基于ADL5317和LM35的APD偏壓溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

　　在基于喇曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，根據(jù)短脈沖激光在傳感光纖中各點(diǎn)產(chǎn)生的喇曼后向散射的反斯托克斯光與斯托克斯光的比值，實(shí)現(xiàn)待測(cè)溫度場(chǎng)的空間測(cè)量。在常溫下，光纖中的后向喇曼散射光的強(qiáng)度僅為入射光強(qiáng)度的 10-9，后向散射光信號(hào)非常微弱，因此光電探測(cè)器需要采用高靈敏度、高雪崩增益、快速響應(yīng)、低噪聲的硅或銦鎵砷 APD。銦鎵砷 APD適用于近紅外波段，而在通信光纖中，喇曼后向散射光的波長(zhǎng)處于近紅外波段因此一般選用銦鎵砷 APD作為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的光電探測(cè)器件，本研究選用 HAMAMATSU 公司的銦鎵砷 APD G8931-20 為目標(biāo) APD。

　　APD 作為信號(hào)接收器件雖然具有高信噪比的優(yōu)點(diǎn)，但卻需要較高的偏置電壓，而且其增益隨溫度變化，因而應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)其做偏壓溫度補(bǔ)償，以保證APD 增益恒定。對(duì)于現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償方法，大部分需要對(duì)溫度測(cè)量后使用微處理器控制，還有一些電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜［2］，為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于 LM35 高靈敏度模擬溫度傳感器和 ADL5317 的低紋波、電壓精確可控式 APD 偏壓溫度補(bǔ)償電路。

　　1、APD 增益與溫度關(guān)系

　　在溫度恒定的情況下，偏置電壓（UR）與反向擊穿電壓（UBR）的比值（k）決定 APD 的增益大小，k 越大增益越大。 但是，APD 的反向 UBR 對(duì)溫度變化比較敏感，隨溫度的升高，UBR 增大； 若 UR 不變，UBR 隨溫度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致 APD 的增益出現(xiàn)變化。 APD 增益的改變使得光信號(hào)的測(cè)量出現(xiàn)誤差。

　　由以上分析可知， 當(dāng)溫度變化引起 APD 的反向UBR 產(chǎn)生變化時(shí)， 需要調(diào)整 APD 反向 UR （使得比值 k保持不變） 來維持 APD 增益的穩(wěn)定。 假定溫度為 T0時(shí) ，APD 的 反 向 擊 穿 電 壓 為 UBR0 （ 可 以 從 APD 的datasheet 中得到數(shù)據(jù)），設(shè)定其偏執(zhí)電壓為 UB0，可得到APD 的偏壓修正公式：

　　式（1）為 APD 偏壓溫度補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)公式，其中 α 為 APD 的溫度系數(shù)，k 通常取值 0.9，以實(shí)現(xiàn) APD的最佳倍增增益。

　　2、APD 偏壓溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

　　2.1、ADL5317 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　ADL5317 驅(qū)動(dòng)電路如圖 1 所示。 芯片 1~16 引腳依次為集電極開路邏輯輸出端（FALT）、APD 偏壓輸入控 制 端（VSET）、低 電 壓 供 電 端（VPLV）、高 電 壓 供 電 端（VPHV）、工作模式控制端（VCLH）、APD 反向偏壓供電端（VAPD）、VAPD 跟 蹤 及 噪 聲 過 濾 端（GARD）、APD 電流鏡像輸出端（IPDM），以及模擬地（COMM）。 ADL5317的 VAPD 端提供 APD 工作的反向偏置電壓，IPDM 端能夠同時(shí)以 1:5 的比例提供 APD 的鏡像電流，由于設(shè)計(jì)中僅需要提供 APD 偏壓， 故舍棄了其電流鏡像電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

　　2.2、ADL5317 線性工作模式下的電壓輸出

　　ADL5317 有兩種工作模式，即電源跟蹤工作模式和線性工作模式［2］。 圖 1 的設(shè)計(jì)為線性工作模式。 在線性工作模式下，VSET 端的變化范圍在 0.2~2.5V，通常將 VPHV 端 和 VCLH 端 短 接 ， 短 接 后 能 夠 增 強(qiáng)ADL5317 電壓輸出端的電壓變化，電壓變化范圍最高可達(dá) 75V。 表 1 給出了 VAPD 端的輸出電壓范圍與提供的 VPHV 端高壓的關(guān)系。

