CN110865674A - 用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统 - Google Patents

用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光电探测器技术领域，公开一种用于调节光电探测器偏置电压的方法。该方法包括：获得光电探测器的探测单元的温度，根据温度调节分流电流，实现对偏置电压的调节，其中，分流支路的分流电流与反馈支路的反馈电流之和为预设值，反馈支路输出偏置电压。在探测单元处于不同的温度时，采取不同的偏置电压，提高了倍增因子M的稳定性，提高了光电探测器的准确性和稳定性。本申请还公开一种用于调节光电探测器偏置电压的装置和光电探测系统。

Description

用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统
技术领域
本申请涉及光电探测器技术领域，例如涉及一种用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统。
背景技术
目前，雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)光电探测器主要利用器件内部载流子的“雪崩”效应，对光电流进行放大，从而实现微弱光的检测，具有电流增益大、灵敏度高、频率响应快等优点。APD光电探测器的电流增益用倍增因子M表示，想要获得足够高的倍增因子，需要给APD光电探测器配置合适的反向偏置电压。
在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：
在APD光电探测器的探测单元的温度变化时，APD光电探测器两端的反向偏置电压不变，降低了APD光电探测器的准确性和稳定性。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
本公开实施例提供了一种用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统，以解决APD光电探测器的准确性和稳定性较低的技术问题。
在一些实施例中，用于调节光电探测器偏置电压的方法包括：
获得光电探测器的探测单元的温度；
根据温度调节分流电流，实现对偏置电压的调节，其中，分流支路的分流电流与反馈支路的反馈电流之和为预设值，所述反馈支路输出所述偏置电压。
在一些实施例中，用于调节光电探测器偏置电压的装置包括处理器和存储有程序指令的存储器，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
在一些实施例中，光电探测系统包括前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的装置。
本公开实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法、装置和光电探测系统，可以实现以下技术效果：
在光电探测器的探测单元的温度发生变化时，根据温度调节分流电流，由于分流支路与反馈支路并联，在分流电流发生变化后，反馈支路的电流也发生变化，故，反馈支路输出的偏置电压也随光电探测器的温度的变化而发生变化，在探测单元处于不同的温度时，采取不同的偏置电压，提高了倍增因子M的稳定性，提高了光电探测器的准确性和稳定性。
以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
附图说明
一个或一个以上实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，并且其中：
图1是本公开实施例提供的一种调节光电探测器偏置电压的电路示意图；
图2是本公开实施例提供的一种可控反向升压电路单元的示意图；
图3是本公开实施例提供的一种用于调节光电探测器偏置电压的方法的流程示意图；
图4是本公开实施例提供的一种用于调节光电探测器偏置电压的装置的示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或一个以上实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
APD光电探测器主要利用器件内部载流子的“雪崩”效应，对光电流进行放大，从而实现微弱光的检测，具有电流增益大、灵敏度高、频率响应快等优点。APD光电探测器的电流增益用倍增因子M表示，想要获得足够高的倍增因子，需要给APD光电探测器配置合适的反向偏置电压。然而，APD光电探测器的击穿电压VB为温度T的函数，而倍增因子M与反向偏置电压VH以及击穿电压VB存在以下关系：M＝1/[1-(VH/VB)]n(n介于1到3之间，它与APD光电探测器的材料相关)，因此实际应用中，环境温度T的变化引起击穿电压VB的变化，在偏置电压VH不变的情况下，倍增因子M会随温度的变化而发生变化，影响APD光电探测器的准确性和稳定性，从而影响整个设备的性能。本公开实施例提供了一种用于调节光电探测器偏置电压的方法，能够根据APD光电探测器的探测单元的实际工作温度，调节APD光电探测器两端的反向偏压，从而获得比较稳定的倍增因子M，提高了APD光电探测器的准确性和稳定性。
