閉環溫度控制的APD光電探測器設計*

劉風江，張曉青，賈豫東

(北京信息科技大學 光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100192)

閉環溫度控制的APD光電探測器設計*

劉風江，張曉青，賈豫東

(北京信息科技大學 光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100192)

摘要:針對微弱光信號探測系統中雪崩光電二極管(APD)在工作中的溫漂特性，提出了一種適合APD的閉環溫度控制方法。該方法將APD、熱敏電阻器和TEC制冷器集成在同一組件中，采用模擬電路深度負反饋技術實現閉環溫度控制，并運用經典的控制理論建立數學模型對PID電路進行優化，保證了APD探測電路的增益穩定性。試驗表明：該系統中APD光電探測器溫度控制精度為±0.1 ℃，輸出電壓波動約為±0.5 mV，很好地抑制了外界溫度變化對APD增益的影響。

關鍵詞:雪崩光電二極管；微弱光信號檢測；閉環溫度控制；模擬PID；驅動電路

0引言

雪崩光電二極管(avalanche photodiode,APD)以其雪崩增益大、探測靈敏度高、響應速度快、體積小、功耗低等特點，一直是微弱光信號探測的最佳選擇，被廣泛應用于遠距離光纖通信、光纖傳感、激光測距等領域[1,2]。較PIN光電二極管而言，APD借助內部雪崩倍增效應，可將信號倍增幾十倍，大大提高了探測靈敏度，但APD內部增益的溫漂特性導致探測精度惡化，甚至造成整個系統的崩潰，因此,APD的增益穩定性成為評價APD性能的重要指標。

為保證APD的增益穩定性，一般對APD采取溫度控制或者溫度補償的方法[3]。現有的解決APD增益穩定性的方式，通常是采用最佳偏置電壓溫度補償的方法，即在APD達到最佳增益的前提下，對偏置電壓與溫度的數據進行實際測量并線性化處理，然后根據得到的線性關系提供APD隨外界溫度變化而調整的偏置電壓，以達到增益穩定的目的。但這種溫度補償法存在兩個問題，首先實測每個APD溫度偏壓關系過程比較麻煩，其次對溫度偏壓關系作線性化處理后，在某些溫度范圍可能線性度較差，從而造成APD在某些溫度范圍的增益不穩定。

針對APD溫漂特性，本文提出采用模擬電路深度負反饋技術結合熱敏電阻器、熱電制冷器實現APD閉環溫度控制的方案。

1閉環溫度控制原理

1.1系統控制原理

該系統是由差分放大電路，模擬PID電路、TEC驅動電路以及溫度傳感器件和TEC制冷器封裝的器件組成，如圖1所示。

圖1　系統整體設計框圖Fig 1　Overall design block diagram of system

當外界環境溫度變化引起APD溫度變化時，與APD集成在一起的負溫度系數熱敏電阻器將溫度信號轉換為阻值的變化，然后與設定的溫度電阻器阻值經差分放大電路進入模擬PID控制電路，經過PID電路處理后，傳遞到TEC驅動電路，驅動TEC制冷或加熱，從而實現APD在恒定的溫度下工作。

1.2系統控制模型

在APD溫度控制的過程中，TEC制冷器和溫度傳感器均具有一定的熱慣性，是典型的一階慣性環節。由溫度傳感器、TEC制冷器以及一階慣性環節附加的滯后環節的傳遞函數可以表示為

(1)

式中T為TEC制冷器的時間常數，τ為純滯后時間常數，K為比例系數，s為復變量。式中參數分別由TEC制冷片和溫度傳感器的特性決定[4]，模擬PID控制器的數學模型為

(2)

式中Kp為比例系數，Ki為積分系數，Kd為微分系數。根據系統控制原理，整個系統建立數學模型如圖2所示，其中,K1為差分放大倍數，PID(s)為PID控制器的傳遞函數，被控對象為TEC制冷器和溫度傳感器構成的一階慣性環節，延遲量為τ。

圖2　系統數學模型Fig 2　Mathematical model of system

為得到最佳參數，使系統達到最佳性能，利用Matlab中Simulink軟件[5]來仿真閉環溫度控制系統的各個環節，首先確定系統各部分的參數，本實驗中T約為19 s，τ約為3 s，構建Simulink系統結構圖。

