CN112702021B - 获取光电二极管的击穿电压的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获取光电二极管的击穿电压的电路，包括：控制器，配置为输出电压控制信号；电压生成单元，耦接到所述控制器以接收所述电压控制信号，并根据所述电压控制信号输出供电电压，其中所述供电电压包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压，所述供电电压可耦接到所述光电二极管的其中一极；和跨阻放大电路，其输入端可耦接到所述光电二极管的另一极，其输出端耦接到所述控制器，并配置为输出第一电压信号；其中，所述控制器被配置为基于所述供电电压和所述跨阻放大电路输出的第一电压信号来确定所述光电二极管的击穿电压。基于上述电路，可快速准确获取光电二极管的击穿电压，缩短了测量时间，提高了测量效率。

Description

获取光电二极管的击穿电压的电路及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种获取光电二极管的击穿电压的电路及方法。

背景技术

雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)的击穿电压(VBR，breakdownvoltage)的值对于激光雷达的使用十分重要，由于APD是一种光电二极管，其感光原理是将高压施加于APD，将其击穿至雪崩状态，这样当光照射在APD上时，不同强度的光会使APD产生不同强度的电流，不同强度的电流包含着目标距离等重要信息，因此，若对APD的高压数值施加不准确，会导致从APD读出的测距信息不准确。比如施加的电压过大或过小，都会导致测距信息不准确，假如VBR为170V，施加电压为190V，则APD产生的噪声信号很大，则无法区分探测信号和噪声信号；假如VBR为170V，施加电压为150V，APD并未达到击穿电压，则探测信号很弱，因此准确测量APD的VBR值是极其必要的。

图1示出了APD的施加电压与暗电流的关系曲线示意图。VBR指的是APD在黑暗环境下，暗电流达到10uA直流分量时对其施加的电压值，在包括多个APD的接收电路板贴片过程中，APD会存在划伤、磨损等问题，导致APD的VBR值产生偏差。如果在电路中直接利用ADC采样(未确定VBR)，由于APD在高压下会产生极强的噪声信号，极强的噪声信号具有多个脉冲，从而无法获取直流分量的暗电流，图2示出了高压下APD产生的噪声信号示意图，由此可见，若通过APD直接测量，在高压下产生的如此波形的暗电流无法获取其准确的VBR值。

目前激光雷达正在芯片化，并且空间越来越小,所以芯片化的激光雷达采用了APD和后级处理芯片集成的方式，若APD和后级处理芯片在同一电路板集成，没有相应的APD测量接口，很难测量APD的VBR值，由于需要使用不断增高的高压准确的施加在APD两端，并且由于目前激光雷达的线数越来越高，对应的APD也相应较多，快速检测所有APD的VBR值是激光雷达的技术难点。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明设计了一种获取光电二极管的击穿电压的电路及方法，其能够解决由于对APD施加高压无法获取其准确的VBR值，从而导致从APD读出的测距信息不准确的问题。

本发明提供一种获取光电二极管的击穿电压的电路，包括：

控制器，配置为输出电压控制信号；

电压生成单元，耦接到所述控制器以接收所述电压控制信号，并根据所述电压控制信号输出供电电压，其中所述供电电压包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压，所述供电电压可耦接到所述光电二极管的其中一极；和

跨阻放大电路，其输入端可耦接到所述光电二极管的另一极，其输出端耦接到所述控制器，并配置为输出第一电压信号；

其中，所述控制器被配置为基于所述供电电压和所述跨阻放大电路输出的第一电压信号来确定所述光电二极管的击穿电压。

根据本发明的一个方面，其中所述电压生成单元包括：

第一数模转换器，其耦接到所述控制器，用于接收所述电压控制信号并生成第二电压；

放大器，其耦接到所述第一数模转换器，用于接收并放大所述第二电压，并输出所述供电电压；和

第一模数转换器，耦接于所述放大器的输出端和所述控制器之间，用于对所述供电电压进行采样并反馈给所述控制器。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置为基于所述第一模数转换器采样的所述供电电压与预设供电电压之间的偏差来校准所述电压控制信号。

根据本发明的一个方面，还包括第二模数转换器，其输入端与所述跨阻放大电路的输出端耦接，其输出端耦接到所述控制器，用于对所述跨阻放大电路输出的所述第一电压信号采样。

根据本发明的一个方面，其中所述电路包括多个光电二极管和多个跨阻放大电路，每个光电二极管和与其对应的一个跨阻放大电路构成一个通道。

根据本发明的一个方面，还包括MUX选择器，所述MUX选择器具有多个输入端，每个通道的跨阻放大电路连接到所述MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的跨阻放大电路输出的第一电压信号并输出。

