石朝毅 ， 張玉鈞 ， 殷高方 ， 王志剛 ，2， 肖 雪 ，趙南京 ，劉文清

（1.中科院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 國(guó)家環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

雪崩光電二極管（APD）具有很高的靈敏度和內(nèi)部增益，可大大提高探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和信噪比，因而在微弱光電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但同時(shí)它也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即增益隨溫度變化，因而應(yīng)用時(shí)需做偏壓溫度補(bǔ)償，以保證APD的增益恒定[1-2]。但現(xiàn)有的補(bǔ)償方法中，或需要微處理器進(jìn)行控制，或電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。由此，文中提出了一種基于DS3501的APD偏壓溫度補(bǔ)償電路，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)APD偏壓精確補(bǔ)償，無需微處理器控制，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

1 溫度對(duì)APD增益的影響及補(bǔ)償方法

SILICON-SENSOR公司AD系列APD的增益Gain由偏置電壓UR與UBR的比值k決定，k越大，增益越大。但是，APD的擊穿電壓UBR受溫度影響，溫度系數(shù)為0.45 V/℃，在偏置電壓UR不變的情況下，UBR隨溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)波動(dòng)[3-4]，如圖1所示。APD增益的變化將直接影響到光信號(hào)的測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量值出現(xiàn)較大誤差。

由以上分析可知，當(dāng)溫度發(fā)生變化從而引起擊穿電壓UBR變化時(shí)，需調(diào)整偏置電壓UR，使保持不變，以保證APD增益Gain恒定。假設(shè)溫度時(shí)，APD擊穿電壓為UBRO，偏置電壓為URO，可得偏壓計(jì)算公式：

圖1 APD增益曲線Fig.1 APD gain curve

以此公式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)APD偏壓溫度補(bǔ)償電路。

2 DS3501工作原理

DS3501是一款7位、非易失（NV）數(shù)字電位器，端到端電阻為10 kΩ，可通過I2C接口對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)置。內(nèi)置溫度傳感器和對(duì)應(yīng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），溫度傳感器帶有一個(gè)36字節(jié)的NV查找表（LUT），以存儲(chǔ)不同溫度下對(duì)應(yīng)的輸出阻值，每4℃的溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)阻值，覆蓋溫度范圍-40～+100℃。

DS3501原理框圖如圖2所示。芯片具有3種工作模式：Default模式，LUT模式和LUT Adder模式。Default模式最簡(jiǎn)單，抽頭位置直接由控制器通過I2C總線控制；LUT模式和LUT Adder模式都是通過LUT查找表控制抽頭位置，二者的區(qū)別在于：LUT Adder模式中，抽頭寄存器WR中的值等于LUT查找表的輸出值加上初始值寄存器IVR中的值，而LUT模式中則不加IVR中的值。以上3種模式中，系統(tǒng)上電時(shí)，抽頭寄存器WR默認(rèn)讀取初始值寄存器IVR中的值作為初始值。

本設(shè)計(jì)通過配置相關(guān)寄存器使DS3501工作于LUT模式，電位器的抽頭位置直接由LUT的輸出控制。如圖2所示，芯片以周期TFRAME查詢溫度傳感器的輸出，將ADC轉(zhuǎn)化后的溫度值存貯于溫度寄存器（0Ch），根據(jù)此溫度確定一個(gè)地址值并存儲(chǔ)于LUT地址寄存器LUTAR（08h），讀取LUT查找表中對(duì)應(yīng)地址內(nèi)的阻值并存入抽頭寄存器WR（09h），實(shí)現(xiàn)抽頭位置的自動(dòng)調(diào)整。這一特性使得僅通過此芯片就可以完成對(duì)APD的偏壓溫度補(bǔ)償，而不用借助微處理器進(jìn)行計(jì)算和控制，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。其中，LUT查找表中的存儲(chǔ)的阻值由APD的性能參數(shù)及環(huán)境溫度決定。同時(shí)，溫度值還可通過I2C總線由主機(jī)讀取。