系統Simulink圖構建好之后，首先，令Kp=1，Ki=0，Kd=0，相當于沒有PID調節器的校正前系統，仿真結果如圖3(a)，可以看出，校正前該系統在階躍輸入下是穩定的，但存在明顯的穩態誤差，因此，可以使用穩定邊界法整定PID參數，獲得理想的系統性能。改變Kp值，直到出現等幅振蕩曲線，如圖3(b)所示，通過觀察等幅振蕩曲線得到臨界增益值Kp和臨界振蕩周期值Tu，最后根據經驗公式和對應的調節器類型整定響應的PID參數，并進行仿真校驗。從而求得，Kp比例系數值為4.2，Ki積分系數值0.8，Kd微分系數值3.6，仿真得階躍響應曲線如圖3(c)所示。超調量較大，還應進一步修正，減小Ki值，可以有效地減少超調，再次仿真階躍響應曲線如圖3(d)所示，可得Kp比例系數值為4.2，Ki積分系數值0.4，Kd微分系數值1.8。

圖3　系統參數整定曲線Fig 3　System parameter setting curve

從圖3可以看出:調節后的系統階躍響應曲線的超調量達到30 %左右，振蕩次數較少，穩定時間很短，能夠符合對溫度控制的要求。

2閉環溫度控制電路

溫度控制電路是溫度采集處理電路，模擬PID控制電路、TEC驅動電路構成的負反饋閉環控制回路，原理簡圖如圖4。

圖4　溫度控制電路原理簡圖Fig 4　Principle diagram of temperature control circuit

2.1溫度采集處理電路

溫度控制電路由TEC驅動提供1.5 V的參考電壓供給整個回路使用。通過電位器設定基準電壓Vset，該基準電壓經過跟隨器U1后進入差分放大電路，與負溫度系數(NTC)熱敏電阻器監測的TEC溫度信號進行差分放大，輸出一個誤差信號

(3)

式中1.5 V為參考電壓，Rt為熱敏電阻器阻值。差分放大電路的放大倍數可根據理論仿真數值進行設定，通過調節電位器改變基準電壓可改變TEC的控制溫度。

2.2模擬PID控制電路

模擬PID控制的硬件電路由U3，R1，R2，C1，C2組成，結構如圖3中所示。由于電容器、電阻器存在于電路的輸入和反饋回路，導致不易在在時域求函數關系。所以，通過求電路的傳遞函數，再利用拉式反變換求時域的函數關系。

設

(4)

(5)

由圖3可知

(6)

對式(6)進行拉氏反變換，得

(7)

通過模型分析中的參數計算，可以得到

(8)

通過仿真得到的PID參數，進行計算，可得一組參考值R1=250 kΩ，R2=1 MΩ，C1=2.2 μf，C2=10 μf。

2.3TEC驅動電路

熱電制冷器是一種基于帕爾貼(Peltier)效應的半導體器件，可以通過電流進行線性控制，通過電流方向的改變實現制冷或者加熱，小體積的TEC制冷器可以高精度的控制各種分立器件的溫度，如,光纖激光器、高精度參考電壓或其他溫度敏感型器件[6]。傳統的TEC驅動電路多采用分立元件組成，結構復雜，易引入噪聲，從而降系統低控溫精度，而且容易出現控制死區，即控制的溫度在設定溫度左右擺動。為簡化控溫系統結構，實現穩定性好、可靠性高的控溫效果，設計選用集成驅動電路MAX1968來設計驅動電路[7]。

MAX1968可以單電源工作，芯片內部配有高效的場效應管，經LC濾波后直接驅動TEC，兩個超低漂流的斬波穩壓器可以同時工作產生差動電壓，控制TEC電流，實現了最大正負3 A雙極性電流控制TEC制冷或加熱。通過PID電路輸出控制電壓到MAX1968的CTLI引腳實現輸出電流的線性調制。此方案可避免系統在調整點接近環境工作點時產生振蕩。芯片外圍無源器件的選取可以獨立的設置加熱制冷電流的大小和TEC工作電壓，達到最優的可靠性。

