雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡稱APD)作為微弱光信號的探測器件，具有量子效率高、響應速度快、靈敏度高、線性范圍廣等優(yōu)點，尤其是其內部雪崩倍增效應可將信號倍增上百倍，且倍增后的噪聲僅與運放本底噪聲水平相當，大大提高了系統(tǒng)的信噪比，因而被廣泛應用于激光測距、精密檢測、光纖傳感及光纖通信網(wǎng)絡等領域。本文設計了基于TPS40210的高壓偏置電路，同時以AD590溫度傳感器對該電路進行自動溫度補償。實驗結果表明，在不同溫度下，該電路能根據(jù)APD溫度特性自動改變偏置電壓的大小，從而實現(xiàn)APD的增益穩(wěn)定。
1 偏壓及溫度對APD增益的影響
APD工作時需要一個較高的反向偏置電壓，其內部增益大小與偏置電壓正相關。AD500—8為Silicon Sensor公司一款典型的APD，其內部增益GAIN由偏置電壓UR跟擊穿電壓UBR的比值k(k<1)決定，k越大，增益越大，如圖1所示。
APD的擊穿電壓UBR受環(huán)境溫度的影響。當環(huán)境溫度變化引起UBR改變時，為了保持增益穩(wěn)定，需要對偏置電壓UR進行調整。設溫度T0時APD擊穿電壓為UBR，溫度系數(shù)為α，當溫度變化至T時，為了使增益穩(wěn)定在k處，則偏置電壓UR應滿足：
UB=k[UBR0+α(T-T0)] (1)
2 電路設計
2.1 TPS40210簡介
TPS40210是TI公司推出的一款具有4.5～52 V寬輸入范圍的電流型異步DC/DC升壓控制器，通過外接N—MOSFET功率管可實現(xiàn)包括升壓、反激、SEPIC拓撲及LED驅動等多種設計，最高輸出電壓可達260 V。
TPS40210具有可編程軟啟動、振蕩頻率可調、內部斜坡補償、過流保護及低電流禁用等特點。同時，芯片采用3 mm×3 mm的DRC貼片封裝，加上外圍電路簡單，利于便攜式、小型化設備的應用。其原理框圖如圖2所示。
DIS/*EN控制芯片功能的禁止或使能;RC通過外接電阻到VDD、電容到GND(或者外部時鐘)來配置GDRV的輸出頻率(即外接N—MOSFET的開關頻率);FB為內部誤差放大器反相輸入端，輸出電壓經(jīng)電阻分壓反饋至此端與內部基準電壓VFB(700 mV)比較，可設置輸出電壓;COMP為誤差放大器輸出端，與FB之間接補償控制網(wǎng)絡;SS外接一個電容到地用于調節(jié)軟啟動時間兼過流放電：ISNS外接電阻進行電流監(jiān)測，結果反饋內部斜坡補償電路，同時兼過流保護作用，當ISNS端電壓超過限流閾值電壓VISNS(OC)(150 mV)時，控制器進入限流狀態(tài)，同時SS端外接電容通過內部電阻放電;BP引腳為內部LDO輸出端，外接電容到GND。
2.2 高壓偏置電路
基于TPS40210的高壓偏置電路如圖3所示，其工作原理為：R1和G1決定N—MOSFET管Q1的開關頻率;L1、Q1、D1與Cp1組成反激式直流開關電源拓撲結構，輸出高壓HV;R7為Q1源極電流采樣電阻，采樣結果經(jīng)R6與C6濾波后用于電流回路控制和過電流保護;C5與R8用于濾除高頻毛刺;C7、C8和R9構成濾波補償控制網(wǎng)絡，減小紋波;L2、C9、C10構成π型濾波網(wǎng)絡，進一步減小輸出紋波;電阻R2、R3、R4構成分壓反饋，用于調節(jié)輸出電壓大小。
TPS40210輸出頻率占空比最大為95%，占空比D與輸出電壓HV與輸入電壓VIN之間的關系為：
其中，VD為D1兩端正向壓降，IOUT為輸出電流，fSW為開關頻率。根據(jù)最大輸出高壓值HVMAX可由式(2)估計輸入電壓VIN的最小值，一般情況下取D<92%。
TPS40210內部基準電壓VFB范圍為686-714mV，典型值為700mV。在電路正常工作時，輸出電壓HV與VFB的關系如下。
式中VFB為常重，調節(jié)R4可得一定范圍變化的偏置電壓。分壓反饋電阻應合理選擇：
