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基于DS3501的APD偏壓溫度補償電路設計

   2012年05月24日 16:42  
  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?shù)乃G?,設計了一種高精度、寬動態(tài)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(tǒng)中,顯著提高了系統(tǒng)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(tǒng)的探測靈敏度和信噪比。因而在微弱光電信號測量系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)為0.45V/℃,在偏置電壓UR不變的情況下,UBR隨溫度發(fā)生變化,導致出現(xiàn)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(xiàn)較大誤差。
  
  由以上分析可知,當溫度發(fā)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(shù)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(shù)轉換器(ADC),溫度傳感器帶有一個36字節(jié)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(qū)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(qū)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(tǒng)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(jù)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(xiàn)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(shù)及環(huán)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(shù)設計
  
  參數(shù)設計需要滿足以下兩點要求:
  
  1)為保證偏壓溫度補償?shù)木?,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(yè)環(huán)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(shù),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(qū)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(shù)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(jù)確定的參數(shù),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(jù)溫度傳感器的溫度控制抽頭位置,進而實現(xiàn)偏壓的控制。
  
  4、測試結果
  
  根據(jù)電路選取的參數(shù),由(4)、(8)式得:
  
  UR=114.48+0.36T(9)
  
  根據(jù)(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(shù)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(wěn)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(jù)環(huán)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(tǒng)對APD測量精度的要求,具有優(yōu)良的性能和很好的實用性。

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