CN214751576U - 一种应用于雪崩二极管apd的升压型高压偏置电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，包括温度信号调理单元、控制信号调理单元、信号累加单元、反馈信号调理单元及升压单元；温度信号经所述温度信号调理单元调整、及控制信号经所述控制信号调理单元调整后，经过所述信号累加单元累加后输出，之后经过所述反馈信号调理单元与输出电压分压信号进行差分调整后输出到所述升压单元的反馈端，所述升压单元输出得到温度范围内带温度补偿的偏置电压输出。本实用新型克服了传统APD高压偏置电路采用的分压方式造成的输出电压可调范围受限以及需要配备高压电源的不便；具有宽动态范围、精度高、稳定性好等优点。

Description

一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路

技术领域

本实用新型涉及医学检测技术领域，具体涉及一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路。

背景技术

光模块的APD偏压电路一般由温度补偿电路、信号调理电路和电压放大电路三部分构成。对于现有的温度补偿方法，大部分需要对温度测量后使用微处理器控制，还有一些电路设计比较复杂。一般的电压放大电路需要用到高压电源进行分压后输出，由于高压电源固定电压值的限制以及分压方式所依赖的元件精度的需求，会造成输出偏置电压的可调范围受限和变化量超出容许的误差范围。

实用新型内容

针对现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路。

本实用新型的技术方案概述如下：

本实用新型提供一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，包括温度信号调理单元、控制信号调理单元、信号累加单元、反馈信号调理单元及升压单元；温度信号经所述温度信号调理单元调整、及控制信号经所述控制信号调理单元调整后，经过所述信号累加单元累加后输出，之后经过所述反馈信号调理单元与输出电压分压信号进行差分调整后输出到所述升压单元的反馈端，所述升压单元输出得到温度范围内带温度补偿的偏置电压输出。

进一步地，所述温度信号调理单元包括温度测量芯片、第一放大器，所述温度测量芯片的输出信号的增益k1M，与雪崩二极管的温度系数相关。

进一步地，所述温度测量芯片通过电阻R12连接至所述第一放大器的正向输入端，所述第一放大器的反向输入端通过电阻R13接地，所述第一放大器的反向输入端和输出端通过电阻R15相连，第一放大器的输出温度信号系数k1＝1+R15/R13。

进一步地，所述控制信号调理单元包括第二放大器；控制信号通过电阻R21和电阻R22分压，分压输出端通过电阻R23连接至所述第二放大器的正向输入端，所述第二放大器的反向输入端通过电阻R24接地，所述第二放大器的反向输入端和输出端通过电阻R26相连。

进一步地，所述控制信号的增益k2M，与输入的控制信号的振幅范围及需要的电压调节范围相关；第二放大器的输出控制信号比例系数k2＝R22/(R21+R22)*(1+R26/R24)。

进一步地，所述信号累加单元包括加法器；所述温度信号调理单元的输出端通过电阻R31连接至所述加法器的正向输入端，所述控制信号调理单元的输出端通过电阻R32连接至所述加法器的正向输入端，所述加法器的反向输入端通过电阻R34接地，所述加法器的反向输入端和输出端通过电阻R35相连。

进一步地，所述反馈信号调理单元包括减法器、分压电阻R46和分压电阻R47；所述加法器的输出端通过电阻R41连接至所述减法器的反向输入端，所述减法器的正向输入端通过电阻R42接地，所述减法器的正向输入端通过电阻R45连接至分压电阻R46和分压电阻R47的分压端，所述分压电阻R46的另一端连接至所述升压单元的电压输出端，所述分压电阻R47的另一端接地，所述减法器的反向输入端和输出端通过电阻R43相连，所述减法器的输出端连接至所述升压单元的反馈端。

进一步地，所述升压单元的放大倍数M＝(R46+R47)/R47。

进一步地，所述升压单元包括升压电感、升压控制芯片、N型开关管和二极管；所述升压电感的一端连接至输入电压VIN，所述升压电感的另一端同时连接所述N型开关管的漏极和所述二极管的正极，所述二极管的负极做电压输出，所述升压控制芯片的输出端连接至所述N型开关管的栅极，所述N型开关管的源极接地。

进一步地，所述升压型高压偏置电路中的参数可根据所述升压单元输出的偏置电压与所述温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、所述升压控制芯片的基准电压之间的关系模型确定；

所述升压单元输出的偏置电压与所述温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、所述升压控制芯片的基准电压存在关系模型为：