在本公开实施例中，为便于描述，下文中均以“光电探测器”代表“APD光电探测器”。
图1是本公开实施例提供的一种用于调节光电探测器偏置电压的电路示意图。可基于图1中所示的用于调节光电探测器偏置电压的电路，实现本公开实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。该用于调节光电探测器偏置电压的电路包括：探测单元110、温度采集单元120、单片机控制单元130、运放单元140和可控反向升压电路单元150，其中，温度采集单元120采集探测单元110的温度，并将该温度以模拟信号的形式提供给单片机控制单元130；单片机控制单元130通过自带的模数转换模块采集该模拟信号形式的温度，并按照预设规则处理该温度，将处理结果通过自带的数模转换模块提供给运放单元140；运放单元140放大前述处理结果，并将放大结果提供给可控反向升压电路单元150；反向升压电路单元在前述放大结果的调节下，向探测单元110提供合适的偏置电压，探测单元110在该偏置电压的作用下，可产生比较稳定的倍增因子，从而获得比较准确的测量结果，提高了光电探测器的准确性和稳定性。
图2是本公开实施例提供的一种可控反向升压电路单元的示意图。其中，可控反向升压电路单元包括电源转换支路210，反馈支路220和分流支路230，其中，电源转换支路210的反馈端FB同时与反馈支路的第一端221和分流支路的第二端232连接，反馈支路的第二端222输出偏置电压；反馈支路220上串联有反馈电阻RFB，分流支路230上串联有分流电阻RCT；电源转换支路210主要包括集成的DC/DC电压转换芯片和外围分离元器件(变压器、电阻、电感、电容、二极管)，电源转换支路210的反馈端FB所提供的电流IFB为预设值，电源转换支路210的反馈端FB的电压为Vk，Vk的大小取决于DC/DC电压转换芯片，通常为毫伏级别，反馈支路的第二端222可输出几十伏或几百伏的偏置电压，故，在计算偏置电压时，Vk可忽略不计。调节分流支路的第一端231的电压值，改变分流支路的第一端231与其第二端232之间的电压差，即可调节分流支路230的分流电流ICT，进而调节反馈支路220的反馈电流IRB，改变了反馈支路220的电压降，实现了对反馈支路的第二端222的电压的调节。在通过该反馈支路的第二端222输出偏置电压的情况下，调节分流支路的第一端231的电压值，即可实现对偏置电压的调节。并且，分流支路230中串联二极管D，使得分流支路230为单向导通的电路，避免分流支路230的分流电流倒灌入反馈支路220中，提高了反馈电流IRB的准确度，提高了偏置电压的准确度，提高了光电探测器的准确性和稳定性。
图3是本公开实施例提供的一种用于调节光电探测器偏置电压的方法的流程示意图。
在该实施例中，用于调节光电探测器偏置电压的方法，包括：
步骤301、获得光电探测器的探测单元的温度。
在本公开实施例中，APD是光电探测器的探测单元的核心元件，APD的PN结设有反向偏压，PN结吸收光能并形成光电流，加大反向偏压可产生“雪崩”现象，即，APD输出数倍于光电流的电流，从而实现对弱光的检测。
可选地，获得探测单元的温度，包括：通过温度采集单元获得探测单元的温度的模拟量，将模拟量转化为数字量。例如，以热敏电阻作为温度采集单元，将探测单元的温度转化为模拟量，单片机控制单元利用单片机自带的模数转换模块将该模拟量采集成数字量。
步骤302、根据温度调节分流电流，实现对偏置电压的调节，其中，分流支路的分流电流与反馈支路的反馈电流之和为预设值，反馈支路输出偏置电压。
在光电探测器的探测单元的温度发生变化时，根据温度调节分流电流，由于分流支路与反馈支路并联，在分流电流发生变化后，反馈支路的电流也发生变化，故，反馈支路输出的偏置电压也随光电探测器的温度的变化而发生变化，在探测单元处于不同的温度时，采取不同的偏置电压，提高了倍增因子M的稳定性，提高了光电探测器的准确性和稳定性。
在分流电流变小时，由于分流电流和反馈电流之和为预设值，故反馈电流变大，反馈支路上电压降变大，从而改变了偏置电压；在分流电流变大时，由于分流电流和反馈电流之和为预设值，故反馈电流变小，反馈支路上的电压降变小，从而改变了偏置电压。
可选地，根据温度调节分流电流，包括：按照偏置电压与温度的补偿曲线调节分流支路的分流电阻，例如采用数字电位器作为分流支路的分流电阻。调节分流支路的分流电阻，改变了分流支路的电流，进而改变了反馈支路的反馈电流，改变了反馈支路上的电压降，实现了对偏置电压的调节。
可选地，根据温度调节分流电流，包括：按照偏置电压与温度的补偿曲线调节分流支路的第一端的电压，其中，分流支路的第二端与反馈支路的第一端连接，反馈支路的第二端输出偏置电压。通过调节分流支路的第二端的电压值，可改变分流支路的第一端与第二端之间的电压差，改变分流电流的大小，改变了反馈支路的反馈电流的大小，改变了反馈支路上的电压降，从而改变了偏置电压。
可选地，调节分流支路的第一端的电压，包括：
