一款低成本硅PIN光電二極管偏置電路的設計及應用

賈牧霖+曾國強+馬雄楠

摘 要： 硅PIN光電二極管在微弱光信號檢測領(lǐng)域的應用越來越廣泛，但其效果會受到偏置電壓等因素的影響，穩(wěn)定性高、紋波系數(shù)小的偏置電壓對準確獲得被測信號來說是必不可少的。設計一款基于TPS61040電壓轉(zhuǎn)換芯片的硅PIN光電二極管偏置電路，并將其用于NaI（Tl）晶體的微弱光信號檢測，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 硅PIN光電二極管； 偏置電路； 電子濾波器； 閃爍探測器

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0159?03

Design and application of low?price bias circuit for Si?PIN photodiodes

JIA Mu?lin1， ZENG Guo?qiang2， MA Xiong?nan3

（1. Guangxi Radiation Environment Supervision and Management Station， Naning 530222， China； 2. Chengdu University of Technologe， Chengdu 610059， China；

3. China Institude For Radiation Protection， Taiyuan 030006， China）

Abstract： The Si?PIN photodiodes have been more and more widely used in the areas of weak light signal detection， but the result of detection is more likely affected by bias voltage and other factors. The high?stability bias voltage with low ripple coefficient is essential for accurately achieving the detected weak light singal. A Si?PIN photodiode bias circuit based on TPS61040 DC/DC boost converting chip was design and applied to the weak light signal detection of the NaT （Tl） scintillator. A good result was achieved.

Keywords： Si?PIN photondiode； bias circuit； electronic filter； scintillator detector

硅PIN光電二極管（以下簡稱SPD）作為一種成熟的半導體光電器件，因其特有的優(yōu)勢在自控、通信、環(huán)保、醫(yī)療及高能物理研究等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用，但其使用極易受所加偏置電壓的影響。因此，在實際應用中對SPD上所加的偏置電壓的要求非常苛刻，必須具備很低的紋波系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，這也就造成常用的SPD偏置電路成本較高。針對這一情況，本文將介紹一款基于TPS61040電壓轉(zhuǎn)換芯片的偏壓電路設計，并將其應用于NaI（Tl）+SPD輻射探測器的信號檢測。

1 硅PIN光電二極管與偏置電壓關(guān)系

1.1 SPD及其偏置電壓簡介

與普通光電二極管相比，SPD是由中間隔著本征層的PN結(jié)構(gòu)成。當在PN兩端外加反向偏壓時，內(nèi)建電場幾乎集中于I層，使得耗盡層厚度加大，增大了對光子的吸收和轉(zhuǎn)換有效區(qū)域，提高了量子效率；同時，PN節(jié)雙電層間距加寬，降低了器件本身的結(jié)電容，如圖1所示。使得器件的響應速度提高，有利于在微弱光脈沖信號檢測領(lǐng)域的運用；此外，結(jié)電容的降低減小了信號電荷在其上的分配，有利于為前置放大電路輸入更多的原始信號電荷。

圖1 偏置電壓與結(jié)電容關(guān)系

1.2 偏置電壓電平選擇

但偏置電壓不是越高越好，原因是SPD的暗電流隨偏壓的增加而增加，如圖2所示。當偏壓超過一定值時，暗電流隨偏壓呈線性增長趨勢，使得整個系統(tǒng)的信噪比迅速降低。在進行微弱光信號檢測時，若所加偏壓自身噪聲較大，將直接影響到有用信號的提取，甚至可能將有用信號完全湮沒。綜合SPD的特性曲線和實驗結(jié)果，一般將偏置電壓設定在24 V。

圖2 偏置電壓與暗電流關(guān)系

2 偏置電路設計

2.1 升壓芯片確定

通常，便攜式儀器配用的電源電壓為較低，無法滿足SPD偏置電壓電平24 V的要求，須進行升壓處理。目前，主要選用APD（雪崩光電二極管）專用升壓芯片（如：MAX5026，MAX1932等）構(gòu)成SPD的偏置電路，但成本相對較高，且這類芯片升壓幅度遠超過SPD的需要，造成了一定的浪費。因此，設計一款低成本的SPD專用偏置電路是非常有必要的。

本文選用的TPS61040升壓芯片是一款由德州儀器公司生產(chǎn)的電感式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其主要特點是價格低、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高。該芯片采用脈沖頻率調(diào)制（FPM）模式，開關(guān)頻率高達1 MHz；輸入電壓范圍為1.8～6 V，可選用的供電電源較為豐富，適用性強；最高輸出電壓可達28 V，可滿足絕大部分SPD的偏壓電平要求。

