APD高压电路的设计

基于DS3501的APD偏压温度补偿电路设计石朝毅;张玉钧;殷高方;王志刚;肖雪;赵南京;刘文清【摘要】介绍了DS3501的工作原理,针对APD偏置电压需要进行精确温度补偿的要求,设计了一种高精度、宽动态范围的APD偏压自动补偿电路。

经实验测试,APD偏压相对误差小于0.25%。

将该补偿电路应用于荧光法溶解氧测量系统中,显著提高了系统测量精度,测量结果相对误差小于1%。

%The function ofDS3501 is introduced.According to the requirement of accuracy compensation of APD bias voltage,a compensation circuit with high accuracy and wide dynamic range is designed.The circuit performed well with a relative error less than 0.25%.The circuit obviously improved the performance of dissolved oxygen measuring system,with a relative error less than 1%.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)003【总页数】3页(P1-3)【关键词】APD;自动偏压补偿;DS3501;精度【作者】石朝毅;张玉钧;殷高方;王志刚;肖雪;赵南京;刘文清【作者单位】中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031／扬州大学环境科学与工程学院,江苏扬州225009;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031;中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN364雪崩光电二极管（APD）具有很高的灵敏度和内部增益，可大大提高探测系统的探测灵敏度和信噪比，因而在微弱光电信号测量系统中得到了广泛应用。

1 引言目前，雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。

它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应，具有极高的内部增益(可达102～104量级)。

然而，APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性．甚至引起测量精度的恶化。

理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定APD工作时的增益，而且在维持APD增益比较恒定的条件下，其偏压和温度之间存在一定的关系。

因此。

可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。

这样就可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。

这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。

由此可知．施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。

本文针对该要求。

采用ADL5317器件。

给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD 偏压控制／光功率监测功能的核心电路。

2 引脚排列及功能ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。

ADL5317的主要特性如下：通过3V线性偏置控制电路，在6 V～75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压；在106范围(5 nA一5 mA)内以5：1的比率监测光电流，其线性误差仅为0．5％；允许使用固定的高电压转换电路，降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求；过流保护和过热保护。

ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装，其引脚排列如图1所示。

各引脚功能描述如表1所列。

3 内部结构及工作原理ADL5317的内部结构如图2所示。

其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD 电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。

3．1 电流监测电路ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路，为监测电路输入端提供精确偏置。

该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器．驱动监测电路的两极，同时保持V APD端电压的稳定度及非常低的漏电流。

电子技术• Electronic TechnologyAPD 偏压的自适应电路设计文/朱斌本文介绍了雪崩光电二极管摘 偏压、增益、温度三者之间的关系。

要 设计出基于PIC 单片机的自适应 ■调节电路，介绍了电路的具体设计方案、硬软件实施方法，并在 理论分析的基础上进行了验证及 改进。

实验表明，该电路电压偏 差小于0. 5V,可满足工程化应用。

图1：电路设计方案原理框图【关键词】APD 偏压自适应电路设计1引言雪崩光电二极管(avalanche photodiode ,APD)具有体积小、灵敏度高、响应速度快等 特点，特别是在内部雪崩倍增时可将信号倍增 上百倍，且倍增后的噪声仅与运放本底噪声水平相当，从而极大地提髙了系统的信噪比，被 广泛应用于光纤通信、激光测距、星球定向和军事测控等领域。

APD 工作时的信噪比(SNR)为：2q(I p + I DA )BM !F + 2qI DS (J)式(1)中：M 为APD 的雪崩增益，I ”为M=1时的光电流，和输入光信号功率成正 比，I da 为参与倍增的暗电流，I ds 为不参与倍 增的暗电流，B 为带宽，F 为过剩噪声系数，K 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，陽为负载， q 为输入光信号功率。

通过式(1)可以看出， 在APDI 作时随着雪崩增益M 的增大，信噪 比也逐渐增加；M 继续增大信噪比反而会变 小，故存在一个最优雪崩倍增因子Mp ：M | 2KT |小式(2)中，x 为APD 的过剩噪音指数，其大小取决于APD 的结构和制作材料的不同。

从式(2)中可知，APD 的最佳雪崩增益与温度、 输入信号光功率、器件自身的暗电流及负载大 小等有关。

其中温度的影响最为突出，温度的变化是影响最佳雪崩增益的关键因素。

因使用环境的不同，APD 不总是工作在一个恒温的 状态。

当温度变化时，最优雪崩倍增因子也随 之发生改变。

根据作者在理论和实验的研究中 发现，当APD 增益比较恒定时，其偏压Vb 与 温度T 之间存在一定的线性关系，该线性关系为:V b = ^L(0.51T-lI.98)+V BK ⑶式(3)中，Pp 是入注光功率，I ］是APD 的量子效率，V br 是PN 结的反向击穿电压。

低纹波低功耗自动控制APD 偏压电路张志强1,王　萍1,邹　宇1,王艳永2(1.天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;2.北京博飞仪器股份有限公司,北京101149)摘　要:全站仪红外测距系统接收电路采用APD 雪崩光电二极管作为接收器件,它的精度对后级的信号处理及测量精度起着决定性的影响,针对其高精度要求,提出两种APD 偏压电路。

