一种具有温度补偿功能的APD偏置电压模块

文档序号:26138722发布日期:2021-08-03 14:22阅读:307来源:国知局
一种具有温度补偿功能的APD偏置电压模块

本发明属于apd偏置电压技术领域,特别涉及一种具有温度补偿功能的apd偏置电压模块。



背景技术:

雪崩光电二级管(apd)增益高,体积小,功耗低,被广泛应用于各种激光探测设备中,但apd正常工作需要极高的偏置电压,在apd不被击穿的前提下,apd的偏置电压越高,apd的光电增益越高。同时apd的增益极易受温度和电源纹波影响,温度变化和过大的电源纹波都会影响apd增益的稳定性,进而影响激光能量探测的准确性。所以要求apd偏置电压模块电源纹波小,同时能够对apd进行温度补偿。

目前现有的apd偏置电压产生方法有:

(1)开关电源升压法:这种最易于实现,是目前应用最广泛的一种方法,但是由于apd偏置电压较高,在几百伏特量级,所以需要在开关电源中加入一定数量的电压倍增电路,每一级开关电源都会引入开关噪声。所以此方案不仅噪声高。而且电路体积大,功耗高,不适用于小体积的应用。

(2)逆变器结合变压器升压法:通过逆变器将直流电压转换为高频交流电,再通过高频变压器进行升压,由于变压器在工作时没有开关过程,所以该方案不会产生任何开关噪声。但是在该方案中,由于变压器的升压比是固定值,无法改变电压放大倍数,也无法对apd偏置电压进行控制。

目前现有的apd温度补偿方法有:

(1)半导体制冷片恒温法:利用半导体制冷片对apd进行恒温控制,这种方法可以简单有效的避免温度变化对apd的增益产生影响,但是半导体制冷片功耗极高,因此该方案只适用于大型激光探测设备中。

(2)偏置电压数控法:由于apd在不同的偏置电压下有不同的增益,所以可以通过在不同温度下给apd设置不同的偏置电压来补偿温度漂移,该方案是目前小体积应用条件下主要温度补偿方法,但是该方案严重依赖数字芯片运算资源,在没有数字芯片时该方案无法正常工作,而且该方案的温度补偿精度受限于数字芯片的性能。



技术实现要素:

针对背景技术存在的问题,本发明提供一种低功耗、小体积、不依赖数字芯片并具备温度补偿功能的apd偏置电压模块。

为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种具有温度补偿功能的apd偏置电压模块,包括依次连接的逆变升压部分、多级滤波全波整流部分、偏压设置和温度补偿部分;逆变升压部分包括电源滤波电路,与其依次连接的第三电阻r3、正反馈震荡回路、lc选频电路和第三电容c3;多级滤波全波整流部分包括第一级全波整流电路和与之连接的第二级整流电路;偏压设置和温度补偿部分包括运算放大器u1a,与之连接的负反馈调压电路、标准电压源uc和模拟温度传感器ut。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,电源滤波电路包括第一电阻r1、第一电感l1、第一电容c1和第二电容c2构成的滤波电路,该滤波电路与第三电阻r3连接;

正反馈震荡回路包括第一三级管q1、第二三级管q2、高频变压器t1、变压器初级线圈l2、变压器反馈线圈l3;第三电容c3两端分别与第一三级管q1、第二三级管q2集电极连接后,再与变压器初级线圈l2两端连接,第三电阻r3串联连接于第一三级管q1基极和变压器初级线圈l2中间投头,第一三级管q1、第二三级管q2的发射极均接地,变压器反馈线圈l3一端与第一三级管q1的基极连接,另一端与第二三级管q2基极连接;

lc选频电路包括变压器次级线圈l4和第四电容c4并联连接再接地。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,第一级全波整流电路包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4组成的高频全波整流电路、第五电容c5、第四电阻r4和第五电阻r5,高频全波整流电路分别与变压器次级线圈l4和第五电容c5的两端连接,第五电容c5两端还分别连接第四电阻r4和第五电阻r5的一端;