3實驗結果與討論

為驗證設計的閉環溫度控制對APD保持增益穩定性的效果，將設計好的APD探測器放入可調恒溫箱中。使用1 550 nm的穩定激光光源向系統輸入連續光對設計的APD光電探測器進行系統性能測試，輸入光功率經過可調光衰減器進行調節，系統輸出信號連接到示波器。并通過對APD探測器中熱敏電阻電壓的測量，獲取APD溫度的變化。試驗中需保證激光光源輸出功率的穩定性，防止輸出功率的改變對輸出電壓造成干擾。

試驗時，將APD溫度設定在25 ℃，調節溫箱溫度從10 ℃緩慢增加到30 ℃，調節可調光衰減器至輸出光功率為-50 dBm，利用示波器對熱敏電阻器電壓和APD輸出電壓進行數據采集，并將熱敏電阻器電壓進行線性化處理，得到APD溫度值的變化，實驗結果如圖5所示。

圖5　溫箱溫度改變時APD溫度和輸出電壓結果Fig 5　APD temperature and output voltage results when temperature of temperature box change

從圖5中曲線可以看出:APD的工作溫度基本穩定25 ℃左右，溫度偏差在±0.1 ℃內，輸出電壓波動在±0.5 mV左右。設計很好地抑制外界溫度變化對APD增益的影響。通過輸出電壓曲線可以得到信號的幅度約為4 mV，噪聲幅度約為1 mV，可以計算探測器的電壓響應度

(9)

噪聲等效功率

(10)

4結束語

本文設計并實現了基于閉環溫度控制的APD光電探

測電路，在APD閉環溫度控制原理的基礎上,建立了溫度控制系統的數學模型，仿真了控制過程。經實際電路實驗驗證，該APD光電探測器具有增益穩定性好、靈敏度高等優點，可應用于微弱光信號的精確檢測和放大、高精度溫度傳感以及惡劣環境等領域。

參考文獻:

[1]Zou Lufan,Bao Xiaoyi,Wan Yidun,et al.Coherent probe-pump-based Brillouin sensor for centimeter-crack detection[J].Optics Letters,2005,30(4):370-372.

[2]寇松峰,陳錢,顧國華,等.基于4元APD陣列的激光測距技術研究[J].激光與紅外,2008(6):537-540.

[3]萬鈞力,艾青,張雪皎.激光陀螺中雪崩光電管增益溫度補償[J].傳感器與微系統,2007，26(7):18-20.

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[5]付瑞玲,樂麗琴.基于MATLAB/Simulink的PID參數整定[J].工業控制計算機,2013(8):75-76.

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[7]萬小平,金雷,陳瓞延,等.基于MAX1968的半導體激光溫控電路設計[J].微計算機信息,2006,35:65-67.

Design of closed-loop temperature controlled APD photoelectric detector*

LIU Feng-jiang,ZHANG Xiao-qing,JIA Yu-dong

(Beijing Key Laboratory for Opto-electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)

Abstract:Aiming at temperature drift characteristics of avalanche photodiode(APD)in weak optical signal detection system,a closed-loop temperature control method for APD is proposed.In this way,APD,thermistor and TEC are integrated in the same component,deep negative feedback techniques of analog circuit is used to realize closed-loop control of temperature and classical control theory is used to establish mathematical model to optimize PID circuit in ordor to ensure gain stability of APD detection circuit.Experiment show that temperature control precision of APD is within ± 0.1 ℃,and fluctuation of output voltage is about ±0.5 mV，which indicates the design restrains influence of temperature variation on APD gain very well.

Key words:avalanche photodiode(APD)；weak light signal detection；closed-loop temperature control；analog PID；driving circuit

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0097—03

收稿日期：2015—08—03

*基金項目：北京市青年拔尖人才培育計劃資助項目(CIT&TCD201404122)；北京市教育委員會科技計劃面上項目(KM201411232005)

中圖分類號:TN 312

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)05—0097—03

作者簡介:

劉風江(1989-)，男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向為光纖傳感器技術。