前者采用交流反馈网络消除冲击电压,提高了开关管寿命,采用三级滤波网络极大的降低了电路纹波从而提高了测量精度;后者采用专用芯片控制电路电源,使储能电感处于非连续工作状态,大大降低了电路的功耗,同时采用4个变容二极管既升高了电压,又减小了纹波。

两种电路均具有可自动控制,且能对APD 的内部增益进行全范围补偿的优点。

实践证明,电路工作性能理想,提高了测距精度。

关键词:红外测距;APD ;偏置电压;温度补偿中图分类号:TN36412;P204 文献标识码:B 文章编号:1006-7949(2007)01-0062-04APD bias voltage circuit of low ripple and low pow er autom atic controllZHAN G Zhi 2qiang 1,WAN G Ping 1,ZOU Yu 1,WAN G Yan 2yong2(1.School of Electrical Engineering and Automation ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China ;2.Beijing BoFei Instrument Co.,Ltd.,Beijing 101149,China )Abstract :The APD is used in the receive circuit of total station infrared distance measure system.Its accuracy have crucial influence on signal process and measure accuracy.In consideration of its high accuracy requirement ,this paper presents two APD bias voltage circuits.the former adopts intercourse feedback network to slake the impact voltage ,and the MOSFET ’s longevity is prolonged.It also adopts third class filter to depress the voltage ripple.The latter circuit introduces a special chip to control the power ,the inductance works in discrete mode ,it reduces power consumption ,and the four variodes is used to impove the voltage and depress the ripple.These two circuits have the advantages of automatic control and the inner gain of APD can also be compensated for all range.The circuits are proved to perform well in practice and the measure accuracy is improved.K ey w ords :infrared distance measure ;APD ;bias voltage ;temperature compensation收稿日期:2006-10-09作者简介:张志强(1979～),男,硕士研究生. 雪崩光电二极管APD (Avalanche Photodiode )是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。

单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏
压源设计
1 引言
 单光子探测是一种检测极微弱光的方法，在近红外波段，雪崩光电二极管(APD)是探测极微弱光的主要器件之一。

APD是一种能实现光电转换且具有内部增益的高灵敏度光电探测器，其工作电压不高，噪声相对较小，非常适合极微弱光信号(如单个光子信号)的探测。

 由于单光子探测是在高技术领域的重要地位，他已经成为各发达国家光电子学重点研究的课题之一。

在量子密钥分发、天文测光、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线形光学、光时域反射等现代科学技术领域中，都涉及到极微弱光信号的检测问题。

在量子密钥分发系统中，量子信息的载体是单光子，如何将携带信息的单光子探测出来是实现量子密钥分发的关键。

APD是实现单光子探测的核心器件。

在单光子探测器设计中，为了开发APD的极限灵敏度，APD必须置于反向偏压(Vb)稍高于雪崩击穿电压(Vbr)之上，即所谓的盖格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能达到较高的探测效率。

然而在盖格模式时，APD的雪崩增益M不仅与环境温度T还与其直流偏压Vb的大小密切相关。

输出高压的小型升压转换器输出高压的小型升压转换器有许多器件需要高压电源，如雪崩二极管(APD)的偏置电源、压电传感器(PZT)、真空荧光屏(VFD)以及微机电系统(MEMS)等。

本应用笔记介绍了三种从低输入电压产生高压输出的结构(图1a、图1b和图1c)。

下面将针对其功率密度和电路尺寸，分别讨论这些结构的优点和缺点。

在应用笔记结尾部分，列举了一些实验数据，以对比基于变压器和基于电感的解决方案。

图1a-1c. 从低输入电压产生高压输出的高压DC-DC转换器的三种结构在许多APD应用(75V)中，高压偏置电源要求从3V电源产生。

这种需求将面临以下难点： 高压MOSFET在3V低压栅极驱动下无法工作。

高压MOSFET较大的漏源电容需要消耗电感中的能量，将其漏极电压提升至输出电压。

导致的能损会高达1/2 fswitch×CDSVOUT ²。

高压MOSFET比低电压型号的体积更大、价格更高。

在开关电源IC中，很少具有内置的高压功率MOSFET。

极端情况下的占空比会导致过短的关断时间或很低的开关频率。

较低的开关频率又会造成更高的纹波，并需要较大的磁性元件。

图1c的电路通过采用一个自耦变压器，解决了上述难题。

由于MOSFET上的峰值电压降低了，从而能够采用MAX1605内部的28V MOSFET。

整个电路(比8引脚的DIP封装还小)能够装配在一块6mm x 8.5mm的双面板上(图2)。

图2. 采用MAX1605，该6mm x 8.5mm的DC-DC转换器将2.5V升压至75V。

顶层和底层的电路布局如图所示。

工作原理工作原理将标准的升压和回扫DC-DC转换器结合起来，就构成了图1c所示的混合电路。

这种组合结构将次级绕组的回扫电压叠加到输入电压和初级绕组的回扫电压之上(标准的回扫转换器仅利用了次级端产生的回扫电压)。

与标准的升压转换器相比，这种结构通过限制LX端电压，利用低压MOSFET产生了较高的输出电压。