Vapd＝k1M*Vt+k2M*Vctrl+M*Vref；

其中，Vapd为输出的偏置电压；Vctrl为控制信号调理单元输入的控制信号；Vt为所述温度测量芯片的输出信号，Vref为所述升压控制芯片的基准电压，k1M为所述温度测量芯片的输出信号增益；k2M为所述控制信号的增益，M为所述升压单元的放大倍数。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：本实用新型克服了传统APD高压偏置电路采用的分压方式造成的输出电压可调范围受限以及需要配备高压电源的不便；本实用新型通过温度信号调理单元根据雪崩二极管的温度系数调节放大系数，补偿随着温度变化而引起的雪崩二极管的增益的变化；通过控制信号调理单元调节控制放大精度，满足不同的偏压精度要求；利用减法器将调理控制信号和调理温度信号引入升压模式，满足输出偏置电压的可控性和准确性；升压单元中采用升压控制芯片，提高了输入电压的适配度；本实用新型提供的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路无需高压电源且具有宽动态范围、精度高、稳定性好等优点。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路的流程图；

图2为本实用新型的一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路的示意图。

附图标记：1、温度信号调理单元；2、控制信号调理单元；3、信号累加单元；4、反馈信号调理单元；5、升压单元；11、温度测量芯片；14、第一放大器；25、第二放大器；33、加法器；44、减法器；51、升压电感；52、升压控制芯片；53、N型开关管；54、二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，本实用新型的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-2所示，本实用新型提供一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，包括温度信号调理单元1、控制信号调理单元2、信号累加单元3、反馈信号调理单元4及升压单元5，温度信号经温度信号调理单元1调整、及控制信号经控制信号调理单元2调整后，经过信号累加单元3累加后输出，之后经过反馈信号调理单元4与输出电压分压信号进行差分调整后输出到升压单元5的反馈端，升压单元5输出得到温度范围内带温度补偿的偏置电压输出。

优选地，温度信号调理单元1包括温度测量芯片11、第一放大器14。其中，温度测量芯片11的输出信号的增益k1M，与雪崩二极管的温度系数相关。

温度测量芯片11通过电阻R12连接至第一放大器14的正向输入端，第一放大器14的反向输入端通过电阻R13接地，第一放大器14的反向输入端和输出端通过电阻R15相连。其中，第一放大器14的输出温度信号系数k1＝1+R15/R13。

本实用新型中温度测量芯片11的输出信号的增益k1M，与雪崩二极管的温度系数相关。可以理解为，为了实现APD管的温度系数补偿，需要温度测量芯片11的输出信号能够补偿APD管的温度系数，因此，可根据雪崩二极管的温度系数确定温度测量芯片11的输出信号的增益k1M，优选地，可预先建立雪崩二极管的温度系数与温度测量芯片11的输出信号的增益k1M之间的关系模型，在具体实施例中，例如，需要温度测量芯片输出信号能补偿APD管温度系数k＝0.65V/℃，k1M可以是0.65/0.01＝65。

温度信号经温度信号调理单元1调整后得到调理温度信号。

控制信号调理单元2包括第二放大器25；控制信号通过电阻R21和电阻R22分压，分压输出端通过电阻R23连接至第二放大器25的正向输入端，第二放大器25的反向输入端通过电阻R24接地，第二放大器25的反向输入端和输出端通过电阻R26相连。

控制信号的增益k2M，与输入的控制信号的振幅范围及需要的电压调节范围相关；第二放大器25的输出控制信号比例系数k2＝R22/(R21+R22)*(1+R26/R24)。

例如，输入的控制信号的振幅范围为0到3V，需要的电压调节范围为70V到150V，控制信号的增益k2M为80/3。

控制信号经控制信号调理单元2调整后得到调理控制信号。

信号累加单元3包括加法器33；温度信号调理单元1的输出端通过电阻R31连接至加法器33的正向输入端，控制信号调理单元2的输出端通过电阻R32连接至加法器33的正向输入端，加法器33的反向输入端通过电阻R34接地，加法器33的反向输入端和输出端通过电阻R35相连。

