APD偏压的自适应电路设计

文/朱斌

1 引言

雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）具有体积小、灵敏度高、响应速度快等特点，特别是在内部雪崩倍增时可将信号倍增上百倍，且倍增后的噪声仅与运放本底噪声水平相当，从而极大地提高了系统的信噪比，被广泛应用于光纤通信、激光测距、星球定向和军事测控等领域。

APD工作时的信噪比(SNR)为：

式（1）中：M为APD 的雪崩增益，IP为M =1时的光电流，和输入光信号功率成正比，IDA为参与倍增的暗电流，IDS为不参与倍增的暗电流，B为带宽，F为过剩噪声系数，K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，RL为负载，q为输入光信号功率。通过式（1）可以看出，在APD工作时随着雪崩增益M的增大，信噪比也逐渐增加；M继续增大信噪比反而会变小，故存在一个最优雪崩倍增因子MP：

式（2）中，x为APD 的过剩噪音指数，其大小取决于APD 的结构和制作材料的不同。从式（2）中可知，APD的最佳雪崩增益与温度、输入信号光功率、器件自身的暗电流及负载大小等有关。其中温度的影响最为突出，温度的变化是影响最佳雪崩增益的关键因素。因使用环境的不同，APD不总是工作在一个恒温的状态。当温度变化时，最优雪崩倍增因子也随之发生改变。根据作者在理论和实验的研究中发现，当APD增益比较恒定时，其偏压Vb与温度T之间存在一定的线性关系，该线性关系为：

图1：电路设计方案原理框图

式（3）中，PP是入注光功率，η是APD的量子效率，VBR是PN结的反向击穿电压。当APD确定时，偏压Vb仅与温度T有关，也即是当温度变化时，APD上的反向偏压应发生变化。结合式（2）、式（3）可知，当温度变化时，要保持固定倍增因子，必须实时调整加载于APD器件两端的反向偏压。

本文基于PIC单片机，设计出针对自研APD器件的偏压自适应电路。经试验测试验证，该偏压自适应电路满足在全温范围内自动调节要求，且满足工程化应用。

2 自适应电路设计

2.1 设计方案

APD器件为我所自研器件，该器件要求工作范围为-40℃～+65℃，反向偏压随温度变化为3.7V/℃，常温时偏置电压为-340V，温度采样由器件内置的AD590温度传感器实现。AD590是ADI公司研制的一款电流型温度传感器，温度系数为1μA/K，其温度范围覆盖了APD器件的工作范围，且具有良好的线性度。偏压自适应电路设计方案原理框图如图1所示。

温度传感器（AD590）的电流信号经I/V转换模块转换为电压信号（Current-Voltage Conversion），经运算放大器（OPA）运算处理后进入模数转换器（ADC）获得当前温度的数字信号，微处理器（PIC MCU）获得当前的温度值，经计算处理输出所需电压的数字信号到数模转换（DAC），控制高压模块（High Voltage Module）输出当前温度条件下APD所需要的偏置电压。通信接口（UART）可用于设置初始值、读出当前温度等，针对不同的APD可灵活修改各项参数，方便用户使用。

2.2 硬件设计

图2：运算电路

根据AD590的输出特性，采用一只电阻串接在AD590的一端，将表征温度的电流信号转换为电压信号。设计中使用电阻值为10K的金属膜电阻，精度为0.01%。金属膜电阻具有电压稳定性好、温度系数小、工作频率范围宽等特点，能够有效降低电阻值随温度变化引起的测量不准确度，从而可有效表征出全温度范围内温度的变化。APD的实际使用温度范围为-40℃～+65℃，可知AD590的电流范围为233μA～338μA，根据U=IR可知电阻值两端的电压为2.33V～3.38V。为了后端电路的处理以及提高带载能力，输出电压经过一级跟随电路；为了扩大动态范围，再经过一级减法和乘法的运算电路，具体电路如图2所示。运算电路采用集成运放实现，且要求集成运放具有低温漂、低输入偏置电流、轨道轨的特点。根据图2可知，输入信号Vin和输出信号Vout的关系为：

从式（4）可知，Vin应不小于2，也即是温度不得小于-73℃，以确保运算电路工作在正常状态。

图1中ADC和DAC均采用串行输入输出器件，转换电压范围均为0V～5V，ADC和DAC输出数据深度分别为16bit、14bit；高压模块输出电压范围为0V～-600V,输入控制电压为0V～5V，且输入和输出成线性比例关系。根据APD的工作温度及偏压随温度变化要求，结合式（4）可以推导出DNDAC和DNADC的理论关系如下：

式（5）中DNADC表示ADC已转换的温度数据，DNDAC表示输入到DAC待转换数据，经DAC转换为模拟信号控制高压模块输出高压作为APD的偏压。

2.3 软件设计

设计采用Microchip公司的PIC16F1825 EST型PIC单片机，该单片机内置精确的32Mhz振荡器，可减少外围电路；内部256字节的EEPROM可存储用户参数；支持SPI以及UART外部接口。软件代码基于Microchip公司MPLAB IDE设计平台采用汇编语言编写，软件具体流程如图3所示。

软件主要实现三个功能，分别是自适应调压的参数设置，在测试模式以及正常模式下实现电路正常工作。其详细工作流程如下：PIC单片机接收到UART的数据，根据式（5）设置自适应调压的参数，该参数保存于单片机的存储区，在关电重启后可自动调用运行。测试模式用于读取当前ADC的参数值，判断测试温度是否与实际温度一致；设置DAC的参数判定DAC是否正常工作以及对高压模块的测试，测试模式仅用于整个电路的调试或在电路出现故障时对其排故。正常模式是电路实际工作时的状态，实现对APD偏压的自适应调节。

3 实验验证及改进

将式（5）的参数写入单片机，在-40℃、0℃以及25℃常温下测试对应的高压输出与实际期望偏差较大。经分析电路设计，式（5）的计算公式为理论推导，其中对放大电路、乘法电路、减法电路均为理想参数计算；高压模块的输出最大值在全温度范围内是稳定不变，且输入输出是不变的。经实际测试，乘法电路的比例电阻比值因工艺误差原因乘法倍数不等于2倍，减法电路中因电阻的差异，分压之后的电压约等于2V，但存在偏差；高压模块在全温度范围内最小值为0V，但在60℃时，最大值为-608V,低温-40℃时，最大值为-598V。因此我们选择分段测试、线性拟合的方式对式（5）中的参数进行修正。

将电路分别放置在-35℃、-15℃、5℃、25℃、45℃、65℃的环境中，测试ADC以及高压模块对应的DAC的DN值，测试值如表1所示。

将上表的测试参数拟合成曲线，线性公式如下：

将上式中的参数写入单片机，选取不同的温度点测试，输出偏置电压期望值与测试值偏差小于0.5V；在设计时考虑到小型化的要求，整体电路的外形尺寸不大于25mm（L）×24mm（W）×15mm（H），可满足工程化应用。

4 结论

本文基于单片机平台设计了一款APD偏压自适应电路，该电路采用分段测试、线性拟合的方式，实现了在-40℃～+65℃范围内输出电压0V～-600V可自适应调整，电压偏差小于0.5V，外形尺寸不大于25mm（L）×24mm（W）×15mm（H），该电路经试验验证性能稳定可靠，已实现工程化应用。

表1：测试值

图3：软件流程图