基于DS3501的APD偏壓溫度補償電路設計

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 安徽光學精密機械研究所 國家環境光學監測技術重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

雪崩光電二極管（APD）具有很高的靈敏度和內部增益，可大大提高探測系統的探測靈敏度和信噪比，因而在微弱光電信號測量系統中得到了廣泛應用。但同時它也有一個很大的缺點，即增益隨溫度變化，因而應用時需做偏壓溫度補償，以保證APD的增益恒定[1-2]。但現有的補償方法中，或需要微處理器進行控制，或電路設計比較復雜。由此，文中提出了一種基于DS3501的APD偏壓溫度補償電路，可以自動實現APD偏壓精確補償，無需微處理器控制，簡化了電路設計。

1 溫度對APD增益的影響及補償方法

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，溫度系數為0.45 V/℃，在偏置電壓UR不變的情況下，UBR隨溫度發生變化，導致出現波動[3-4]，如圖1所示。APD增益的變化將直接影響到光信號的測量，導致測量值出現較大誤差。

由以上分析可知，當溫度發生變化從而引起擊穿電壓UBR變化時，需調整偏置電壓UR，使保持不變，以保證APD增益Gain恒定。假設溫度時，APD擊穿電壓為UBRO，偏置電壓為URO，可得偏壓計算公式：

圖1 APD增益曲線Fig.1 APD gain curve

以此公式為基礎，設計APD偏壓溫度補償電路。

2 DS3501工作原理

DS3501是一款7位、非易失（NV）數字電位器，端到端電阻為10 kΩ，可通過I2C接口對其進行編程設置。內置溫度傳感器和對應的模/數轉換器（ADC），溫度傳感器帶有一個36字節的NV查找表（LUT），以存儲不同溫度下對應的輸出阻值，每4℃的溫度區間對應一個阻值，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，系統上電時，抽頭寄存器WR默認讀取初始值寄存器IVR中的值作為初始值。

本設計通過配置相關寄存器使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轉化后的溫度值存貯于溫度寄存器（0Ch），根據此溫度確定一個地址值并存儲于LUT地址寄存器LUTAR（08h），讀取LUT查找表中對應地址內的阻值并存入抽頭寄存器WR（09h），實現抽頭位置的自動調整。這一特性使得僅通過此芯片就可以完成對APD的偏壓溫度補償，而不用借助微處理器進行計算和控制，簡化了電路設計。其中，LUT查找表中的存儲的阻值由APD的性能參數及環境溫度決定。同時，溫度值還可通過I2C總線由主機讀取。

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

3 偏壓溫度補償電路設計

3.1 電路設計原理

偏壓溫度補償電路[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算：

其中，WR為十進制表示的寄存器WR中的值。

設計中的高壓模塊為線性升壓模塊，放大倍數為80倍，即：

根據電路設計，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 偏壓溫度補償電路Fig.3 Bias voltage compensation circuit

3.2 電路參數設計

參數設計需要滿足以下兩點要求：

1）為保證偏壓溫度補償的精度，必須有 ΔVRW＜ΔVadj，即相鄰兩檔電阻對應的VRW的變化值小于Vadj的最小變化值；

2）工業環境溫度一般為-40～+85℃，因此該電路必須能在-40～+85℃范圍內進行APD偏壓溫度補償。

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

由（1）、（3）式得：

因為DS3501每4℃溫度區間對應一個阻值，因此ΔT=4，故 Vadj=0.018。

因此需要有：

同時，在-40～+85 ℃范圍內，由（1）、（3）式得：

電路參數設計必須滿足（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。 根據確定的參數，由（1）、（4）式得：

由（8）式計算出不同溫度下對應的WR的值，并轉換成十六進制，通過I2C總線[6]寫入DS3501的查找表LUT對應地址中，芯片就可以根據溫度傳感器的溫度控制抽頭位置，進而實現偏壓的控制。

4 測試結果

根據電路選取的參數，由（4）、（8）式得：

根據（9）式可以計算得到某溫度下偏置電壓UR的理論值。

為了測試電路的補償效果，在不同的溫度下測量一組偏置電壓UR，將其與理論值進行相關性分析，相關系數為0.999 67，斜率為1.002 48，標準偏差為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量值對照表Tab.1 Compare of theoretical value and measured value of bias voltage

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

5 應 用

將該溫度補償電路應用于熒光法溶解氧測量儀，在一組不同溫度下，分別用APD偏壓補償前和補償后的測量儀測量同一濃度的溶解氧（8.15 mg/L），測量結果如表2及圖5所示，補償前測量值最大相對誤差為4.17%，標準偏差為0.160 6，補償后測量最大相對誤差為0.98%，標準偏差為0.038 8，可見，儀器性能指標得到了較大的提升，且具有較好的精確度及穩定性。

6 結束語

通過實驗測試可見，本文設計的基于DS3501的APD偏壓溫度補償電路，能夠根據環境溫度準確自動補償APD偏置電壓，較好的滿足了溶解氧測量系統對APD測量精度的要求，具有優良的性能和很好的實用性。

表2 偏壓補償前后同一溶解氧濃度測量結果對比（mg/L）Tab.2 Measured value of dissolved oxygen before and after compensation（mg/L）

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

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