具体地，第一放大器14的输出端通过电阻R31连接至加法器33的正向输入端，第二放大器25的输出端通过电阻R32连接至加法器33的正向输入端。

反馈信号调理单元4包括减法器44、分压电阻R46和分压电阻R47；加法器33的输出端通过电阻R41连接至减法器44的反向输入端，减法器44的正向输入端通过电阻R42接地，减法器44的正向输入端通过电阻R45连接至分压电阻R46和分压电阻R47的分压端，分压电阻R46的另一端连接至升压单元的电压输出端，分压电阻R47的另一端接地，减法器44的反向输入端和输出端通过电阻R43相连，减法器44的输出端连接至升压单元的反馈端。

其中，分压电阻R46和分压电阻R47根据输出电压分压信号进行分压。

分压单元5的放大倍数与分压电阻R46和分压电阻R47的电阻值相关，具体地，升压单元的放大倍数M＝(R46+R47)/R47。

升压单元5包括升压电感51、升压控制芯片52、N型开关管53和二极管54；升压电感51的一端连接至输入电压VIN，升压电感51的另一端同时连接N型开关管53的漏极和二极管54的正极，二极管54的负极做电压输出，升压控制芯片52的输出端连接至N型开关管53的栅极，N型开关管53的源极接地。

具体地，减法器44的输出端连接至升压控制芯片52的反馈端。

本实用新型中设定第一放大器的输出温度信号系数k1＝1+R15/R13，第二放大器的输出控制信号比例系数k2＝R22/(R21+R22)*(1+R26/R24)，设定信号累计单元3中的电阻R31＝R32＝R33＝R34,设定反馈信号调理单元4中的电阻R41＝R42＝R43＝R45,设定升压模块5的放大倍数M＝(R46+R47)/R47，输入电压为Vin，升压单元输出的偏置电压与温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、升压控制芯片的基准电压存在关系模型为：

Vapd＝k1M*Vt+k2M*Vctrl+M*Vref；

其中，Vapd为输出的偏置电压；Vctrl为控制信号调理单元输入的控制信号；Vt为温度测量芯片11的输出信号，Vref为升压控制芯片52的基准电压，k1M为温度测量芯片11的输出信号增益；k2M为控制信号的增益，M为升压单元的放大倍数。

可以理解为，上述关系模型中的三个系数分别是：第一项为温度测量芯片输出信号增益，第二项为控制信号的增益，第三项为截距，M*Vref为前两项为0时电路输出的电压值。上述信号均表示信号的电压。

在本实用新型中，可按照电路结构架构电路，升压型高压偏置电路中的参数可根据所述升压单元输出的偏置电压与所述温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、所述升压控制芯片的基准电压之间的关系模型确定。

根据需求搭建实际的电路，实例如下：

假设输入控制信号Vctrl范围为0到3V，采用滨松的一款APD管，其温度系数k＝0.65V/℃，升压控制芯片11的基准电压为Vref为1.25V，需要调节的电压范围从70V到150V。温度测量芯片11的输出为10mV/℃，室温25度时输出250mV。

具体的升压型高压偏置电路中的参数可根据升压单元输出的偏置电压与温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、升压控制芯片的基准电压之间的关系模型确定的步骤包括：

S1、根据雪崩二极管的温度系数确定温度测量芯片11的输出信号的增益k1M。

例如，为了实现APD管的温度系数补偿，需要温度测量芯片输出信号能补偿APD管温度系数k＝0.65V/℃，所以k1M＝0.65/0.01＝65。

S2、根据输入的控制信号的振幅范围及需要的电压调节范围，确定控制信号的增益k2M.

例如，控制信号的摆幅0到3V应对应于要求的电压调节范围70V到150V,所以k2M为80/3。

S3、基于关系模型，根据最低输出电压信号得到升压单元的放大倍数M。

最低输出电压信号为70V,考虑到室温情况下。温度测量信号的输出电压值不为0，取其为25℃，即输出为0.25V,所以VrefM＝70-0.25*65，即可得出M＝43。

S4、根据得到的温度测量芯片11的输出信号的增益k1M、控制信号的增益k2M及升压单元的放大倍数M，得到第一放大器的输出温度信号系数k1、第二放大器的输出控制信号比例系数k2的值。

由上述步骤可知，k1＝65/43,k2＝80/129；

S5、根据第一放大器的输出温度信号系数k1、第二放大器的输出控制信号比例系数k2的值得到各电阻值。

取R13＝43kΩ，那么R15＝22kΩ，取R21＝200kΩ，R22＝100kΩ,R24＝43kΩ，那么R26＝37kΩ，选取标准值36kΩ和1kΩ串联，取R47＝1kΩ，那么R46＝42kΩ，选取标准值39kΩ和3kΩ串联。

