基于DS3501的APD偏壓溫度補償電路設計

　　摘要：介紹了DS3501的工作原理，針對APD偏置電壓需要進行溫度補償的耍求，設計了一種高精度、寬動態范目的APD偏壓自動補償電路。經實驗測試，APD偏壓相對誤差小于0．25％。將該補償電路應用于熒光法溶解氧測量系統中，顯著提高了系統測量精度，測量結果相對誤差小于1％。
　　
　　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。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0．45V／℃，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，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：
　　
　　UR=k（UBRO+0．45（T-T0））（1）
　　
　　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10kΩ，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LUTAdder模式。Default模式zui簡單，抽頭位置直接由控制器通過I2C總線控制；LUT模式和LUTAdder模式都是通過LUT查找表控制抽頭位置，二者的區別在于：LUTAdder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WB（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。
　　
　　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：　　
　　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。　　
　　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△VEW<△Vadj，即相鄰兩檔電阻對應的VRW的變化值小于Vadj的zui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-4O～+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=153V，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=122.4V，即k=0.8。
　　
　　由（1）、（3）式得：
　　
　　△VRW<0．018=0．0045△T（5）
　　
　　因為DS3501每4℃溫度區間對應一個阻值，因此△T=4，故Vadj=0.018。
　　
　　因此需要有：
　　
　　△VRW<0．018（6）
　　
　　同時，在-40～+85℃范圍內，由（1）、（3）式得：
　　
　　1.251<Vadj<1．8135（7）
　　
　　電路參數設計必須滿足（6）、（7）式所示條件。
　　
　　取VADD=12V，R1=100k，R2=10k，得△VRW=0．0079，1．000<Vadj<2.000，滿足（6）、（7）式。根據確定的參數，由（1）、（4）式得：
　　
　　WR=54．737+0．57157（8）
　　
　　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：
　　
　　UR=114．48+0．36T（9）
　　
　　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0．99967，斜率為1．00248，標準偏羞為0．00664，具有較好的一致性，如表1及圖4所示。　　
　　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（8．15mg／L），測量結果如表2及圖5所示，補償前測量值zui大相對誤差為4.17％，標準偏差為0．1606，補償后測量zui大相對誤差為0.98％，標準偏差為0.0388，可見，儀器性能指標得到了較大的提升，且具有較好的度及穩定性。　　
　　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。