　　根據(jù) APDG8931-20 的反向擊穿電壓的范圍 40~60V，我們?cè)O(shè)計(jì) VPHV 端接入 65V 的高壓，則 VAPD 端的輸出電壓范圍為 30~63.5V， 滿足 APD 雪崩偏壓的要求。

　　2.3、ADL5317 高壓輸入電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù) VPHV 端輸入 65V 的高壓的要求，我們選取了 MAXIM 公司的 MAX5026 芯片。 MAX5026 是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制的低噪聲、 高輸出電壓升壓轉(zhuǎn)換芯片，具有 500kHz 開關(guān)頻率， 內(nèi)部使用具有 40V 的極限耐壓的橫向 DMOS 開關(guān)器件，脈寬可調(diào)，能夠提供一個(gè)低噪聲直流電壓源， 滿足 ADL5317 高壓電源設(shè)計(jì)要求。 MAX5026 構(gòu)成的高壓電源電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

　　在圖 2 所示的電路中，C23、D22、D23 和 C24 構(gòu)成倍壓網(wǎng)絡(luò)，使得輸出能夠達(dá)到 71V。 當(dāng)由 MAX5026 組成的升壓電路的 FB 端的電壓為 2.5V 時(shí)，則輸出 71V的高電壓。 通過調(diào)節(jié)反饋電阻 R23， 控制 FB 端的電壓，使得輸出端電壓為 65V，滿足 ADL5317 高壓供電端要求。經(jīng)實(shí)際測(cè)試最高輸出可達(dá) 71V，調(diào)整后確定輸出 65V 接入電路。 經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電源紋波小于 20mV。

　　2.4、溫度補(bǔ)償控制電路設(shè)計(jì)

　　在ADL5317 的線性工作模式下，VSET 端上的輸入電壓的范圍為 0.2～2.5V，VAPD 端的輸出電壓隨 VSET端輸入電壓的變化而發(fā)生改變，其電壓變換關(guān)系為

　　由式（2）可知，只需要控制 VSET 端的輸入電壓，能精確控制 VAPD 端的輸出電壓，即 APD 偏置電壓。溫度傳感器采用 TI 公司的高精度模擬溫度傳感器 LM35，其 電 源 電 壓 在 4~20V 內(nèi) 都 能 正 常 工 作，在-55℃~+150℃的范圍內(nèi)非線性誤差僅為 0.25℃， 符合系統(tǒng)要求。 LM35 的溫度電壓傳輸函數(shù)為：

　　由式（3）可知，輸出斜率為 10mV/℃。 傳感器的工作電路如圖 3 所示。

　　電壓控制變換電路采用 LM358 運(yùn)算放大器，包括電壓跟隨電路和同相求和電路。 如圖 4 所示，電源電壓 VCC 經(jīng) 過 R31、R32 和 R35 分壓后，通過電壓跟隨器 U3A 得到一 個(gè) 穩(wěn) 定 的 參 考 電 壓 值 設(shè) 為VREF，這個(gè)參考電壓值與 LM35 的輸出電壓 VT 求和，并通過同相加法 器 U3B 輸 出 給 ADL5317 的VSET 端。電路的輸出與各輸入節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系為：

　　式（6）中，RP 為 R37、R38 和 R39 并聯(lián)的阻值，RN 為R36 和 R310 并聯(lián)的阻值。 通過調(diào)節(jié) R310 可以改變加法器的增益 A，調(diào)節(jié) R35 可以改變參考電壓 VREF 的大小。 電路中的所有電阻均采用 0.1%的高精度電阻，對(duì)于不同的 APD，只需通過調(diào)節(jié) R310 和R35，即能滿足其溫度補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

　　3.2 測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)式 （7） 可得到 APDG8931-20 的理想偏壓 UR

　　與溫度 T 的關(guān)系，為了對(duì)電路的補(bǔ)償效果進(jìn)行測(cè)試，將溫度傳感器置于恒溫箱中，測(cè)試不同溫度下的ADL5317 的 VAPD 端電壓輸出，其結(jié)果如表 2 所示。從表 2 可以得出，實(shí)際電路的輸出電壓值與理想偏壓UR 的線性相關(guān)系數(shù)為0.999419， 最大誤差為0.129V，相對(duì)誤差小于 0.24%，由此可見實(shí)際電壓輸出與理想偏壓具有較好的一致性。 若不采取溫度補(bǔ)償，選取某一溫度下的理論值作為 APD 偏壓值，將會(huì)造成最大達(dá)到 7.92V 的偏壓誤差，大大降低了 APD 的探測(cè)靈敏度，對(duì)整個(gè)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)造成巨大誤差。