一种偏置电压电路、光电探测模块及氧分压传感器的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种偏置电压电路、光电探测模块以及氧分压传感器。


背景技术：

2.硅光电倍增管(silicon photomultiplier，sipm)是一种由多个工作在盖革模式下的雪崩光二极管(avalance photo diode)构成的阵列型光电转换器件。与传统的pmt(photo multiplier tube，光电倍增管)相比，sipm具有体积小，便于研制成探测器阵列的形式，可在低偏压下工作，具有良好的抗磁场干扰和耐机械冲击的性能，并且还具有高增益、高光子探测效率、快速响应以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等优点。其缺点是对环境温度变化非常敏感，环境温度变化会引起sipm增益发生漂移，在粒子探测应用中，必然使得探测数据偏离于真实数据，可信度较差。
3.根据sipm的工作原理，sipm的增益正比于探测器上所加偏置电压与雪崩临界电压的差值，由于半导体雪崩临界电压随温度的升高而不断升高，即使sipm工作在恒定的偏置电压下，其增益也将随温度的升高而不断减小，因此需要调节偏置电压。
4.但是，sipm的击穿电压为25v，需提供高于25v的偏置电压。如果直接从外部电源(10～30v)电压进行转换，要求转换电路既有升压又有降压功能，电路会比较复杂，而单独采用升压开关电源(例如将5v升压至30v的升压开关电源)则会产生高频纹波，不利于探测器的温度工作。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种偏置电压电路、光电探测模块以及氧分压传感器，可以解决开关电源产生的高频纹波，提供稳定可调的偏置电压，使光电探测模块和氧分压传感器稳定工作，并且电路简单、稳定。
6.为实现上述目的，本实用新型实施例第一方面提供一种偏置电压电路，作为其中一种实施方式，该偏置电压电路包括boost升压电路和基准电压源电路，所述boost升压电路与所述基准电压源电路连接；其中，
7.所述boost升压电路用于对输入电压进行升压得到输出电压；
8.所述基准电压源电路用于根据控制电压调节所述输出电压以得到偏置电压。
9.作为其中一种实施方式，所述boost升压电路包括开关电源模块、电感、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；其中，
10.所述开关电源模块的输入端分别与所述开关电源模块的使能脚、所述电感的第一端以及第一电源端连接，所述第一电源端提供所述输入电压，所述开关电源模块的反馈端分别与第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端连接所述第一二极管的负极，所述第二电阻的第二端接地，所述开关电源模块的开关控制端分别与所电感的第二端和所述第一二极管的正极连接，所述开关电源模块的接地端接地，所述第一电
容连接于所述第一电源端和地之间，所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容连接于所述第一二极管的负极和地之间。
11.作为其中一种实施方式，所述基准电压源电路包括基准源调节模块、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第七电阻；其中，
12.所述第三电阻连接于所述第一二极管的负极和偏置电压输出端之间，所述基准源调节模块的阴极连接所述偏置电压输出端，所述基准源调节模块的阳极接地，所述第四电阻连接于所述基准源调节模块的参考端和所述偏置电压输出端之间，所述第五电阻的第一端连接所述基准源调节模块的参考端，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端接收所述控制电压，所述第七电阻连接于所述第六电阻的第二端和地之间。
13.作为其中一种实施方式，所述基准电压源电路还包括第五电容，所述第五电容连接于所述偏置电压输出端和地之间。
14.作为其中一种实施方式，所述基准源调节模块的型号为tl431n。
15.作为其中一种实施方式，所述第一二极管为肖特基二极管。
16.作为其中一种实施方式，所述boost升压电路还包括瞬态抑制二极管，所述瞬态抑制二极管连接于所述第一二极管的负极和地之间。
17.作为其中一种实施方式，所述boost升压电路还包括第六电容，所述第六电容连接于所述第一二极管的负极和地之间，所述第六电容的容值小于所述第二电容、所述第三电容以及所述第四电容的容值。
18.为实现上述目的，本实用新型实施例第二方面提供一种光电探测模块，作为其中一种实施方式，该光电探测模块包括sipm探头和如上述任一实施方式所述的偏置电压电路，所述偏置电压电路为所述sipm探头提供所述偏置电压。
19.为实现上述目的，本实用新型实施例第三方面提供一种氧分压传感器，作为其中一种实施方式，该氧分压传感器包括光学系统、信号处理模块以及如上所述的光电探测模块；其中，
