本發(fā)明涉及光電檢測技術領域，尤其涉及一種APD偏置電壓溫度補償電路。

背景技術：

近年來為探測到更微弱的光信號，高速光電檢測電路廣泛采用雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)作為光電檢測器，APD是在光電信號變換中的重要橋梁。

由于，高速光電檢測電路中光模塊的工作電壓一般為3.3V或5V，而APD所需的工作電壓高達幾十伏，因此為保證APD的正常工作，需引入高壓驅動電路來對APD進行升壓。目前，APD高壓驅動電路大部分直接采用能夠實現(xiàn)DC/DC轉換功能的專用升壓芯片進行升壓或倍壓來達到APD的擊穿電壓，或者直接采用微控制器(Micro Controller Unit，MCU)控制升壓電路輸出高壓信號，使得APD接收器獲得足夠的擊穿電壓達到雪崩狀態(tài)，產生倍增效應。APD獲取足夠的擊穿電壓，達到雪崩狀態(tài)后，即會將接收到的微弱光信號轉換成電信號，并將轉換成的電信號傳遞給光電檢測系統(tǒng)的其他器件進行處理，以實現(xiàn)對該微弱光信號的探測。然而，由于實際應用中環(huán)境溫度的變化對APD的特性影響很大，導致現(xiàn)有的APD高壓驅動電路往往很難長時間穩(wěn)定工作。具體來說，擊穿電壓V_B為溫度T的函數(shù)，因此當環(huán)境溫度變化時，擊穿電壓V_B會隨之變化；而根據(jù)理論研究，APD的倍增因子M與偏置電壓V(也稱高壓)及擊穿電壓V_B存在以下關系：(n介于1到3之間，它由APD的具體材料有關，在室溫時可認為是固定值)，因此若擊穿電壓V_B發(fā)生變化而APD的偏置電壓V不變，則倍增因子M即會隨擊穿電壓V_B的變化而變化。即，當環(huán)境溫度T發(fā)生改變時，由于擊穿電壓V_B發(fā)生變化，若偏置電壓V保持不變，則倍增因子M將發(fā)生明顯改變，引起APD的電流增益變化，導致APD的增益穩(wěn)定性變差。

技術實現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明提供了一種APD偏置電壓的溫度補償電路，以至少解決現(xiàn)有的APD高壓驅動電路由于APD溫度特性的影響而無法長時間穩(wěn)定工作的問題，能夠對APD的偏置電壓進行補償，使其隨工作溫度的變化而變化，提高APD增益穩(wěn)定性，從而提高APD的光電檢測性能的精確度。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種APD偏置電壓的溫度補償電路，包括：升壓電路單元，APD以及溫度補償電路單元；其中，升壓電路單元至少包括升壓轉換芯片和第一電阻，第一電阻一端接升壓轉換芯片的電壓調節(jié)反饋端，另一端接APD的陰極，并形成溫度補償電路的電壓輸出端；溫度補償電路單元包括：第二電阻、第三電阻以及負溫度系數(shù)熱敏電阻，第二電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻串聯(lián)，第三電阻與第二電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻并聯(lián)，第三電阻連接在升壓轉換芯片的電壓調節(jié)反饋端和地之間。

基于本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路，采用負溫度系數(shù)熱敏電阻設計溫度補償電路單元，進而利用溫度補償電路單元實現(xiàn)了對APD偏置電壓的補償，在滿足能正常驅動APD同時，能夠有效的將環(huán)境溫度的變化反映到升壓轉換芯片的輸入反饋電壓處，從而實現(xiàn)對APD升壓電路單元輸出的電壓進行不斷自適應反饋調節(jié)，使其隨工作溫度的變化而變化，使APD增益穩(wěn)定性得以提高，從而提高APD的光電檢測性能的精確度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種APD偏置電壓的溫度補償電路的組成結構圖一；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種APD偏置電壓的溫度補償電路的組成結構圖二；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種APD偏置電壓的溫度補償電路的組成結構圖三；

圖4為本發(fā)明實施例中驗證實驗的結果圖，其中，橫坐標表示溫度值(單位為℃)，縱坐標表示電壓值(單位為V)，實線y＝Vapd為APD最佳工作電壓隨溫度變化曲線，虛線y＝Vout為溫度補償后電路輸出電壓隨溫度變化曲線；

圖1-3中，F(xiàn)BX電壓調節(jié)反饋引腳，EN使能引腳，Vin電源輸入引腳，SW內部電源轉換輸出引腳，INTVcc內部穩(wěn)壓載荷供應引腳，GND接地引腳。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

