雪崩光電二極管偏壓自動溫度補償電路設計

段存高, 姜 毅, 陸長平, 康美玲

(1.上海無線電設備研究所,上海201109;2.上海航天技術研究院,上海201109)

0 引言

激光引信具有對目標探測精度高、抗電磁干擾能力強等優點,廣泛應用于各類戰術導彈[1]。在脈沖激光引信中,隨著探測距離的增大,PIN型光電二極管已不能滿足遠距離的探測需求。選用雪崩光電二極管(以下簡稱APD)作為激光引信接收機的光電探測器,可提高探測靈敏度。APD具有較高靈敏度和內部增益,可大大提高探測系統的靈敏度和信噪比。但APD的擊穿電壓和電流增益會隨溫度變化而變化,為了保持電流增益恒定,必須對APD的工作偏壓進行溫度補償?，F有的補償方案中,大多需要A/D和D/A變換、微處理器控制,電路設計較復雜,實現成本較高[2-3]。本文提出了一種APD偏壓溫度補償電路,借助溫度傳感器和運算放大器,實現APD偏壓的精確實時補償,無需復雜的控制電路,簡化了設計,降低了成本。

1 APD偏壓溫度補償原理和方法

APD的電流增益用倍增因子M表示,通常定義為倍增的光電流IM與無倍增作用時的光電流I0之比。倍增因子與PN結所加的反向偏壓UB、PN結的材料有關,經驗公式為[4]

式中：UBR為擊穿電壓,由APD的物理結構決定;UB為外加偏壓;n取決于半導體材料、摻雜分布及輻射波長。

由式(1)可知,當外加偏壓遠低于擊穿電壓時,光電流變化很小,M很小,外加偏壓慢慢增大至接近擊穿電壓時,光電流迅速變大,M變化也很大。

以GD6212Y型APD探測器為例,其倍增因子與偏壓的關系曲線如圖1所示。

在偏壓較小的A點左側能產生光電激發,但無雪崩倍增效應。從A點到B點,反向偏壓將引起雪崩效應,使光電流有較大增益,超過B點以后,容易發生雪崩擊穿,同時暗電流也越來越大。因此最佳工作電壓不宜超過UBR,否則將進入不穩定且易擊穿的工作區。在實際的應用中,加在APD上的反偏電壓不是越接近擊穿電壓越好,而是有一個最優的電壓范圍使接收機表現出很好的靈敏度特性,過高的偏壓會使APD的信噪比降低。在工程應用中,一般取UB=0.9 UBR,該條件下APD具有較高的電流增益,同時保持良好的信噪比。

圖1 APD倍增因子與偏壓的關系曲線

擊穿電壓UBR受溫度影響,所選用的APD探測器溫度系數為2.8 V/℃,擊穿電壓UBR與溫度的關系如圖2所示。

圖2 APD溫度特性

假設在溫度T0時,APD的擊穿電壓為UBR0,可得APD的工作偏壓計算公式為

式中：T為環境溫度。T與T0的單位均為℃。

2 APD偏壓溫度補償電路設計

APD偏壓溫度補償電路由溫度傳感器和運算放大器實現,如圖3所示。

溫度傳感器輸出的溫度信號經過運算放大電路的變換后,作為控制電壓輸入至高壓電源模塊。高壓電源模塊輸出的APD工作偏壓改變,從而達到補償APD工作偏壓的目的。

圖3 系統組成框圖

2.1 溫度傳感器電路

選用AD590作為溫度傳感器。AD590是一款具有線性電流輸出的溫度傳感器件,具有線性度好、測量誤差小等優點,工作溫度范圍可覆蓋-55℃～+150℃。AD590在絕對零度時輸出電流為0,溫度每升高1℃,輸出電流增加1μA,即輸出電流與溫度的關系為

式中：T為環境溫度,單位為℃。溫度傳感器的外圍電路如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路

AD590輸出的電流信號經過下拉電阻R1轉換為電壓信號,然后經電壓跟隨器輸出為溫度信號Ut,電壓跟隨器的作用是為前端的溫度采樣電路提供高輸入阻抗,同時具有低輸出阻抗。取下拉電阻值為10 kΩ,對應的溫度信號電壓輸出為

可見,溫度每升高1℃,溫度信號幅度增大0.01 V。

2.2 高壓電源模塊

選用MDCD28500型模塊作為提供APD偏壓的高壓電源,其輸出電壓范圍為(0～500)V,工作溫度范圍為-55℃～+85℃,具有集成度高、使用方便、輸入輸出電壓線性度好等優點。采用高壓電源輸出電壓作為APD的工作偏壓UB,高壓電源的輸出電壓與輸入的高壓控制信號Uc滿足以下關系

2.3 運算放大器電路

選用AD8422作為運算放大器。AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲運算放大器,具有低失真、增益誤差小等優點,在整個工作范圍內增益誤差不大于0.04%。運算放大器的電路如圖5所示。

圖5 運算放大器電路

溫度信號Ut經過運算輸出高壓控制信號Uc,其輸入輸出關系滿足

其中：

式中：UN為放大器負輸入端信號;Uref為參考電平;G為放大電路增益;Rg為增益電阻,單位為kΩ。

APD的工作溫度范圍為-40℃～+60℃,根據廠家提供的擊穿電壓數據,T0=-40℃時,APD的擊穿電壓為UBR0=243.6 V。式(2)中APD的工作偏壓與環境溫度的關系為

式中：T為環境溫度,單位為℃。

由式(5)與式(8)可得

由式(4)與式(9)可得

根據式(10)與式(6),取G=2.52,UN=2.73 V,Uref=3.2 V,代入式(7),可得

APD偏壓自動溫度補償電路的完整電路如圖6所示。

圖6 APD偏壓自動溫度補償電路

由于本電路所有電源均采用穩壓源,故采用電阻分壓的形式提供UN和Uref。

3 試驗結果

為了驗證APD偏壓自動溫度補償電路的工作性能,對補償電路的工作情況進行了試驗,在不同溫度點下測試偏置電壓的輸出值,溫度范圍為-40℃～+60℃。經過試驗,溫度補償后偏置電壓與環境溫度的對應關系如圖7所示。

圖中實線是APD在各溫度點下所需要的理論偏壓值,虛線為經過溫度補償后各溫度點下高壓電源模塊輸出的實測偏壓值。由試驗結果可見,實測值基本與理論值吻合,輸出偏壓值偏差上下不超過1%,溫度補償電路工作良好。

4 結論

APD探測器的工作特性導致其擊穿電壓隨環境溫度的變化而變化,若不進行工作偏壓的溫度補償,將嚴重影響APD的電流增益,甚至工作偏壓過高導致APD擊穿。本文提出了一種基于溫度傳感器和運算放大器的APD偏壓自動溫度補償電路設計方法。試驗表明,該電路可在-40℃～+60℃范圍內對APD的偏壓進行精確地補償。該電路具有電路簡單、低功耗、實時性好、成本低等優點,可滿足激光引信中小型化、低成本和實時性的設計需求。