基于DS3501的APD偏压温度补偿电路设计word版.docx

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1、基于DS3501的APD偏压温度补偿电路设计摘要：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耍求，设计了一种高精度、宽动态范目的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％。关键词：APD；自动偏压补偿；DS3501；精度雪崩光电二极管(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。但同时它也有一个很大的缺点，即增益随温度变化，因而应用时需做偏压温度补偿，以保

2、证APD的增益恒定。但现有的补偿方法中。或需要微处理器进行控制，或电路设计比较复杂。由此，文中提出了一种基于DS3501的APD偏压温度补偿电路，可以自动实现APD偏压精确补偿，无需微处理器控制，简化了电路设计。1温度对APD增益的影响及补偿方法SILICON-SENSOR公司AD系列APD的增益Gain由偏置电压UR与UBR的比值k决定，k越大，增益越大。但是，APD的击穿电压UBR受温度影响，温度系数为0．45V／℃，在偏置电压UR不变的情况下，UBR随温度发生变化，导致出现波动，如图1所示。APD增益的变化将直接影响到光信号的测量，导致测量值出现较大误差。由以上分析可

3、知，当温度发生变化从而引起击穿电压UBR变化时，需调整偏置电压UR，使保持不变，以保证APD增益Gain恒定。假设温度时，APD击穿电压为UBRO，偏置电压为URO，可得偏压计算公式：   UR=k(UBRO+0．45(T-T0))    (1)   以此公式为基础，设计APD偏压温度补偿电路。2DS3501工作原理DS3501是一款7位、非易失(NV)数字电位器，端到端电阻为10kΩ，可通过I2C接口对其进行编程设置。内置温度传感器和对应的模／数转换器(ADC)，温度传感器带有一个36字节的NV查找表(LUT)，以存储不同温度下对应的输出阻值，每4℃的温度区间对应一个阻值

4、，覆盖温度范围-40～+100℃。DS3501原理框图如图2所示。芯片具有3种工作模式：Default模式，LUT模式和LUTAdder模式。Default模式最简单，抽头位置直接由控制器通过I2C总线控制；LUT模式和LUTAdder模式都是通过LUT查找表控制抽头位置，二者的区别在于：LUTAdder模式中，抽头寄存器WR中的值等于LUT查找表的输出值加上初始值寄存器IVR中的值，而LUT模式中则不加IVR中的值。以上3种模式中，系统上电时，抽头寄存器WR默认读取初始值寄存器IVR中的值作为初始值。本设计通过配置相关寄存器使DS3501工作于LUT模式，电位器的抽头位置

5、直接由LUT的输出控制。如图2所示，芯片以周期TFRAME查询温度传感器的输出，将ADC转化后的温度值存贮于温度寄存器(0Ch)，根据此温度确定一个地址值并存储于LUT地址寄存器LUTAR(08h)，读取LUT查找表中对应地址内的阻值并存入抽头寄存器WB(09h)，实现抽头位置的自动调整。这一特性使得仅通过此芯片就可以完成对APD的偏压温度补偿，而不用借助微处理器进行计算和控制，简化了电路设计。其中，LUT查找表中的存储的阻值由APD的性能参数及环境温度决定。同时，温度值还可通过I2C总线由主机读取。3偏压温度补偿电路设计3．1电路设计原理偏压温度补偿电路如图3所示，将DS

6、3501的RH、RL和RW在外部连接成分压器形式，RW端电压可方便地通过下式计算：因此，通过改变寄存器WR中的值，就可以获得不同的偏置电压。3．2电路参数设计参数设计需要满足以下两点要求：1)为保证偏压温度补偿的精度，必须有△VEW<△Vadj，即相邻两档电阻对应的VRW的变化值小于Vadj的最小变化值；2)工业环境温度一般为-40～-+85℃，因此该电路必须能在-4O～+85℃范围内进行APD偏压温度补偿。查APD手册得：22℃时，APD击穿电压UR=153V，为了保证APD工作在较大的放大倍数，同时受温度影响又相对较小，取偏置电压UR=122.4V，即k=0.8。由(1

7、)、(3)式得：△VRW<0．018=0．0045△T    (5)因为DS3501每4℃温度区间对应一个阻值，因此△T=4，故Vadj=0.018。因此需要有：△VRW<0．018     (6)同时，在-40～+85℃范围内，由(1)、(3)式得：1.251