20.所述光学系统用于产生荧光信号和参考光信号，所述光电探测模块的用于分别接收所述荧光信号和所述参考光信号，并分别转换为荧光电信号和参考光电信号，所述信号处理模块用于根据所述荧光电信号和所述参考光电信号计算氧分压；其中，
21.所述信号处理模块包括放大差分电路、模数转换电路、数字正交锁相放大器以及微处理器，所述放大差分电路用于对所述荧光电信号和所述参考光电信号进行放大处理，所述模数转换电路用于对放大处理后的电信号进行模数转换，所述数字正交锁相放大器用于对模数转换后得到的数字信号进行正交锁相放大处理，以用于计算所述荧光电信号和所述参考光电信号的相位差，所述微处理器用于根据预设的氧分压和相位差的函数关系计算氧分压。
22.本实用新型采用以上的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
23.本实用新型提供的偏置电压电路、光电探测模块及氧分压传感器，通过设置boost升压电路和基准电压源电路，boost升压电路与基准电压源电路连接，boost升压电路用于对输入电压进行升压得到输出电压，基准电压源电路用于根据控制电压调节输出电压以得到偏置电压，可以解决开关电源产生的高频纹波，提供稳定可调的偏置电压，使光电探测模
块和氧分压传感器稳定工作，还能在不同的温度下使光电探测模块(sipm)的增益始终处于一个稳定的状态，与温度脱耦，并且电路简单、稳定。
附图说明
24.图1为本实用新型一实施例提供的偏置电压电路结构框图。
25.图2为本实用新型一实施例提供的偏置电压电路具体结构图。
26.图3为本实用新型一实施例提供的光电探测模块结构示意图。
27.图4为本实用新型一实施例提供的控制电压获取流程示意图。
28.图5为本实用新型一实施例提供的氧分压传感器结构框图。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。在本专利说明书中“一个实施例”或“一实施方式”指的是结合实例中描述的特定特征、结构或特性包含于本实用新型的至少一个实施例中。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述功能性的其它适合组件中。另外，本说明书中仅描述了与本实用新型点相关联的内容，其它内容本领域技术人员可结合现有技术进行理解。
30.请参考图1，图1为本实用新型一实施例提供的偏置电压电路结构框图。如图1所示，该偏置电压电路10包括boost升压电路101和基准电压源电路102，boost升压电路101与基准电压源电路102连接。其中，boost升压电路101用于对输入电压进行升压得到输出电压，基准电压源电路102用于根据控制电压调节所述输出电压以得到偏置电压。
31.具体地，boost升压电路101(或者是boost升压电源、boost电源、boost电路等)是一种开关直流升压电路，通常包括boost模块及其外围拓扑结构，如电感、输出上管、电压反馈电阻、电容等器件，其作用是可以使输出至负载的电压高于输入电压。但是在采用boost模块，即升压开关电源时，开关电源会产生高频纹波，不利于输出稳定的偏置电压至负载，例如sipm探头，因此在boost升压电路101的基础上增加基准电压源电路102，以用于稳定电源，降低纹波。其中，控制电压的具体值是通过参考一目标信号，通过改变控制电压，从而改变偏置电压，使得目标信号保持恒定，进而意味着sipm的增益保持恒定。此次下文将结合具体应用详细描述。
32.请参考图2，图2为本实用新型一实施例提供的偏置电压电路具体结构图。如图2所示，boost升压电路101包括开关电源模块u1、电感l、第一二极管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4；其中，开关电源模块u1的输入端vin分别与开关电源模块u1的使能脚en、电感l的第一端以及第一电源端v1连接，第一电源端v1提供输入电压，开关电源模块u1的反馈端fb分别与第一电阻r1的第一端和第二电阻r2的第一端连接，第一电阻r1的第二端连接第一二极管d1的负极，第二电阻r2的第二端接地，开关电源模块u1的开关控制端vout(也可以说是输出端)分别与电感l的第二端和第一二极
管d1的正极连接，开关电源模块u1的接地端gnd接地，第一电容c1连接于第一电源端v1和地之间，第二电容c2、第三电容c3以及第四电容c4连接于第一二极管d1的负极和地之间。
33.具体地，开关电源模块u1可以根据实际需求进行选择，例如可以是将5v升至30v的升压开关电源，例如开关电源模块的芯片型号为xl6007。
34.在一实施方式中，第一二极管d1为肖特基二极管。
35.在一实施方式中，boost升压电路101还包括瞬态抑制二极管tvs，瞬态抑制二极管tvs连接于第一二极管d1的负极和地之间。
36.具体地，通过设置瞬态抑制二极管tvs，由于其具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力，当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，瞬态抑制二极管tvs能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。