2.2 TPS61040工作原理

TPS61040的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，其脈沖頻率調(diào)制模式（PFM）工作原理如下：轉(zhuǎn)換器通過FB腳檢測輸出電壓，當反饋電壓降到參考電壓1.233 V以下時，啟動內(nèi)部開關(guān)，使電感電流增大，并開始儲能；當流過外部電感的電流達到內(nèi)部設定的電流峰值400 mA或者開關(guān)啟動時間超過6 μs時，內(nèi)部開關(guān)自動關(guān)閉，電感所儲能量開始釋放；反饋電壓低于1.233 V或內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉時間超過400 ns，開關(guān)再次啟動，電流增大。通過PFM峰值電流控制的調(diào)配，轉(zhuǎn)換器工作在不間斷導通模式，開關(guān)頻率取決于輸出電流大小。這種方式使得轉(zhuǎn)換器具有85%的轉(zhuǎn)換效率。芯片內(nèi)部集成的MOSFET開關(guān)，可使輸出端SW與輸入端隔離。在關(guān)斷過程中輸入電壓與輸出電壓間無聯(lián)接，可將關(guān)斷電流減小到0.1 μA量級，從而大大降低了功率。

圖3 TPS61040的功能模塊

2.3 升壓電路設計

本文設計（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時，應綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補償電容。三極管[Q1]用于隔離負載與輸入電源。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

2.4 濾波電路設計

根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過儲能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置電壓，必須對其進行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實現(xiàn)超大電容的功能，基本設計如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內(nèi)（見圖7），且整個偏壓電路體積較小，而且成本較低。

圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形

圖6 偏壓濾波原理圖

圖7 濾波后的偏壓

3 應用實例

本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進行探測，并采用本文設計的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號經(jīng)過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號的波形如圖9所示，可見本文設計的偏置電路基本達到輻射信號檢測的需要。

圖8 前放原理圖

圖9 加有偏壓核脈沖信號波形

4 結(jié) 論

本實驗表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構(gòu)成的同類電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實際運用價值。

參考文獻

[1] 尼曼（美）.半導體物理與器件[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 凌球，郭蘭英.核輻射探測[M].北京：原子能出版社，1992.

[3] 侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 薛永毅.新型電源電路應用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[5] 吳菲，李洪祚，杜春梅，等.自由光通信中PIN探測器光閾值特性研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（5）：12?15.

[6] 夏立成，吳國安，余力強.PIN開關(guān)速度仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（2）：130?132.

圖3 TPS61040的功能模塊

2.3 升壓電路設計

本文設計（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時，應綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補償電容。三極管[Q1]用于隔離負載與輸入電源。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

2.4 濾波電路設計

根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過儲能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置電壓，必須對其進行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實現(xiàn)超大電容的功能，基本設計如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內(nèi)（見圖7），且整個偏壓電路體積較小，而且成本較低。

圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形

圖6 偏壓濾波原理圖

圖7 濾波后的偏壓

3 應用實例

本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進行探測，并采用本文設計的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號經(jīng)過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號的波形如圖9所示，可見本文設計的偏置電路基本達到輻射信號檢測的需要。

圖8 前放原理圖

圖9 加有偏壓核脈沖信號波形

4 結(jié) 論

本實驗表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構(gòu)成的同類電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實際運用價值。

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圖3 TPS61040的功能模塊

2.3 升壓電路設計

本文設計（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計算：

[Vout=1.233*（1+RTRB）]

式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時，應綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補償電容。三極管[Q1]用于隔離負載與輸入電源。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

2.4 濾波電路設計

根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過儲能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。

要得到理想的偏置電壓，必須對其進行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實現(xiàn)超大電容的功能，基本設計如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內(nèi)（見圖7），且整個偏壓電路體積較小，而且成本較低。

圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形

圖6 偏壓濾波原理圖

圖7 濾波后的偏壓

3 應用實例

本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進行探測，并采用本文設計的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號經(jīng)過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號的波形如圖9所示，可見本文設計的偏置電路基本達到輻射信號檢測的需要。

圖8 前放原理圖

圖9 加有偏壓核脈沖信號波形

4 結(jié) 論

本實驗表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構(gòu)成的同類電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實際運用價值。

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[6] 夏立成，吳國安，余力強.PIN開關(guān)速度仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（2）：130?132.