第二级整流电路包括第六电容c6、第六电阻r6和第七电阻r7,第六电容c6的两端分别连接第四电阻r4和第五电阻r5的另一端,第六电容c6的两端还分别与第六电阻r6和第七电阻r7连接。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,运算放大器u1a为处于开环放大模式的运算放大器;负反馈调压电路包括第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第三三极管q3、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十七电阻r17和第十八电阻r18,第三三极管q3基极连接运算放大器u1a输出端、集电极分别连接第八电阻r8和第九电阻r9的一端、发射极接地,第八电阻r8另一端分别通过第七电容c7接地和连接第七电阻r7的输出端,运算放大器u1a一输入端分别连接第九电阻r9和第十电阻r10,运算放大器u1a另一输入端分别连接第十五电阻r15和第十六电阻r16,第十五电阻r15通过第十二电阻r12连接模拟温度传感器ut,第十五电阻r15通过第十三电阻r13接地,第十六电阻r16通过第十七电阻r17连接标准电压源uc,第十六电阻r16通过第十八电阻r18接地。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,高频变压器t1骨架选择er7.5,初级线圈匝数与次级线圈匝数之比为10:314,放大倍数62.8倍。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,第三电阻r3阻值不得低于30k;第八电阻r8选用合金电阻。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,第四电阻r4、第七电阻r7取值100k,震荡频率为180khz时,第五电容c5、第六电容c6选用47nf,封装为1802的陶瓷电容。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,第一二级管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4选用耐压值为1000v,反向回复时间为100ns的肖基特二级管。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,模拟温度传感器ut选用tm50,其工作温度范围为-40℃~80℃;运算放大器u1a选用lmh6629,其带宽为180mh;标准电压源uc选用ref系列。

在上述具有温度补偿功能的apd偏置电压模块中,第三三极管q3选用高压三极管,耐压值不低于500v。

与现有技术相比,本发明结合逆变器结合变压器升压法和偏置电压数控法的优势,设计了一种基于模拟温度传感器和模拟电路运行的低功耗小体积温度自适应apd偏置电压模块,该模块具有极低纹波和不依赖任何数字芯片和计算资源的优势。

附图说明

图1为本发明一个实施例apd偏置电压模块总体结构框图;

图2为本发明一个实施例逆变升压部分电路原理图;

图3为本发明一个实施例多级滤波全波整流部分电路原理图;

图4为本发明一个实施例整流纹波示意图;

图5为本发明一个实施例偏压设置和温度补偿部分电路原理图;

图6为本发明一个实施例apd偏置电压模块实物照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。

本实施例结合逆变器结合变压器升压法和偏置电压数控法的优势,设计了一种基于模拟温度传感器和模拟电路运行的低功耗小体积温度自适应apd偏置电压模块。包括逆变升压部分、多级滤波全波整流部分、偏压设置和温度补偿部分,

逆变升压部分由两只震荡三级管,变压器,选频电容,电源滤波电路,震荡整形电容组成,该部分的主要功能为将输入模块的直流信号逆变为高频交流信号,并由高频变压器升压后输出高压正弦交流电。

多级滤波全波整流部分主要由四只高频二级管和若干电阻电容组成,主要功能是通过第一级全波整流电路将高压高频交流信号转换为低纹波的高压直流电,通过第二级滤波电路进一步减小电压纹波。

偏压设置和温度补偿部分主要由一个标准电压源,一个模拟温度传感器,一个运算放大器,一个开关三级管和若干电阻电容组成,主要功能是将多级滤波全波整流部分输出的高压通过负反馈调节至需要的幅值,同时根据环境温度的变化补偿apd的偏置电压。

本实施例是通过以下技术方案来实现的,如图1所示,一种具有温度补偿功能的apd偏置电压模块,包括依次连接的逆变升压部分、多级滤波全波整流部分、偏压设置和温度补偿部分。

如图2所示,逆变升压部分包括电源滤波电路,与其依次连接的第三电阻r3、正反馈震荡回路、lc选频电路和第三电容c3;