根据本发明的一个方面，其中所述电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔。

根据本发明的一个方面，其中所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流。

根据本发明的一个方面，还包括第一电容和第一电阻，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器和第二电阻，

其中所述供电电压可耦接到所述光电二极管的阴极，所述第一电阻耦接在所述光电二极管的阳极与电源之间，所述第一电容耦接于所述光电二极管的阳极和所述跨阻放大器的第一输入端之间，所述第二电阻耦接在所述跨阻放大器的第一输入端与输出端之间，所述跨阻放大器的第二输入端接地。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置为通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出的各所述高电压的持续时间使得所述第一电容充电完成。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置为通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出的各所述低电压的持续时间使得所述第一电容放电完成。

根据本发明的一个方面，其中所述第二模数转换器配置成在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为所述低电压的时刻对所述跨阻放大电路输出的所述第一电压信号进行采样。

根据本发明的一个方面，其中所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容开始放电的时刻。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置为当所述第二模数转换器的采样值达到预设输出电压阈值时，确定与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压，并基于与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的所述供电电压来确定所述光电二极管的击穿电压。

根据本发明的一个方面，其中所述预设输出电压阈值对应所述光电二极管产生的暗电流为10uA时的所述第一电压值。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器和所述MUX选择器配置成：当所述MUX选择器选择其中一个通道时，所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压，所述MUX选择器然后切换到另一个通道，所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

根据本发明的一个方面，其中所述控制器和所述MUX选择器配置成：所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，在所述初始高电压切换为低电压时通过所述第二模数转换器对所述跨阻放大电路输出的第一电压信号采样，然后通过所述MUX选择器切换到各个通道并对所述第一电压信号采样；然后以所述预设压差升高所述初始高电压，在切换为低电压时对各个通道的所述第一电压信号采样，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

根据本发明的一个方面，其中所述光电二极管是雪崩光电二极管。

本发明还提供一种获取光电二极管的击穿电压的方法，包括：

S101：接收电压控制信号，以输出包括电压序列的供电电压，其中所述电压序列包括依次升高的多个高电压；

S102：将所述包括电压序列的供电电压施加到所述光电二极管；

S103：将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号输出；和

S104：根据所述供电电压与所述第一电压信号来确定所述光电二极管的击穿电压。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S101包括：

通过第一数模转换器接收所述电压控制信号并生成第二电压信号；

通过放大器接收并放大所述第二电压信号，并输出所述供电电压；

通过第一模数转换器对所述供电电压进行采样；和

基于所述第一模数转换器采样的所述供电电压与预设供电电压之间的偏差来校准所述电压控制信号。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S101中所述电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔，并配置为所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流。

根据本发明的一个方面，其中第一电阻耦接在所述光电二极管的阳极与电源之间，第一电容耦接于所述光电二极管的阳极和跨阻放大电路的输入端之间，其中各所述高电压的持续时间使得所述第一电容充电完成，各所述低电压的持续时间使得所述第一电容放电完成。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S103包括：通过跨阻放大电路将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号，所述方法还包括：通过第二模数转换器对所述跨阻放大电路输出的第一电压信号采样。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S103中所述第二模数转换器对所述第一电压信号进行采样的时刻是在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为低电压的时刻，其中所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容开始放电的时刻。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S104包括：当所述第二模数转换器的采样值达到预设输出电压阈值时，确定与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压，并基于与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压来确定所述光电二极管的击穿电压；其中所述预设输出电压阈值对应所述光电二极管产生的暗电流为10uA时的所述第一电压值。

根据本发明的一个方面，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路串联以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路连接到MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：在所述初始高电压切换为低电压时对所述第一电压信号采样，然后通过所述MUX选择器切换到各个通道依次对所述第一电压信号采样；以所述预设压差升高所述初始高电压，在切换为低电压时对各个通道的所述第一电压信号采样，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

根据本发明的一个方面，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路串联以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路连接到MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：当所述MUX选择器选择其中一个通道时，重复步骤S101-S104，所述MUX选择器然后切换到另一个通道，重复步骤S101-S104，直至全部通道执行完成。

根据本发明的一个方面，该方法通过如上所述的电路实施。

通过本发明的获取光电二极管的击穿电压的电路及方法，可以快速测量出各个光电二极管的准确VBR值，缩短了测量时间，提高了测量效率，并且提高了激光雷达的良品率和产能，根据测量结果得到的测量曲线也有助于发现APD的其他不良问题，例如漏电等问题。