按照偏置电压与温度的补偿曲线调节输入至运放单元的低电压，获得分流支路的第一端的电压。例如，单片机控制单元通过单片机自带的数模转换模块输出该低电压。单片机控制单元向运放单元输出低电压，运放单元将低电压放大为用于驱动可控反向升压电路单元的电压，即，运放单元将放大后的电压输出至分流支路的第一端，使得分流支路的第一端与其第二端之间产生电压差。另外，单片机控制单元通过运放单元与可控反向升压电路单元，运放单元可隔离单片机控制单元与可控反向升压电路单元。由于在驱动可控反向升压电路单元时，需要改变分流支路的分流电流，经过运放单元的隔离作用，可减少分流电流对单片机控制单元的损害。
可选地，分流支路的第一端的电压为低电压经过反相比例放大后获得的。在一些应用场景中，单片机控制单元输出的电压为正，并且电压变化范围小，将单片机控制单元输出的电压经过反向比例放大处理后，将正电压转换为负电压，并扩大了电压变化范围，在将该较大电压变化范围的负电压施加在分流支路的第一端后，分流支路中产生自其第二端流向第一端的分流电流，由于扩大了电压变化范围，所以也扩大了分流电流的变化范围，扩大了反馈电流的变化范围，扩大了偏置电压的变化范围。
在其他现有技术中，有的依赖一些专用芯片调节光电探测器的偏置电压，相比于现有技术，本公开实施例中提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法及其依赖的电路的成本较低，并且复杂度较低。在电路中的每一个元件均不出现故障，并且控制方法中的每个步骤、每个参数均不出现故障的情况下，光电探测器可正常工作。随着电路及控制方法的复杂度的增长，电路中每个元件同时不出现故障的概率呈指数降低，控制方法中的每个步骤、每个参数均不出现故障的概率呈指数降低，即，随着光电探测器的电路及其控制方法的复杂度的增长，光电探测器出现故障的概率呈指数增长。而本公开实施例中提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法及其依赖的电路，以较低的复杂度实现对光电探测器偏置电压的调节，降低了光电探测器出现故障的概率，提高了光电探测器的准确性和稳定性。
在改变了分流支路的第一端的电压后，分流电流为：
ICT＝(|VCT|-|VD|)/RCT
其中，ICT为分流电流，VCT为分流支路的第一端的电压，VD为二极管的导通压降，RCT为分流支路中串联的分流电阻。
进一步地，偏置电压为：
|VH|＝[IFB-ICT]×RFB
其中，VH为偏置电压，IFB为反馈支路的反馈电流与分流支路的分流电流之和，RFB为反馈支路的反馈电阻。
可选地，RFB为两个或多个串联电阻的总阻值，提高了RFB可承受的功率。
对于一款既定型号的光电探测器，其偏置电压与温度的补偿曲线是可通过实验标定的。偏置电压与温度的关系具有不同的表现形式，可以直接表现为偏置电压与温度的一一对应关系；在偏置电压与其他变量，例如本公开实施例中的反馈电流、分流电流、分流支路的第一端的电压和单片机控制单元输出的低电压，具有映射关系时，偏置电压与温度的关系可表现为：反馈电流与温度的一一对应关系，或者，分流电流与温度的一一对应关系，或者，分流支路的第一端的电压与温度的一一对应关系，或者，单片机控制单元输出的低电压与温度的一一对应关系。在按照偏置电压与温度的补偿曲线调节分流支路的第一端的电压时，偏置电压与温度的补偿曲线表现为分流支路的第一端的电压与温度的一一对应关系。
本公开实施例提供了一种用于调节光电探测器偏置电压的装置。
在一些实施例中，用于调节光电探测器偏置电压的装置，包括处理器和存储有程序指令的存储器，处理器被配置为在执行程序指令时，执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
图4是本公开实施例提供的一种用于调节光电探测器偏置电压的装置的示意图。
在该实施例中，用于调节光电探测器偏置电压的装置包括：
处理器(processor)41和存储器(memory)42，还可以包括通信接口(Communication Interface)43和总线44。其中，处理器41、通信接口43、存储器42可以通过总线44完成相互间的通信。通信接口43可以用于信息传输。处理器41可以调用存储器42中的逻辑指令，以执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
此外，上述的存储器42中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器42作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令/模块。处理器41通过运行存储在存储器42中的软件程序、指令以及模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
存储器42可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器42可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。
本公开实施例提供了一种光电探测系统，包含前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的装置，可执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