由两个npn三级管第一三极管q1和第二三极管q2、变压器t1的初级线圈l2,变压器的反馈线圈l3共同构成的正反馈震荡回路:用于将输入的直流信号逆变为交流信号。正反馈振荡过程如下:如图2所示,假设某瞬间震荡信号在第一三极管q1基极的极性为正,其集电极极性与基极相反为负,该极性信号经过变压器初级线圈电感l2反向后为正,并耦合到第二三极管q2的集电极,第二三极管q2的基极极性与集电极相反,信号极性为负,该信号通过变压器反馈线圈l3再次反向,耦合到第一三极管q1基极的信号依然为正,所以信号产生的过程为正反馈过程,又因为第一三极管q1与第二三极管q2的基极极性相反,当第一三极管q1处于放大状态时第二三极管q2截止,第二三极管q2处于放大状态时第一三极管q1截止,导致第一三极管q1、第二三极管q2输出信号的极性相反,幅值相等,第一三极管q1、第二三极管q2输出的信号在电源零位附近上下震荡。完成了从直流信号到交流信号的逆变过程。

第三电容c3用于改善震荡信号,滤除杂波,减小升压过程中的损失。

第三电阻r3用于限制正反馈回路中的电流大小,在保护电路元器件的同时可以减小模块功耗,第三r3电阻越大,回路中电流越小模块功耗越低。

第一电感l1、第一电阻r1、第一电容c1和第二电容c2共同构成电源滤波电路,用于降低输入的电源噪声。

变压器次级线圈l4和第四电容c4构成lc选频电路,逆变产生交流信号的频率由变压器次级线圈l4和第四电容c4的值共同决定,震荡频率f0为:

逆变产生的交流信号为正弦信号,可由下面的公式描述

vin为输入逆变器的直流电压,假设高频变压器次级线圈l4和初级线圈l2的匝数之比为n,高频变压器输出信号为:

逆变升压部分的电压放大倍数为2n,交流频率为

如图3所示,多级滤波全波整流部分包括第一级全波整流电路和与之连接的第二级整流电路。

由第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4,第五电容c5,第四电阻r4、第五电阻r5构成的第一级全波整流电路,与第六电容c6,第六电阻r6、第七电阻r7构成的第二级整流电路共同进行交流到直流信号的转换,减小输出电压纹波。其中,第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4均为高频二极管。

第一全波整流电路工作流程如下:当变压器t1输出高频交流电的正向脉冲时,第二二极管d2、第三二极管d3导通,第一二极管d1、第四二极管d4截止,在第五电容c5电压极性为上正下负;变压器t1输出高频交流电的负向脉冲时,在第五电容c5电压极性依然为上正下负,第二二极管d2、第三二极管d3截止,第一二极管d1、第四二极管d4导通,流过第五电容c5的电流方向与正向脉冲时一致,所以第五电容c5上的电压在整个周期内正负极性不变。如图4所示,第五电容c5上电压vc5上升时,通过第四电阻r4向第六电容c6充电,vc5下降时,由于电容对交流信号具有容性阻抗,第五电容c5上电压vc5的下降值vrip5为:

vrip5在电容c6上会进行第二级滤波,此时c6上的电压纹波为:

vrip6为最终的电压纹波大小,可以看出谐振频率f0、电阻r4、r7、电容c6、c5的值越大,vrip6越小,电压纹波越小,电源质量越好。多级滤波全波整流相比普通的全波整流电路纹波更小。

如图5所示,偏压设置和温度补偿部分包括运算放大器u1a,与之连接的负反馈调压电路、标准电压源uc和模拟温度传感器ut。

使用模拟温度传感器ut作为模块的温度感受器,其输出的电压随温度变化,输出电压vt随温度变化的曲线函数为:

vt=vz+vapd×t(6)

其中vz为0℃时模拟温度传感器输出的电压,t为当前环境温度,vapd为某种apd的温度漂移系数。

使用运算放大器u1a通过负反馈过程调节apd的偏置电压,调节过程如下:

多级滤波全波整流部分输出的原始电压经过第八电阻r8产生apd偏置电压vf,流过第八电阻r8的电流越大,apd偏置电压vf越小。第九电阻r9、第十电阻r10分压产生的vc等于:

第三三极管q3为高压三极管,其基极电压为高时,集电极和发射极导通,第八电阻r8接地,此时有较大电流流过第八电阻r8,vf减小。运算放大器u1a为处于开环放大模式的运算放大器,当正向输入端的电压大于负向输入端时,放大器输出高电平,反之输出低电平。uc为标准电压源,其输出的电压ve经过第十七电阻r17,第十八电阻r18分压后得到电压ve,模拟温度传感器ut输出的电压经过第十二电阻r12,第十三电阻r13分压后得到电压vt。

温度传感器输出电压vt与标准电压源产生的电压ve在运算放大器的负向输入端相加,vf经过分压电阻得到的电压vc输入到放大器的正向输入端,由于运算放大器u1a为开环放大模式,当vt+ve<vc时,运算放大器输出高电平,第三三级管q3导通,此时有电流从第八电阻r8流过,第八电阻r8上电压增大,第九电阻r9左端电压vf减小,又因为vc=r10/(r10+r9)vf,vc减小,减小到vt+ve>vc时,三极管关闭,vf开始增大,vc增大,第三三极管q3又打开。如此重复,极小段时间后,apd的偏置电压vf会稳定在:

当环境温度t改变时,由式(5),vt发生改变,温度补偿器经过新一轮的反馈调节后,稳定在一个新的偏置电压vf,实现偏置电压vf随温度t的变化而变化。

通过改变第十三电阻r13和第十八电阻r18的值可以任意设置电压幅值和温度补偿系数。

式(8)中:

根据式(6)(9)(10),式(8)可化为:

在式(11)中第九电阻r9、第十电阻r10、第十二电阻r12、第十七电阻r17为固定值,为反馈电路的反馈系数,第十三电阻r13和第十八电阻r18为可调电位器,通过设置第十三电阻r13和第十八r18的电阻可任意调节apd当前的偏置电压和温度补偿系数并且不占用任何数字芯片资源,参数设定完毕后就能独立运行。

并且,选频电感变压器次级线圈l4和选频电容第四电容c4取值应该尽可能小,以增大震荡频率,减小变压器体积。

并且,为进一步减小模块体积,变压器t1骨架选择er7.5,初级线圈匝数与次级线圈匝数之比为10:314,放大倍数62.8倍。

并且,震荡三极管第一三极管q1和第二三极管q2选用高频三极管,以满足高频震荡的需求。

并且,限流电阻第三电阻r3阻值不得低于30k。

并且,第四电阻r4、第七电阻r7取100k,震荡频率为180khz时,第五电容电容c5、第六电容c6可选用47nf,封装为1802的陶瓷电容,以减小电路体积。

并且,高频二级管第一、第二、第三、第四二极管d1、d2、d3、d4选用耐压值为1000v,反向回复时间为100ns的肖基特二级管。

并且,运算放大器u1a可选用ti公司的lmh6629,其带宽为180mh。

并且,第三三极管q3需选用高压三极管,耐压值不得低于500v。

并且,标准电压源uc可选用ti公司的ref系列。

并且,为保证电压控制的精度,限流电阻第八电阻r8应选用高精度的合金电阻。

而且,最终apd偏置电压模块体积可以控制在1.7cm×2.7cm,功耗不超过100mw,电源纹波不超过0.005%,温度补偿精度不低于1%。

本实施例的实施步骤如下:通过模块的逆变升压部分将输入的原始电压进行直流电到交流电的转换,再通过高频变压器进行升压。升压之后的高压正弦交流电通过多级滤波全波整流部分进行交流电到直流电的转换,并通过多级滤波器减小电压纹波。偏压设置和温度补偿部分通过负反馈调节对多级滤波全波整流部分输出的电压进行降压,并通过模拟温度传感器进行温度补偿,通过对偏压设置和温度补偿部分特定电阻的设置,模块可以输出一定范围内任意幅值的电压,同时补偿任意参数的温度漂移。

如图6所示为本实施例的实物照片。

以上仅为本发明较佳的实施例,并非因此限制本发明的实施方式及保护范围,对于本领域技术人员而言,应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案,均应当包含在本发明的保护范围内。

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