在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了雪崩光电二极管的施加电压与暗电流的关系曲线示意图；

图2示出了在高压下雪崩光电二极管产生的噪声信号示意图；

图3示出了第一实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路的示意图；

图4示出了第一实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路的时序图；

图5示出了第一实施例的电路中的供电电压与第一电压的关系曲线示意图；

图6示出了一个优选实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图；

图7示出了另一个优选实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图；

图8示出了第二实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路的示意图；

图9示出了第二实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图；和

图10示出了一种获取光电二极管的击穿电压的方法流程图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

为了不改变激光雷达接收电路的基本功能，并且解决由于光电二极管的湮灭效应导致检测光电二极管的击穿电压时不准确的问题，本发明利用光电二极管的特性，提供一种获取光电二极管的击穿电压的电路及其方法。该电路在现有激光雷达接收电路的基础上增加电压生成单元，用于对光电二极管施加电压。通过电压生成单元精准改变对光电二极管施加的电压，从而对击穿电压VBR进行检测。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图3示出了第一实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路10。如图3所示，电路10包括：控制器11、电压生成单元12和跨阻放大电路13。其中，控制器11向电压生成单元12输出电压控制信号VCTRL。电压生成单元12耦接到控制器11以接收电压控制信号VCTRL，并根据电压控制信号VCTRL输出供电电压Vin，所述供电电压Vin可耦接到光电二极管APD的其中一极，控制器11通过电压生成单元12可精准控制对光电二级管施加的供电电压Vin。其中所述供电电压Vin包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压，下文将具体描述。跨阻放大电路13的输入端耦接到光电二极管APD的另一极，其输出端耦接到控制器11，并配置为输出第一电压信号V1。当光电二极管APD受到光线照射时，其上将产生电流，跨阻放大电路13可以将该电流转换为对应的第一电压信号V1并输出。控制器11基于所述供电电压Vin和所述跨阻放大电路13输出的第一电压信号V1的关系曲线，通过预设输出电压阈值Vth来确定光电二极管的击穿电压VBR。下文将具体描述。

根据本发明的一个优选实施例，所述电压生成单元12除了可以根据电压控制信号VCTRL产生并输出供电电压Vin，还可以监控供电电压Vin的数值。将其作为反馈信号发送给控制器11，从而控制器11可以基于反馈信号来校准电压控制信号VCTRL。根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，其中电压生成单元12包括第一数模转换器121、放大器122和第一模数转换器123。其中第一数模转换器121耦接到控制器11，用于接收电压控制信号VCTRL并生成第二电压V2。所述电压控制信号VCTRL例如为数字序列，数字序列的大小可表征输出电压的大小，第一数模转换器121根据该数字序列生成第二电压V2。放大器122耦接到第一数模转换器121，用于接收并放大第二电压V2，并输出供电电压Vin到光电二极管；第一模数转换器123耦接于放大器122的输出端和控制器11之间，用于对供电电压Vin进行采样并反馈给控制器11。控制器11配置为基于第一模数转换器123采样的供电电压Vin与预设供电电压之间的偏差来校准电压控制信号VCTRL。比如根据向第一数模转换器121输出的控制电压和从第一模数转换器123获得的采样电压生成直线，确定斜率k，基于基准线性斜率(比如线性斜率k＝1，即输入电压为1V，输出电压也为1V)对电压偏差进行校准。

为了提高测量速度，所述放大器可优选的使用高压运放，可以以20μs实现电压的快速切换。本领域技术人员容易理解，第一模数转换器123并非是必须的，本发明不限于控制器11通过第一模数转换器123的反馈来控制供电电压Vin，也可以通过其他电路实现对供电电压Vin的精准控制。

根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，其中电路10还包括第二模数转换器15，其输入端与跨阻放大电路13的输出端耦接，其输出端耦接到控制器11，用于对跨阻放大电路13输出的第一电压信号V1采样，并将采样值提供给控制器11。

电路10可以按照单通道的方式来使用，即包括单个光电二极管和单个跨阻放大电路，也可以构造成多通道的方式。根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，其中电路10还包括多个光电二极管APD和多个跨阻放大电路13，每个光电二极管和与其对应的一个跨阻放大电路构成一个通道，如图3所示，其中包括N个通道。优选的，光电二极管是雪崩光电二极管APD。

在多通道的实施例中，如图3所示，优选地，其中电路10还包括MUX选择器14，所述MUX选择器14具有多个输入端，每个通道的跨阻放大电路13连接到MUX选择器14的其中一个输入端，MUX选择器14的输出端耦接到第二模数转换器15，并配置成可切换选择其中一个通道的跨阻放大电路输出的第一电压信号V1并输出到第二模数转换器15，采样后输出到控制器11。