37.在一实施方式中，boost升压电路101还包括第六电容c6，第六电容c6连接于第一二极管d1的负极和地之间，第六电容c6的容值小于第二电容c2、第三电容c3以及第四电容c4的容值。
38.在一实施方式中，基准电压源电路102包括基准源调节模块u2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6以及第七电阻r7；其中，第三电阻r3连接于第一二极管d1的负极和偏置电压输出端pd
‑
bias之间，基准源调节模块u2的阴极连接偏置电压输出端pd
‑
bias，基准源调节模块u2的阳极接地，第四电阻r4连接于基准源调节模块u2的参考端和偏置电压输出端pd
‑
bias之间，第五电阻r5的第一端连接基准源调节模块u2的参考端，第五电阻r5的第二端连接第六电阻r6的第一端，第六电阻r6的第二端接收控制电压dac，第七电阻r7连接于第六电阻r6的第二端和地之间。
39.具体地，由于控制电压dac的幅值和范围都比较小，而偏置电压(pd
‑
bias)的范围较大，例如sipm探头的工作电压范围在25v
‑
28v之间，因此需要实现小电压(控制电压)控制大电压(偏置电压)，并且还需要降低开关电源的纹波。因此通过设置基准电压源电路102，其中，基准源调节模块u2实质是电压转换芯片，用于实现小电压控制大电压。例如，在一实施方式中，基准源调节模块u2的型号可以为tl431n。
40.在一实施方式中，基准电压源电路102还包括第五电容c5，第五电容c5连接于偏置电压输出端pd
‑
bias和地之间。
41.综上所述，本实用新型提供的偏置电压电路，通过设置boost升压电路和基准电压源电路，boost升压电路与基准电压源电路连接，boost升压电路用于对输入电压进行升压得到输出电压，基准电压源电路用于根据控制电压调节输出电压以得到偏置电压，可以解决开关电源产生的高频纹波，提供稳定可调的偏置电压，并且电路简单、稳定。
42.请参考图3，图3为本实用新型一实施例提供的光电探测模块结构示意图。如图3所示，该光电探测模块100包括sipm探头11和上述任一实施方式所述的偏置电压电路10，偏置电压电路10为sipm探头11提供偏置电压。
43.具体地，sipm本身的增益对电压敏感，sipm的增益和加载在sipm上的偏置电压成正相关性。即随着偏置电压的增高，sipm的增益也随着变大。而sipm本身的增益也对温度敏感，sipm的增益和温度成负相关性，即随着温度的升高，sipm的增益随着变小。因此可以通过自动调节偏置电压，使sipm的增益保持恒定。例如，请参考图4，图4为本实用新型一实施
例提供的控制电压获取流程示意图。如图4所示，通过设置一参考光，该参考光的交流幅度为稳定值，以参考光幅度为基准，因为当探头温度变化引起sipm的增益发生改变时，参考光幅度也会随之产生改变，当对参考光的幅度解算完成后，和设定幅度进行误差计算和pi计算，获得下一轮控制电压，通过改变偏置电压将sipm的增益控制在一个稳定范围，降低其对光强
‑
电压输出的影响，实现控制目标。
44.请参考图5，图5为本实用新型一实施例提供的氧分压传感器结构框图。如图5所示，该氧分压传感器200包括光学系统210、信号处理模块220以及上述的光电探测模块100；其中，光学系统210用于产生荧光信号和参考光信号，光电探测模块100的用于分别接收荧光信号和参考光信号，并分别转换为荧光电信号和参考光电信号，信号处理模块220用于根据荧光电信号和参考光电信号计算氧分压；其中，信号处理模块220包括放大差分电路、模数转换电路、数字正交锁相放大器以及微处理器，放大差分电路用于对荧光电信号和参考光电信号进行放大处理，模数转换电路用于对放大处理后的电信号进行模数转换，数字正交锁相放大器用于对模数转换后得到的数字信号进行正交锁相放大处理，以用于计算荧光电信号和参考光电信号的相位差，微处理器用于根据预设的氧分压和相位差的函数关系计算氧分压。
45.具体地，不同氧分压情况下，参考光和荧光信号的相位差是不同的，二者相位差与氧分压存在着对应关系。因此，通过实验，计算出不同氧分压情况下的相位差，经过标定拟合，找出氧分压和相位差的数学函数关系式，最终就可以将相位差计算成氧分压的值。其中，相位差的计算是通过数字正交锁相放大器实现的，相位检测原理可参考相关现有技术，此处不再详细说明。
46.综上所述，本实用新型提供的光电探测模块和氧分压传感器，通过设置偏置电压电路，该偏置电压电路包括boost升压电路和基准电压源电路，boost升压电路与基准电压源电路连接，boost升压电路用于对输入电压进行升压得到输出电压，基准电压源电路用于根据控制电压调节输出电压以得到偏置电压，可以解决开关电源产生的高频纹波，提供稳定可调的偏置电压，使光电探测模块和氧分压传感器稳定工作，还能在不同的温度下使光电探测模块的增益始终处于一个稳定的状态，与温度脱耦，并且电路简单、稳定。
47.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离实用新型技术方案内容，依据实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。