APD偏壓的自適應(yīng)電路設(shè)計

文/朱斌

1 引言

雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點，特別是在內(nèi)部雪崩倍增時可將信號倍增上百倍，且倍增后的噪聲僅與運放本底噪聲水平相當(dāng)，從而極大地提高了系統(tǒng)的信噪比，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光測距、星球定向和軍事測控等領(lǐng)域。

APD工作時的信噪比(SNR)為：

式（1）中：M為APD 的雪崩增益，IP為M =1時的光電流，和輸入光信號功率成正比，IDA為參與倍增的暗電流，IDS為不參與倍增的暗電流，B為帶寬，F(xiàn)為過剩噪聲系數(shù)，K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，RL為負載，q為輸入光信號功率。通過式（1）可以看出，在APD工作時隨著雪崩增益M的增大，信噪比也逐漸增加；M繼續(xù)增大信噪比反而會變小，故存在一個最優(yōu)雪崩倍增因子MP：

式（2）中，x為APD 的過剩噪音指數(shù)，其大小取決于APD 的結(jié)構(gòu)和制作材料的不同。從式（2）中可知，APD的最佳雪崩增益與溫度、輸入信號光功率、器件自身的暗電流及負載大小等有關(guān)。其中溫度的影響最為突出，溫度的變化是影響最佳雪崩增益的關(guān)鍵因素。因使用環(huán)境的不同，APD不總是工作在一個恒溫的狀態(tài)。當(dāng)溫度變化時，最優(yōu)雪崩倍增因子也隨之發(fā)生改變。根據(jù)作者在理論和實驗的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)APD增益比較恒定時，其偏壓Vb與溫度T之間存在一定的線性關(guān)系，該線性關(guān)系為：

圖1：電路設(shè)計方案原理框圖

式（3）中，PP是入注光功率，η是APD的量子效率，VBR是PN結(jié)的反向擊穿電壓。當(dāng)APD確定時，偏壓Vb僅與溫度T有關(guān)，也即是當(dāng)溫度變化時，APD上的反向偏壓應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)合式（2）、式（3）可知，當(dāng)溫度變化時，要保持固定倍增因子，必須實時調(diào)整加載于APD器件兩端的反向偏壓。

本文基于PIC單片機，設(shè)計出針對自研APD器件的偏壓自適應(yīng)電路。經(jīng)試驗測試驗證，該偏壓自適應(yīng)電路滿足在全溫范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)要求，且滿足工程化應(yīng)用。

2 自適應(yīng)電路設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

APD器件為我所自研器件，該器件要求工作范圍為-40℃～+65℃，反向偏壓隨溫度變化為3.7V/℃，常溫時偏置電壓為-340V，溫度采樣由器件內(nèi)置的AD590溫度傳感器實現(xiàn)。AD590是ADI公司研制的一款電流型溫度傳感器，溫度系數(shù)為1μA/K，其溫度范圍覆蓋了APD器件的工作范圍，且具有良好的線性度。偏壓自適應(yīng)電路設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。

溫度傳感器（AD590）的電流信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號（Current-Voltage Conversion），經(jīng)運算放大器（OPA）運算處理后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲得當(dāng)前溫度的數(shù)字信號，微處理器（PIC MCU）獲得當(dāng)前的溫度值，經(jīng)計算處理輸出所需電壓的數(shù)字信號到數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC），控制高壓模塊（High Voltage Module）輸出當(dāng)前溫度條件下APD所需要的偏置電壓。通信接口（UART）可用于設(shè)置初始值、讀出當(dāng)前溫度等，針對不同的APD可靈活修改各項參數(shù)，方便用戶使用。

2.2 硬件設(shè)計

圖2：運算電路

根據(jù)AD590的輸出特性，采用一只電阻串接在AD590的一端，將表征溫度的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。設(shè)計中使用電阻值為10K的金屬膜電阻，精度為0.01%。金屬膜電阻具有電壓穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小、工作頻率范圍寬等特點，能夠有效降低電阻值隨溫度變化引起的測量不準(zhǔn)確度，從而可有效表征出全溫度范圍內(nèi)溫度的變化。APD的實際使用溫度范圍為-40℃～+65℃，可知AD590的電流范圍為233μA～338μA，根據(jù)U=IR可知電阻值兩端的電壓為2.33V～3.38V。為了后端電路的處理以及提高帶載能力，輸出電壓經(jīng)過一級跟隨電路；為了擴大動態(tài)范圍，再經(jīng)過一級減法和乘法的運算電路，具體電路如圖2所示。運算電路采用集成運放實現(xiàn)，且要求集成運放具有低溫漂、低輸入偏置電流、軌道軌的特點。根據(jù)圖2可知，輸入信號Vin和輸出信號Vout的關(guān)系為：