根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，其中电路10还包括多个第一电容C1和多个第一电阻R1，所述跨阻放大电路13包括跨阻放大器TIA和第二电阻R2，其中供电电压Vin可通过第三电阻R3或直接耦接到雪崩光电二极管APD的阴极，第一电阻R1耦接在雪崩光电二极管APD的阳极与电源Vdd之间，第一电容C1耦接于雪崩光电二极管APD的阳极和跨阻放大器TIA的第一输入端之间，第二电阻R2耦接在跨阻放大器TIA的第一输入端与输出端之间，所述跨阻放大器TIA的第二输入端接地。

图4示出了图3所示电路的时序图，下面参考图3和图4，对电路10的工作原理进行描述。

电压生成单元12输出的供电电压Vin包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压，如图4所示，其中电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔。

根据本发明的一个优选实施例，如图4所示，其中所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述雪崩光电二极管APD产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述雪崩光电二极管APD产生暗电流。

其中所述控制器11配置为通过电压控制信号控制电压生成单元12输出的各所述高电压的持续时间使得所述第一电容C1充电完成，通过电压控制信号控制电压生成单元12输出的各所述低电压的持续时间使得所述第一电容C1放电完成，并且第二模数转换器15配置成在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为所述低电压的时刻对所述跨阻放大电路13输出的所述第一电压信号V1进行采样。如图4所示，采样间隔为预设时间差Δt。

如图4所示，当供电电压使得雪崩光电二极管APD产生暗电流时(如高电压4)，其中低电压切换为高电压的时刻t0为所述第一电容C1开始充电的时刻，其中高电压切换为低电压的时刻t1为所述第一电容C1开始放电的时刻。

图5示出了图3电路10中供电电压Vin与第一电压信号V1的关系曲线示意图。当第二模数转换器15的采样值达到预设输出电压阈值Vth时，确定与该预设输出电压阈值Vth对应的雪崩光电二极管APD的供电电压Vt，进而确定雪崩光电二极管APD的击穿电压VBR。其中所述预设输出电压阈值Vth为雪崩光电二极管APD产生暗电流为10uA时的第一电压信号V1的值。

图3所述的第一实施例中，可以利用雪崩光电二极管APD产生的暗电流对第一电容C1进行充电，并在第一电容C1放电时对第一电压信号V1进行采样。以下结合图4和图5进一步说明光电二极管的击穿电压的计算方法。

所述控制器11控制电压生成单元12输出的供电电压Vin升至初始高电压(如图4中的编号为1的初始高电压)，比如150V，所述初始高电压未使雪崩光电二极管APD产生暗电流，则不会对第一电容C1充电。然后将供电电压Vin切换至低电压，比如2V，因为初始高电压未使第一电容C1充电，所以此时第一电容C1也不存在放电的过程。当供电电压Vin切换至低电压后，通过第二模数转换器15对第一电压信号V1进行采样，并将采样值输出到控制器11。将供电电压Vin从低电压切换至高电压，此时的高电压从初始高电压以预设压差升高，比如预设压差可设置为1V，例如编号2对应的电压为151V。当供电电压Vin再次切换至低电压后，再次通过第二模数转换器15对第一电压信号V1进行采样，并将采样值输出到控制器11。

所述控制器11以预设压差依次升高供电电压的高电压，第二模数转换器15都以预设时间差Δt持续对所述第一电压信号进行采样，直到所述供电电压的高电压值达到预设目标电压，比如200V。其中预设时间差Δt为电压序列中一个高电压和一个低电压持续时间之和。对所述跨阻放大电路13输出的所述第一电压信号V1进行采样的时刻在各个低电压持续时间内并接近所述高电压切换为所述低电压的时刻。

在此过程中，当供电电压使雪崩光电二极管APD产生暗电流I0(如图4中的编号为4-6对应的电压)，则由第三电阻R3和第一电容C1的电路中经过特定时间(比如10R3*C1)对第一电容C1进行充电，所述特定时间不低于第一电容C1的充电时间，以保证对电容完成充电。此时的第一电容C1的电容电压为Vc＝Vdd+R1*I0；将供电电压Vin切换至低电压后，第一电容C1通过由第一电阻R1、第一电容C1和第二电阻R2的电路经过特定时间(比如5R1*C1)进行放电，所述特定时间不低于第一电容C1的放电时间，以保证电容完成放电。放电电流经过第二电阻R2，通过跨阻放大器TIA完成电流值向电压值的转换。

若第一电容C1充电完成后的电容电压为Vc，第一电容C1的放电时间为t，则放电电流为

经过跨阻放大电路13后输出的第一电压信号为

由于所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容开始放电的时刻，即放电时间t为0，第一电压信号V1的公式简化为

