偿电路单元，进而利用温度补偿电路单元实现了对APD偏置电压的补偿，在满足能正常驱动APD同时，能够有效的将环境温度的变化反映到升压转换芯片的输入反馈电压处，从而实现对APD升压电路单元输出的电压进行不断自适应反馈调节，使其随工作温度的变化而变化，使APD增益稳定性得以提高，从而提高APD的光电检测性能的精确度。

进一步的，为说明本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路的上述有益效果，发明人还进行了如下验证实验：

使用型号为LT8330的升压转换芯片，型号为LSIAPD 20-S200的APD，按照本发明实施例中图3所示的电路图搭建电路，改变APD的工作温度，并测量电路的输出电压值，进而绘制电路输出电压随工作温度变化曲线，并将该曲线与APD最佳工作电压随温度变化的曲线进行对比。

图4为实验结果图，图中实线y＝Vapd为APD最佳工作电压随温度变化曲线，图中虚线y＝Vout为温度补偿后电路输出电压随温度变化曲线。观察两条曲线，可以发现，经温度补偿后电路输出电压随温度变化曲线与APD最佳工作电压随温度变化曲线基本重合，二者仅有微小差别，可以得出结论：本发明实施例提供的APD偏置电压的温度补偿电路在满足能正常驱动APD同时，能够有效的将环境温度的变化反映到升压转换芯片的输入反馈电压处，实现对APD升压电路单元输出的电压进行不断自适应反馈调节，使其随工作温度的变化而变化。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种APD偏置电压的温度补偿电路，其特征在于，包括：升压电路单元，APD以及温度补偿电路单元；其中，所述升压电路单元至少包括升压转换芯片和第一电阻，所述第一电阻一端接所述升压转换芯片的电压调节反馈端，另一端接所述APD的阴极，所述第一电阻一端形成所述温度补偿电路的电压输出端；所述温度补偿电路单元包括：第二电阻、第三电阻以及负温度系数热敏电阻，所述第二电阻和所述负温度系数热敏电阻串联，所述第三电阻与所述第二电阻和所述负温度系数热敏电阻并联，所述第三电阻连接在所述升压转换芯片的电压调节反馈端和地之间；

所述温度补偿电路的电压输出端的输出电压为：所述负温度系数热敏电阻的阻值R(T)＝exp(-aT+c)，当所述APD的工作温度为T时，所述APD的偏置电压为：V＝V₀+δ(T-T₀)，所述第一电阻的阻值R1、所述第二电阻的阻值R2以及所述第三电阻的阻值R3满足如下方程组：

其中，V_out表示温度补偿电路的电压输出端的输出电压，R1表示第一电阻的阻值，R2表示第二电阻的阻值，R3表示第三电阻的阻值，//表示电阻并联，T表示APD的工作温度，R(T)表示负温度系数热敏电阻在温度为T时的阻值，exp()表示以自然对数e为底数的指数函数，a和c为常数，a＞0，c＞0，V表示偏置电压，δ表示APD的温度系数，T₀表示基准温度，V₀表示基准温度时APD的最佳工作电压，式中， f'(0)＝a(f(0))²R(T₀)，

f”(0)＝2a²(f(0))³(R(T₀))²-a²(f(0))²R(T₀)。

2.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述升压电路单元还包括第一电感、二极管以及第一电容；其中，所述升压转换芯片的电源输入引脚和使能引脚分别与+5V外接电源连接，接地引脚接地；所述第一电感连接在所述升压转换芯片的电源输入引脚和切换引脚之间；所述二极管的阳极接所述升压转换芯片的切换引脚，阴极接所述APD的阴极；所述第一电容连接在所述升压转换芯片的内部稳压载荷供应引脚和地之间。

3.根据权利要求2所述的温度补偿电路，其特征在于，所述升压电路单元还包括第二电感、第二电容、第三电感以及第三电容，所述第二电容连接在所述+5V外接电源和地之间，所述第二电感连接在所述+5V外接电源与所述升压转换芯片的使能引脚之间，所述第三电感连接在所述二极管与所述APD的阴极之间，所述第三电容连接在所述APD的阴极和地之间。

4.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，δ＝0.12V/℃，T₀＝25℃，V₀＝46V。