為了便于清楚描述本發(fā)明實施例的技術方案，在本發(fā)明的實施例中，采用了“第一”、“第二”等字樣對功能和作用基本相同的相同項或相似項進行區(qū)分，本領域技術人員可以理解“第一”、“第二”等字樣并不對數(shù)量和執(zhí)行次序進行限定。

圖1所示為本發(fā)明實施例提供的一種APD偏置電壓的溫度補償電路的組成結構圖。

參見圖1，本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路包括：升壓電路單元10，APD 20以及溫度補償電路單元30。

其中，升壓電路單元10至少包括升壓轉換芯片和第一電阻R1，第一電阻R1一端接升壓轉換芯片的電壓調節(jié)反饋端，另一端接APD 20的陰極，并形成溫度補償電路的電壓輸出端。其中，APD 20的陽極接入用于探測光信號的高速光電檢測電路。

溫度補償電路單元30包括：第二電阻R2、第三電阻R3以及負溫度系數(shù)熱敏電阻R_T。第二電阻R2和負溫度系數(shù)熱敏電阻R_T串聯(lián)，第三電阻R3與第二電阻R2和負溫度系數(shù)熱敏電阻R_T并聯(lián)，第三電阻R3連接在升壓轉換芯片的電壓調節(jié)反饋端(圖1中FBX即電壓調節(jié)反饋端)和地之間。

其中，升壓電路單元10中的升壓轉換芯片具體可以是LT1930、LT8330、LT8580等系列芯片，也可以是LTC33986、LTC3704等系列芯片，本發(fā)明實施例對此不作具體限定。

進一步的，如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路中，升壓電路單元10還可以包括第一電感L1、二極管以及第一電容C1。其中，升壓轉換芯片的電源輸入引腳和使能引腳分別與+5V外接電源連接，接地引腳接地；第一電感L1連接在升壓轉換芯片的電源輸入引腳和切換引腳之間；二極管的陽極接升壓轉換芯片的電源輸入引腳，陰極接APD 20的陰極；第一電容C1連接在+5V外接電源和地之間。

需要說明的是，圖2中，“FBX”表示升壓轉換芯片的電壓調節(jié)反饋引腳，“EN”表示升壓轉換芯片的使能引腳，“Vin”表示升壓轉換芯片的電源輸入引腳，“SW”表示升壓轉換芯片的內部電源轉換輸出引腳，“INTVcc”表示升壓轉換芯片的內部穩(wěn)壓載荷供應引腳，“GND”表示升壓轉換芯片的接地引腳。

優(yōu)選的，如圖3所示，本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路中，升壓電路單元10還可以包括第二電感L2、第二電容C2、第三電感L3以及第三電容C3。其中，第二電容C2連接在升壓轉換芯片的內部穩(wěn)壓載荷供應引腳和地之間，第二電感L2連接在+5V外接電源與升壓轉換芯片的使能引腳之間，第三電感L3連接在二極管與APD 20的陰極之間，第三電容C3連接在APD 20的陰極和地之間。

基于圖3所示的APD 20偏置電壓的溫度補償電路，第二電感L2和第二電容C2以及第三電感L3和第三電容C3可以分別構成濾波電路，以保留電路中的直流成分，濾除交流成分，變成平滑直流電，避免交流成分對APD 20偏置電壓的補償造成干擾。

優(yōu)選的，本發(fā)明實施例提供的APD 20偏置電壓的溫度補償電路的電壓輸出端的輸出電壓為：

式中，V_out表示溫度補償電路的電壓輸出端的輸出電壓，R1表示第一電阻R1的阻值，R2表示第二電阻R2的阻值，R3表示第三電阻R3的阻值，//表示電阻并聯(lián)，T表示APD2020的工作溫度，R(T)表示負溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度為T時的阻值。

其中，負溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度為T時的阻值具體可通過查詢手冊獲得，通常，負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值和溫度滿足以下公式：

R(T)＝exp(-aT+c)，

式中，exp()表示以自然對數(shù)e為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)，a和c為常數(shù)，a＞0，c＞0。一般而言，常見的負溫度系數(shù)熱敏電阻對應的a為0.0437，c為18.32。