结合电容电压Vc和第一电压信号V1的关系公式为

优选地，所述电路10还包括反向放大器(未示出)，反向放大器耦接在所述MUX选择器14和所述第二模数转换器15之间，所述第一电压信号经过所述反向放大器放大后被所述第二模数转换器15采样形成输出电压Vo。

通过电压生成单元12输出的供电电压Vin在初始高电压与预设目标电压范围内逐步提升高电压再切换成低电压，从而控制第一电容C1进行充电和放电；并且利用第二模数转换器15在高电压切换至低电压的时刻对第一电压信号进行信号采集，最终根据供电电压Vin和第一电压信号V1生成的曲线如图5所示。

图5中，横坐标Vin对应供电电压序列中高电压的值，即从初始高电压按预设压差升到预设目标电压过程中的一系列高电压值，纵坐标V1表示对应于供电电压序列中的一系列高电压值的第一电压信号，第一电压信号由所述第二模数转换器15采集的值。所述第一电压信号为

其中供电电压Vin在初始高电压到Vr之间未使雪崩光电二极管APD产生暗电流，电压在Vr到预设目标电压之间使雪崩光电二极管APD产生暗电流，根据Vin-V1关系曲线利用预设输出电压阈值Vth获取供电电压Vt，利用供电电压Vt来获取所述雪崩光电二极管APD的击穿电压VBR，即VBR＝Vt-(R1+R3)*10uA-V d。

其中所述预设输出电压阈值Vth为雪崩光电二极管APD在暗电流为10uA时，所述跨阻放大电路13输出的第一电压信号V1的值。当暗电流I0＝10uA，在已知所述第一电阻R1的电阻值、所述第二电阻R2的电阻值和所述电源Vdd的电压值时，可通过公式

计算出所述预设输出电压阈值Vth。

在包括反向放大器的优选实施例中，所述第一电压信号V1经过所述反向放大器(放大倍数为k)放大后的输出电压为Vo，

所述输出电压Vo再被所述第二模数转换器15采集，控制器11基于所述供电电压Vin和所述输出电压Vo的关系曲线，通过预设输出电压阈值Vth来确定光电二极管的击穿电压VBR。其中所述预设输出电压阈值Vth为雪崩光电二极管APD在暗电流为10uA时，所述反向放大器的输出电压Vo的值。

由以上计算方法可获得一个通道的雪崩光电二极管APD的击穿电压VBR，可以通过MUX选择器14切换多个探测通道以测量更多的雪崩光电二极管APD的击穿电压。可以采用不同的逻辑顺序来对多个探测通道进行测量。下面参考图6和图7详细描述。

图6示出了一个优选实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图，例如可利用图3所示的电路10来进行测量。

在步骤S11，向光电二极管APD施加供电电压Vin，其高电压为初始高电压。

在步骤S12，将供电电压Vin切换至低电压。

在步骤S13，采集第一电压信号V1。

在步骤S14，以预设压差升高供电电压Vin的高电压值。

在步骤S15，判断供电电压Vin的高电压值是否达到预设目标电压，如果已经达到，则进行到步骤S16，否则，返回步骤S12，直到供电电压Vin的高电压值达到预设目标电压。

在步骤S16，通过MUX选择器14切换到下一个通道。

在步骤S17，判断是否已经切换完成所有通道，即是否完成所有通道的测量。如果已经完成，则进行到步骤S18，否则返回步骤S11。

在步骤S18，计算各个光电二极管的击穿电压VBR。

图7示出了另一个优选实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图，可利用图3所示的电路10来进行测量。

在步骤S21，向光电二极管APD施加供电电压Vin，其高电压为初始高电压。

在步骤S22，将供电电压Vin切换至低电压。

在步骤S23，采集第一电压信号V1。

在步骤S24，通过MUX选择器14切换到下一个通道。

在步骤S25，采集第一电压信号V1。

在步骤S26，判断是否已经切换完成所有通道，即是否完成所有通道的测量。如果已经完成，则进行到步骤S27，否则返回步骤S24。

在步骤S27，以预设压差升高供电电压Vin的高电压值。

在步骤S28，判断供电电压Vin的高电压值是否达到预设目标电压，如果已经达到，则进行到步骤S29，否则，返回步骤S22，直到供电电压Vin的高电压值达到预设目标电压。

在步骤S29，计算各个光电二极管的击穿电压VBR。

图8示出了第二实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路20。如图8所示，电路20包括：控制器21、电压生成单元22和跨阻放大电路23。其中，控制器21、电压生成单元22和跨阻放大电路23分别与图3的第一实施例中的控制器11、电压生成单元12和跨阻放大电路13基本相同，此处不再赘述，着重描述第二实施例与第一实施例的区别之处。