1)R4為零時，HV取最大值，且最大值受式(2)約束;
2)為了保持功耗和噪聲之間的平衡，三個電阻之和在50～200 kΩ為宜。
2.3 溫度補償電路
AD590是一款電流輸出型集成溫度傳感器，具有精度高、線性度好、靈敏度高、體積小、輸出阻抗高等特點，因而被廣泛應用于測溫控制、溫度補償?shù)阮I域。其原理是輸出電流隨溫度同時同量變化，以絕對零度(-273℃)為基準，每增加1℃，輸出電流增加1μA。
自動溫度補償APD偏置電路如圖4所示，原理如下：在溫度T0下調節(jié)R20，使v3=0，即v1=v2，同時調節(jié)R4使HV為目標值(kUBRO)，此時v4= v5=VFB。當溫度升高時，v1增大，v2增大，故v5減小，反饋電壓低于VFB，此時TPS40210調節(jié)輸出占空比使HV升高，使v4增大，從而v5增大，維持反饋電壓與芯片內部基準電壓VFB相等;同理，當溫度降低時，HV降低，從而實現(xiàn)了偏置電壓HV的自動溫度補償。
根據(jù)圖4，電路穩(wěn)定工作后，有如下關系：
式中，σ為AD590的靈敏度且σ=1μA/K，T為熱力學溫度，v2為比較電壓，v2=R10σT0，T0定義見式(1)。若令(R3+R4)/(R2+R3+R4)=β，R14/R13=R12/R11=γ，R16/R15=R18/R17=1，化簡方程組可得關系如下：
3 參數(shù)設計與測試結果
實驗中參考TPS40210芯片手冊，基于效率、功耗與噪聲的均衡考慮，對圖3電路進行測試，相關參數(shù)如表1所示。
當輸入電壓18 V，輸出電壓130 V時，TPS40210控制器GDRV端的輸出信號如圖5所示，其幅值約8 V，占空比D=86.3%。
圖6展示了輸出電壓的交流信號波形。HV(AC)為未濾波的輸出紋波，紋波中摻雜著功率管的開關頻率干擾，約140mVP-P，經(jīng)過LC濾波網(wǎng)絡后，輸出紋波Vout(AC)小于20 mVP-P。
一款AD500—8型APD在22℃時擊穿電壓為130 V，溫度系數(shù)α0.45 V/℃。為獲得較大倍增系數(shù)M，根據(jù)圖1選擇k=0.95(M≈100)，則由(1)式可得：
UR=123.5+0.428(T-T0) (11)
工業(yè)環(huán)境溫度范圍一般為-40～85℃，則偏置電壓UR范圍是97～150 V，表1參數(shù)設計滿足此要求。利用該APD對圖4溫度補償電路進行測試，其中TPS40210芯片外圍基本電路參數(shù)按照表1設置。溫度采樣電阻R10=1kΩ，T0=295 K，UBR0=130 V，VFB=700 mV，由(10)得γ≈2.4。溫度補償網(wǎng)絡參數(shù)設計如下：
1)R12=R14=24 kΩ，R11=R13=10 kΩ，R15=R16=R17=R18=10 kΩ;
2)調節(jié)R20，使v2=R10·σT0=295 mV;
3)在T0時，調節(jié)R4，使HV=kUBR0。
在不同溫度下進行測試，結果表明電路輸出偏置電壓能夠隨溫度自動改變，且偏壓與溫度近似呈線性關系，相關系數(shù)約0.42V/℃，與式(11)的理論值相比相對誤差小于2%，滿足APD對溫度補償?shù)囊蟆?/p>
4 結束語
基于TPS40210的高壓偏置電路最高輸出電壓可達260 V，且輸出紋波經(jīng)過濾波后小于20 mVP-P，滿足大多數(shù)APD器件對偏置電壓的要求。同時該芯片體積小、外圍電路簡單，可用于手持式激光測距儀等小型化設備。
設計的溫度補償電路能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動調節(jié)輸出偏置電壓的大小，使APD工作于穩(wěn)定增益狀態(tài)。將該電路應用于實驗室相位式激光測距原理樣機，有效降低了溫度列APD的影響，使非合作目標測距精度在0～7 m內優(yōu)于±3 mm。
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