具體的，當APD的工作溫度為T時，APD 20的偏置電壓為：

V＝V₀+δ(T-T₀)，

式中，V表示偏置電壓，δ表示APD的溫度系數(shù)，T₀表示基準溫度，V₀表示基準溫度時APD的最佳工作電壓。

其中，APD的溫度系數(shù)表示當APD的工作溫度增加1℃，為維持APD倍增因子不變，其偏置電壓需增加的幅度；APD在某一工作溫度下的最佳工作電壓表示在該工作溫度下為了使APD的倍增因子達到最大所需的偏置電壓。需要說明的是，APD的信號不同時，其對應的溫度系數(shù)及最佳工作電壓有所不同，APD的溫度系數(shù)及最佳工作電壓具體可通過設備手冊獲得?；鶞蕼囟纫部筛鶕?jù)設備手冊里的相關參數(shù)進行設置，簡便起見，可選擇室溫(25℃)作為基準溫度。

示例性的，型號為LSIAPD 20-S200的APD對應的溫度系數(shù)為0.12V/℃(即δ＝0.12V/℃)，其在室溫(25℃)時的最佳工作電壓為46V，因此可將25℃選作為基準溫度T₀，將25℃時APD的最佳工作電壓46V選作對應的V₀。

優(yōu)選的，本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路中，第一電阻的阻值R1、第二電阻的阻值R2及第三電阻的阻值R3滿足如下方程組：

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)表示負溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度為T₀時的阻值。

以下給出上式的推導過程如下：

對APD作需要的偏置電壓進行溫度補償，即是使本發(fā)明實施例提供的溫度補償電路最終的輸出電壓V_out等于APD當前工作溫度下所需的偏置電壓V，即令：

V_out＝V 公式(1)

而V＝v₀+δ(T-T₀)，因此有：

令T-T₀＝ΔT，則公式(2)可變換為如下所示的公式(3)：

進一步的，為實現(xiàn)對APD偏置電壓的線性溫度補償，需使APD的偏置電壓隨溫差線性變化，因此令公式(3)等號的左、右邊部分均分別等于(kΔT+b)，則有：

對公式(4)等號左邊進行變換，即可得到如下所示的公式(6)：

對照公式(6)等號的左右兩邊，可以得出：

同時，對公式(5)進行簡化，可得到如下所示的公式(7)：

令則利用泰勒級數(shù)二階展開式，對公式(7)等號左右兩邊在ΔT＝0處進行展開，可得到如下所示的公式(8)：

對照公式(8)左右兩邊，即得到如公式(9)所示的方程組：

公式(9)所示的方程組即第一電阻、第二電阻及第三電阻的阻值需滿足的關系式，求解公式(9)即可得到第一電阻、第二電阻及第三電阻的阻值，即R1、R2及R3。

示例性的，當選用型號為LT8330芯片作為升壓轉換芯片，且APD的型號為LSIAPD 20-S200時，將APD及負溫度系數(shù)熱敏電阻的相關參數(shù)帶入公式(9)，可以確定第一電阻的阻值R1＝68.65×10³Q，第二電阻的阻值R2＝10⁴，第三電阻的阻值R3＝2.82×10³。

基于本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路，采用負溫度系數(shù)熱敏電阻設計溫度補償電路單元，進而利用溫度補償電路單元實現(xiàn)了對APD偏置電壓的補償，在滿足能正常驅動APD同時，能夠有效的將環(huán)境溫度的變化反映到升壓轉換芯片的輸入反饋電壓處，從而實現(xiàn)對APD升壓電路單元輸出的電壓進行不斷自適應反饋調節(jié)，使其隨工作溫度的變化而變化，使APD增益穩(wěn)定性得以提高，從而提高APD的光電檢測性能的精確度。

進一步的，為說明本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路的上述有益效果，發(fā)明人還進行了如下驗證實驗：

使用型號為LT8330的升壓轉換芯片，型號為LSIAPD 20-S200的APD，按照本發(fā)明實施例中圖3所示的電路圖搭建電路，改變APD的工作溫度，并測量電路的輸出電壓值，進而繪制電路輸出電壓隨工作溫度變化曲線，并將該曲線與APD最佳工作電壓隨溫度變化的曲線進行對比。

圖4為實驗結果圖，圖中實線y＝Vapd為APD最佳工作電壓隨溫度變化曲線，圖中虛線y＝Vout為溫度補償后電路輸出電壓隨溫度變化曲線。觀察兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)溫度補償后電路輸出電壓隨溫度變化曲線與APD最佳工作電壓隨溫度變化曲線基本重合，二者僅有微小差別，可以得出結論：本發(fā)明實施例提供的APD偏置電壓的溫度補償電路在滿足能正常驅動APD同時，能夠有效的將環(huán)境溫度的變化反映到升壓轉換芯片的輸入反饋電壓處，實現(xiàn)對APD升壓電路單元輸出的電壓進行不斷自適應反饋調節(jié)，使其隨工作溫度的變化而變化。

本領域普通技術人員可以理解：實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。