如图8所示，其中电路20还包括第一电容C1和第一电阻R1，用于滤除噪声电流(即电流中的交流分量)，所述跨阻放大电路23包括跨阻放大器TIA和第二电阻R2，其中供电电压Vin可通过第三电阻R3或直接耦接到雪崩光电二极管APD的阴极，第一电阻R1耦接在雪崩光电二极管APD的阳极与跨阻放大器TIA的第一输入端之间，第一电容C1的一个极板耦接于雪崩光电二极管APD的阳极，另一极板接地，第二电阻R2耦接在跨阻放大器TIA的第一输入端与输出端之间，所述跨阻放大器TIA的第二输入端接地。

电压生成单元22输出的供电电压Vin包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压。与第一实施例不同，图7的第二实施例中，电压序列中仅包括依次升高的多个高电压，不包括相互交错的低电压。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述雪崩光电二极管APD产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高。第二模数转换器25配置成在所述电压序列中每个高电压值对所述跨阻放大电路23输出的第一电压信号V1进行采样。在所述MUX选择器14和所述第二模数转换器15之间增加反向放大器(放大倍数为k)对所述第一电压信号V1进行放大，所述第二模数转换器15再对所述反向放大器输出的电压信号进行采样。

由于雪崩光电二极管APD在高压下会产生噪声电流，可以采用RC滤波电路将其滤掉，在本实施例中RC滤波电路由第一电容C1和第一电阻R1组成，用于滤除噪声电流，即电流中的交流分量，当雪崩光电二极管APD产生暗电流时，即电流中的直流分量可保留，经过第二电阻R2后转化为第一电压信号。因为滤除了电流中的交流分量，所以不存在电容的充电和放电过程，也无需对雪崩光电二极管APD的供电电压进行高低电压切换，可极大提高检测效率。

图8示出了第二实施例的获取光电二极管的击穿电压的电路20，在第一实施例的电路10基础上，采用RC滤波电路对噪声信号进行滤波，选择合适的RC滤波电路的参数选择(例如图8所示第一电阻R1和第一电容C1)，将雪崩光电二极管APD的噪声电流过滤掉，这样可以避免高低电压切换产生的影响。

在第一实施例的方法基础上，省略了切换低电压，直接采用第二模数转换器25对第一电压信号V1进行采样，假如供电电压Vin使雪崩光电二极管APD产生暗电流I0,当I0＝10uA时，控制器21基于第二模数转换器25采集的信号获取第一电压信号V1，并对应第一电压信号V1获取输入电压Vin，则雪崩光电二极管APD的击穿电压为VBR＝Vin-(R1+R2+R3)*10uA-V1。

由以上计算方法可获得一个通道的雪崩光电二极管APD的击穿电压VBR，可以通过MUX选择器24切换多个探测通道以测量更多的雪崩光电二极管APD的击穿电压。

图9示出了第二实施例的获取多个通道的光电二极管的击穿电压的方法的流程图，可通过图8所示的电路20来实施，在第一实施例的基础上省略了切换低电压的步骤。

在步骤S31，向光电二极管APD施加供电电压Vin，其高电压为初始高电压。

在步骤S32，采集第一电压信号V1。

在步骤S33，以预设压差升高供电电压Vin的高电压值。

在步骤S34，判断供电电压Vin的高电压值是否达到预设目标电压，如果已经达到，则进行到步骤S35，否则，返回步骤S32，直到供电电压Vin的高电压值达到预设目标电压。

在步骤S35，通过MUX选择器24切换到下一个通道。

在步骤S36，判断是否已经切换完成所有通道，即是否完成所有通道的测量。如果已经完成，则进行到步骤S37，否则返回步骤S31。

在步骤S37，计算各个光电二极管的击穿电压VBR。

本发明还涉及一种获取光电二极管的击穿电压的方法100，如图10所示，下面参考图10详细描述。

在步骤S101：接收电压控制信号，以输出包括电压序列的供电电压Vin，其中所述电压序列包括依次升高的多个高电压；

在步骤S102：将所述包括电压序列的供电电压Vin施加到所述光电二极管；

在步骤S103：将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号V1输出；和

在步骤S104：根据所述供电电压Vin与所述第一电压信号V1来确定所述光电二极管的击穿电压VBR。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S101包括：通过第一数模转换器121接收所述电压控制信号并生成第二电压信号；通过放大器122接收并放大所述第二电压信号，并输出所述供电电压Vin；通过第一模数转换器123对所述供电电压Vin进行采样；和基于所述第一模数转换器123采样的所述供电电压Vin与预设供电电压之间的偏差来校准所述电压控制信号。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S101中所述电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔，并配置为所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流。