圖2 DS3501原理框圖Fig.2 Block diagram of DS3501

3 偏壓溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)原理

偏壓溫度補(bǔ)償電路[5]如圖3所示，將DS3501的RH、RL和RW在外部連接成分壓器形式，RW端電壓可方便地通過下式計(jì)算：

其中，WR為十進(jìn)制表示的寄存器WR中的值。

設(shè)計(jì)中的高壓模塊為線性升壓模塊，放大倍數(shù)為80倍，即：

根據(jù)電路設(shè)計(jì)，得：

因此，通過改變寄存器WR中的值，就可以獲得不同的偏置電壓。

圖3 偏壓溫度補(bǔ)償電路Fig.3 Bias voltage compensation circuit

3.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足以下兩點(diǎn)要求：

1）為保證偏壓溫度補(bǔ)償?shù)木?，必須?ΔVRW＜ΔVadj，即相鄰兩檔電阻對(duì)應(yīng)的VRW的變化值小于Vadj的最小變化值；

2）工業(yè)環(huán)境溫度一般為-40～+85℃，因此該電路必須能在-40～+85℃范圍內(nèi)進(jìn)行APD偏壓溫度補(bǔ)償。

查APD手冊(cè)得：22℃時(shí)，APD擊穿電壓UR=153 V，為了保證APD工作在較大的放大倍數(shù)，同時(shí)受溫度影響又相對(duì)較小，取偏置電壓UR=122.4 V，即k=0.8。

由（1）、（3）式得：

因?yàn)镈S3501每4℃溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)阻值，因此ΔT=4，故 Vadj=0.018。

因此需要有：

同時(shí)，在-40～+85 ℃范圍內(nèi)，由（1）、（3）式得：

電路參數(shù)設(shè)計(jì)必須滿足（6）、（7）式所示條件。

取 VADD=12 V，R1=100 k，R2=10 k， 得 ΔVRW=0.007 9，1.000＜Vadj＜2.000，滿足（6）、（7）式。 根據(jù)確定的參數(shù)，由（1）、（4）式得：

由（8）式計(jì)算出不同溫度下對(duì)應(yīng)的WR的值，并轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，通過I2C總線[6]寫入DS3501的查找表LUT對(duì)應(yīng)地址中，芯片就可以根據(jù)溫度傳感器的溫度控制抽頭位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏壓的控制。

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)電路選取的參數(shù)，由（4）、（8）式得：

根據(jù)（9）式可以計(jì)算得到某溫度下偏置電壓UR的理論值。

為了測(cè)試電路的補(bǔ)償效果，在不同的溫度下測(cè)量一組偏置電壓UR，將其與理論值進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.999 67，斜率為1.002 48，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.006 64，具有較好的一致性，如表1及圖4所示。

表1 偏置電壓理論值與測(cè)量值對(duì)照表Tab.1 Compare of theoretical value and measured value of bias voltage

圖4 偏置電壓理論值與測(cè)量值關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of theoretical value and measured value of bias voltage

5 應(yīng) 用

將該溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用于熒光法溶解氧測(cè)量?jī)x，在一組不同溫度下，分別用APD偏壓補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的測(cè)量?jī)x測(cè)量同一濃度的溶解氧（8.15 mg/L），測(cè)量結(jié)果如表2及圖5所示，補(bǔ)償前測(cè)量值最大相對(duì)誤差為4.17%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.160 6，補(bǔ)償后測(cè)量最大相對(duì)誤差為0.98%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.038 8，可見，儀器性能指標(biāo)得到了較大的提升，且具有較好的精確度及穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可見，本文設(shè)計(jì)的基于DS3501的APD偏壓溫度補(bǔ)償電路，能夠根據(jù)環(huán)境溫度準(zhǔn)確自動(dòng)補(bǔ)償APD偏置電壓，較好的滿足了溶解氧測(cè)量系統(tǒng)對(duì)APD測(cè)量精度的要求，具有優(yōu)良的性能和很好的實(shí)用性。

表2 偏壓補(bǔ)償前后同一溶解氧濃度測(cè)量結(jié)果對(duì)比（mg/L）Tab.2 Measured value of dissolved oxygen before and after compensation（mg/L）

圖5 偏壓補(bǔ)償前后同一溶解氧濃度測(cè)量值曲線Fig.5 Curve of measured value of dissolved oxygen before and after compensation

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