本公开实施例提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行前述实施例提供的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
上述的计算机可读存储介质可以是暂态计算机可读存储介质，也可以是非暂态计算机可读存储介质。
本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括一个或一个以上指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开实施例中方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质可以是非暂态存储介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机读取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开实施例的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。当用于本申请中时，虽然术语“第一”、“第二”等可能会在本申请中使用以描述各元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。比如，在不改变描述的含义的情况下，第一元件可以叫做第二元件，并且同样地，第二元件可以叫做第一元件，只要所有出现的“第一元件”一致重命名并且所有出现的“第二元件”一致重命名即可。第一元件和第二元件都是元件，但可以不是相同的元件。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和“所述”(the)旨在同样包括复数形式。类似地，如在本申请中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本申请中时，术语“包括”(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或一个以上用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (10)

1.一种用于调节光电探测器偏置电压的方法，其特征在于，包括：
获得光电探测器的探测单元的温度；
根据所述温度调节分流电流，实现对偏置电压的调节，其中，分流支路的分流电流与反馈支路的反馈电流之和为预设值，所述反馈支路输出所述偏置电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述温度调节分流电流，包括：
按照偏置电压与温度的补偿曲线调节所述分流支路的第一端的电压，其中，所述分流支路的第二端与所述反馈支路的第一端连接，所述反馈支路的第二端输出所述偏置电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分流电流为：
ICT＝(|VCT|-|VD|/RCT
其中，ICT为分流电流，VCT为分流支路的第一端的电压，VD为二极管的导通压降，RCT为分流支路中串联的分流电阻。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述偏置电压为：
|VH|＝[IFB-ICT]×RFB
其中，VH为偏置电压，IFB为反馈支路的反馈电流与分流支路的分流电流之和，RFB为反馈支路的反馈电阻。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述RFB为两个或多个串联电阻的总阻值。
6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，调节所述分流支路的第一端的电压，包括：
按照偏置电压与温度的补偿曲线调节输入至运放单元的低电压，获得所述分流支路的第一端的电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分流支路的第一端的电压为所述低电压经过反相比例放大后获得的。
8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，获得所述探测单元的温度，包括：
通过温度采集单元获得所述探测单元的温度的模拟量；
将所述模拟量转化为数字量。
9.一种用于调节光电探测器偏置电压的装置，包括处理器和存储有程序指令的存储器，其特征在于，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行如权利要求1至8任一项所述的用于调节光电探测器偏置电压的方法。
10.一种光电探测系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的用于调节光电探测器偏置电压的装置。
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