根据本发明的一个优选实施例，其中第一电阻R1耦接在所述光电二极管的阳极与电源之间，第一电容C1耦接于所述光电二极管的阳极和跨阻放大电路13的输入端之间，其中各所述高电压的持续时间使得所述第一电容C1充电完成，各所述低电压的持续时间使得所述第一电容C1放电完成。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S103包括：通过跨阻放大电路13将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号V1，所述方法还包括：通过第二模数转换器15对所述跨阻放大电路13输出的第一电压信号V1采样。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S103中所述第二模数转换器15对所述第一电压信号V1进行采样的时刻是在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为低电压的时刻，其中所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容C1开始放电的时刻。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S104包括：当所述第二模数转换器15的采样值达到预设输出电压阈值Vth时，确定与该预设输出电压阈值Vth对应的所述光电二极管的供电电压Vt，并基于与该预设输出电压阈值Vth对应的所述光电二极管的供电电压Vt来确定所述光电二极管的击穿电压VBR；其中所述预设输出电压阈值Vth对应所述光电二极管产生的暗电流为10uA时的所述第一电压信号V1。

根据本发明的一个优选实施例，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路13分别连接以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路13连接到MUX选择器14的其中一个输入端，所述MUX选择器14的输出端耦接到所述第二模数转换器15，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：在所述初始高电压切换为低电压时对所述第一电压信号V1采样，然后通过所述MUX选择器14切换到各个通道依次对所述第一电压信号V1采样；以所述预设压差升高所述初始高电压，在切换为低电压时对各个通道的所述第一电压信号V1采样，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

根据本发明的一个优选实施例，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路13分别连接以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路13连接到MUX选择器14的其中一个输入端，所述MUX选择器14的输出端耦接到所述第二模数转换器15，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：当所述MUX选择器14选择其中一个通道时，重复步骤S101-S104，所述MUX选择器14然后切换到另一个通道，重复步骤S101-S104，直至全部通道执行完成。

根据本发明的一个优选实施例，所述方法通过如上所述的电路实施。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种获取光电二极管的击穿电压的电路，包括：

控制器，配置为输出电压控制信号；

电压生成单元，耦接到所述控制器以接收所述电压控制信号，并根据所述电压控制信号输出供电电压，其中所述供电电压包括电压序列，所述电压序列包括依次升高的多个高电压，所述供电电压可耦接到所述光电二极管的其中一极；和

跨阻放大电路，其输入端可耦接到所述光电二极管的另一极，其输出端耦接到所述控制器，并配置为输出第一电压信号；

其中，所述控制器被配置为基于所述供电电压和所述跨阻放大电路输出的第一电压信号的关系曲线来确定所述光电二极管的击穿电压。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电压生成单元包括：

第一数模转换器，其耦接到所述控制器，用于接收所述电压控制信号并生成第二电压；

放大器，其耦接到所述第一数模转换器，用于接收并放大所述第二电压，并输出所述供电电压；和

第一模数转换器，耦接于所述放大器的输出端和所述控制器之间，用于对所述供电电压进行采样并反馈给所述控制器。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制器配置为基于所述第一模数转换器采样的所述供电电压与预设供电电压之间的偏差来校准所述电压控制信号。

4.根据权利要求1所述的电路，还包括第二模数转换器，其输入端与所述跨阻放大电路的输出端耦接，其输出端耦接到所述控制器，用于对所述跨阻放大电路输出的所述第一电压信号采样。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述电路包括多个光电二极管和多个跨阻放大电路，每个光电二极管和与其对应的一个跨阻放大电路构成一个通道。

6.根据权利要求5所述的电路，还包括MUX选择器，所述MUX选择器具有多个输入端，每个通道的跨阻放大电路连接到所述MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的跨阻放大电路输出的第一电压信号并输出。

7.根据权利要求4所述的电路，其中所述电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔。

8.根据权利要求7所述的电路，其中所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流。

9.根据权利要求8所述的电路，还包括第一电容和第一电阻，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器和第二电阻，

其中所述供电电压可耦接到所述光电二极管的阴极，所述第一电阻耦接在所述光电二极管的阳极与电源之间，所述第一电容耦接于所述光电二极管的阳极和所述跨阻放大器的第一输入端之间，所述第二电阻耦接在所述跨阻放大器的第一输入端与输出端之间，所述跨阻放大器的第二输入端接地。

10.根据权利要求9所述的电路，其中所述控制器配置为通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出的各所述高电压的持续时间使得所述第一电容充电完成。