本实用新型克服了传统APD高压偏置电路采用的分压方式造成的输出电压可调范围受限以及需要配备高压电源的不便；本实用新型通过温度信号调理单元根据雪崩二极管的温度系数调节放大系数，补偿随着温度变化而引起的雪崩二极管的增益的变化；通过控制信号调理单元调节控制放大精度，满足不同的偏压精度要求；利用减法器将调理控制信号和调理温度信号引入升压模式，满足输出偏置电压的可控性和准确性；升压单元中采用升压控制芯片，提高了输入电压的适配度；本实用新型提供的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路无需高压电源且具有宽动态范围、精度高、稳定性好等优点。

需要说明的是：上述本实用新型实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置和电子设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，包括温度信号调理单元、控制信号调理单元、信号累加单元、反馈信号调理单元及升压单元；

温度信号经所述温度信号调理单元调整、及控制信号经所述控制信号调理单元调整后，经过所述信号累加单元累加后输出，之后经过所述反馈信号调理单元与输出电压分压信号进行差分调整后输出到所述升压单元的反馈端，所述升压单元输出得到温度范围内带温度补偿的偏置电压输出。

2.如权利要求1所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述温度信号调理单元包括温度测量芯片、第一放大器，所述温度测量芯片的输出信号的增益k1M，与雪崩二极管的温度系数相关。

3.如权利要求2所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述温度测量芯片通过电阻R12连接至所述第一放大器的正向输入端，所述第一放大器的反向输入端通过电阻R13接地，所述第一放大器的反向输入端和输出端通过电阻R15相连，第一放大器的输出温度信号系数k1＝1+R15/R13。

4.如权利要求2所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述控制信号调理单元包括第二放大器；控制信号通过电阻R21和电阻R22分压，分压输出端通过电阻R23连接至所述第二放大器的正向输入端，所述第二放大器的反向输入端通过电阻R24接地，所述第二放大器的反向输入端和输出端通过电阻R26相连。

5.如权利要求4所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述控制信号的增益k2M，与输入的控制信号的振幅范围及需要的电压调节范围相关；第二放大器的输出控制信号比例系数k2＝R22/(R21+R22)*(1+R26/R24)。

6.如权利要求1所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述信号累加单元包括加法器；所述温度信号调理单元的输出端通过电阻R31连接至所述加法器的正向输入端，所述控制信号调理单元的输出端通过电阻R32连接至所述加法器的正向输入端，所述加法器的反向输入端通过电阻R34接地，所述加法器的反向输入端和输出端通过电阻R35相连。

7.如权利要求6所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述反馈信号调理单元包括减法器、分压电阻R46和分压电阻R47；所述加法器的输出端通过电阻R41连接至所述减法器的反向输入端，所述减法器的正向输入端通过电阻R42接地，所述减法器的正向输入端通过电阻R45连接至分压电阻R46和分压电阻R47的分压端，所述分压电阻R46的另一端连接至所述升压单元的电压输出端，所述分压电阻R47的另一端接地，所述减法器的反向输入端和输出端通过电阻R43相连，所述减法器的输出端连接至所述升压单元的反馈端。

8.如权利要求7所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述升压单元的放大倍数M＝(R46+R47)/R47。

9.如权利要求2所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述升压单元包括升压电感、升压控制芯片、N型开关管和二极管；所述升压电感的一端连接至输入电压VIN，所述升压电感的另一端同时连接所述N型开关管的漏极和所述二极管的正极，所述二极管的负极做电压输出，所述升压控制芯片的输出端连接至所述N型开关管的栅极，所述N型开关管的源极接地。

10.如权利要求9所述的应用于雪崩二极管APD的升压型高压偏置电路，其特征在于，所述升压型高压偏置电路中的参数可根据所述升压单元输出的偏置电压与所述温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、所述升压控制芯片的基准电压之间的关系模型确定；

所述升压单元输出的偏置电压与所述温度测量芯片的输出信号、控制信号调理单元输入的控制信号、所述升压控制芯片的基准电压存在关系模型为：

Vapd＝k1M*Vt+k2M*Vctrl+M*Vref；

其中，Vapd为输出的偏置电压；Vctrl为控制信号调理单元输入的控制信号；Vt为所述温度测量芯片的输出信号，Vref为所述升压控制芯片的基准电压，k1M为所述温度测量芯片的输出信号增益；k2M为所述控制信号的增益，M为所述升压单元的放大倍数。

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