從式（4）可知，Vin應(yīng)不小于2，也即是溫度不得小于-73℃，以確保運算電路工作在正常狀態(tài)。

圖1中ADC和DAC均采用串行輸入輸出器件，轉(zhuǎn)換電壓范圍均為0V～5V，ADC和DAC輸出數(shù)據(jù)深度分別為16bit、14bit；高壓模塊輸出電壓范圍為0V～-600V,輸入控制電壓為0V～5V，且輸入和輸出成線性比例關(guān)系。根據(jù)APD的工作溫度及偏壓隨溫度變化要求，結(jié)合式（4）可以推導(dǎo)出DNDAC和DNADC的理論關(guān)系如下：

式（5）中DNADC表示ADC已轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)，DNDAC表示輸入到DAC待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號控制高壓模塊輸出高壓作為APD的偏壓。

2.3 軟件設(shè)計

設(shè)計采用Microchip公司的PIC16F1825 EST型PIC單片機，該單片機內(nèi)置精確的32Mhz振蕩器，可減少外圍電路；內(nèi)部256字節(jié)的EEPROM可存儲用戶參數(shù)；支持SPI以及UART外部接口。軟件代碼基于Microchip公司MPLAB IDE設(shè)計平臺采用匯編語言編寫，軟件具體流程如圖3所示。

軟件主要實現(xiàn)三個功能，分別是自適應(yīng)調(diào)壓的參數(shù)設(shè)置，在測試模式以及正常模式下實現(xiàn)電路正常工作。其詳細工作流程如下：PIC單片機接收到UART的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）設(shè)置自適應(yīng)調(diào)壓的參數(shù)，該參數(shù)保存于單片機的存儲區(qū)，在關(guān)電重啟后可自動調(diào)用運行。測試模式用于讀取當(dāng)前ADC的參數(shù)值，判斷測試溫度是否與實際溫度一致；設(shè)置DAC的參數(shù)判定DAC是否正常工作以及對高壓模塊的測試，測試模式僅用于整個電路的調(diào)試或在電路出現(xiàn)故障時對其排故。正常模式是電路實際工作時的狀態(tài)，實現(xiàn)對APD偏壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3 實驗驗證及改進

將式（5）的參數(shù)寫入單片機，在-40℃、0℃以及25℃常溫下測試對應(yīng)的高壓輸出與實際期望偏差較大。經(jīng)分析電路設(shè)計，式（5）的計算公式為理論推導(dǎo)，其中對放大電路、乘法電路、減法電路均為理想?yún)?shù)計算；高壓模塊的輸出最大值在全溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定不變，且輸入輸出是不變的。經(jīng)實際測試，乘法電路的比例電阻比值因工藝誤差原因乘法倍數(shù)不等于2倍，減法電路中因電阻的差異，分壓之后的電壓約等于2V，但存在偏差；高壓模塊在全溫度范圍內(nèi)最小值為0V，但在60℃時，最大值為-608V,低溫-40℃時，最大值為-598V。因此我們選擇分段測試、線性擬合的方式對式（5）中的參數(shù)進行修正。

將電路分別放置在-35℃、-15℃、5℃、25℃、45℃、65℃的環(huán)境中，測試ADC以及高壓模塊對應(yīng)的DAC的DN值，測試值如表1所示。

將上表的測試參數(shù)擬合成曲線，線性公式如下：

將上式中的參數(shù)寫入單片機，選取不同的溫度點測試，輸出偏置電壓期望值與測試值偏差小于0.5V；在設(shè)計時考慮到小型化的要求，整體電路的外形尺寸不大于25mm（L）×24mm（W）×15mm（H），可滿足工程化應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文基于單片機平臺設(shè)計了一款A(yù)PD偏壓自適應(yīng)電路，該電路采用分段測試、線性擬合的方式，實現(xiàn)了在-40℃～+65℃范圍內(nèi)輸出電壓0V～-600V可自適應(yīng)調(diào)整，電壓偏差小于0.5V，外形尺寸不大于25mm（L）×24mm（W）×15mm（H），該電路經(jīng)試驗驗證性能穩(wěn)定可靠，已實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

表1：測試值

圖3：軟件流程圖