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述控制器配置为通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出的各所述低电压的持续时间使得所述第一电容放电完成。

12.根据权利要求10所述的电路，其中所述第二模数转换器配置成在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为所述低电压的时刻对所述跨阻放大电路输出的所述第一电压信号进行采样。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容开始放电的时刻。

14.根据权利要求6所述的电路，其中所述控制器配置为当所述第二模数转换器的采样值达到预设输出电压阈值时，确定与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压，并基于与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的所述供电电压来确定所述光电二极管的击穿电压。

15.根据权利要求14所述的电路，其中所述预设输出电压阈值对应所述光电二极管产生的暗电流为10uA时的所述第一电压值。

16.根据权利要求14所述的电路，其中所述控制器和所述MUX选择器配置成：当所述MUX选择器选择其中一个通道时，所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压，所述MUX选择器然后切换到另一个通道，所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

17.根据权利要求14所述的电路，其中所述控制器和所述MUX选择器配置成：所述控制器通过所述电压控制信号控制所述电压生成单元输出所述电压序列，在初始高电压切换为低电压时通过所述第二模数转换器对所述跨阻放大电路输出的第一电压信号采样，然后通过所述MUX选择器切换到各个通道并对所述第一电压信号采样；然后以所述预设压差升高所述初始高电压，在切换为低电压时对各个通道的所述第一电压信号采样，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的电路，其中所述光电二极管是雪崩光电二极管。

19.一种获取光电二极管的击穿电压的方法，包括如下步骤：

S101：接收电压控制信号，以输出包括电压序列的供电电压，其中所述电压序列包括依次升高的多个高电压；

S102：将所述包括电压序列的供电电压施加到所述光电二极管；

S103：将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号输出；和

S104：根据所述供电电压与所述第一电压信号的关系曲线来确定所述光电二极管的击穿电压。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述步骤S101包括：

通过第一数模转换器接收所述电压控制信号并生成第二电压信号；

通过放大器接收并放大所述第二电压信号，并输出所述供电电压；

通过第一模数转换器对所述供电电压进行采样；和

基于所述第一模数转换器采样的所述供电电压与预设供电电压之间的偏差来校准所述电压控制信号。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述步骤S101中所述电压序列还包括多个相同的低电压，各所述高电压和各所述低电压依次间隔，并配置为所述多个高电压中的初始高电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流，且各所述高电压以预设压差依次升高，各所述低电压设定为不使所述光电二极管产生暗电流。

22.根据权利要求21所述的方法，其中第一电阻耦接在所述光电二极管的阳极与电源之间，第一电容耦接于所述光电二极管的阳极和跨阻放大电路的输入端之间，其中各所述高电压的持续时间使得所述第一电容充电完成，各所述低电压的持续时间使得所述第一电容放电完成。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述步骤S103包括：通过跨阻放大电路将所述光电二极管的电流信号转换为第一电压信号，所述方法还包括：通过第二模数转换器对所述跨阻放大电路输出的第一电压信号采样。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述步骤S103中所述第二模数转换器对所述第一电压信号进行采样的时刻是在各所述低电压持续时间内并接近所述高电压切换为低电压的时刻，其中所述高电压切换为低电压的时刻为所述第一电容开始放电的时刻。

25.根据权利要求23所述的方法，其中所述步骤S104包括：当所述第二模数转换器的采样值达到预设输出电压阈值时，确定与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压，并基于与该预设输出电压阈值对应的所述光电二极管的供电电压来确定所述光电二极管的击穿电压；其中所述预设输出电压阈值对应所述光电二极管产生的暗电流为10uA时的所述第一电压值。

26.根据权利要求25所述的方法，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路串联以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路连接到MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：当所述MUX选择器选择其中一个通道时，重复步骤S101-S104，所述MUX选择器然后切换到另一个通道，重复步骤S101-S104，直至全部通道执行完成。

27.根据权利要求25所述的方法，其中多个光电二极管分别和多个跨阻放大电路串联以构成多个通道，每个通道的跨阻放大电路连接到MUX选择器的其中一个输入端，所述MUX选择器的输出端耦接到所述第二模数转换器，并配置成可切换选择其中一个通道的电压信号并输出，所述方法还包括：在所述初始高电压切换为低电压时对所述第一电压信号采样，然后通过所述MUX选择器切换到各个通道依次对所述第一电压信号采样；以所述预设压差升高所述初始高电压，在切换为低电压时对各个通道的所述第一电压信号采样，直至所述电压序列中的高电压达到预设目标电压。

28.根据权利要求19-27中任一项所述的方法，其中所述方法通过如权利要求1-18中任一项所述的电路实施。

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