摘要：介紹了DS3501的工作原理，針對(duì)APD偏置電壓需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)乃Ｇ螅O(shè)計(jì)了一種高精度、寬動(dòng)態(tài)范目的APD偏壓自動(dòng)補(bǔ)償電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，APD偏壓相對(duì)誤差小于0．25％。將該補(bǔ)償電路應(yīng)用于熒光法溶解氧測(cè)量系統(tǒng)中，顯著提高了系統(tǒng)測(cè)量精度，測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差小于1％。
　　
　　雪崩光電二極管（APD）具有很高的靈敏度和內(nèi)部增益，可大大提高探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和信噪比。因而在微弱光電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但同時(shí)它也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即增益隨溫度變化，因而應(yīng)用時(shí)需做偏壓溫度補(bǔ)償，以保證APD的增益恒定。但現(xiàn)有的補(bǔ)償方法中。或需要微處理器進(jìn)行控制，或電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。由此，文中提出了一種基于DS3501的APD偏壓溫度補(bǔ)償電路，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)APD偏壓補(bǔ)償，無(wú)需微處理器控制，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
　　
　　1、溫度對(duì)APD增益的影響及補(bǔ)償方法
　　
　　SILICON-SENSOR公司AD系列APD的增益Gain由偏置電壓UR與UBR的比值k決定，k越大，增益越大。但是，APD的擊穿電壓UBR受溫度影響，溫度系數(shù)為0．45V／℃，在偏置電壓UR不變的情況下，UBR隨溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)波動(dòng)，如圖1所示。APD增益的變化將直接影響到光信號(hào)的測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量值出現(xiàn)較大誤差。　　
　　由以上分析可知，當(dāng)溫度發(fā)生變化從而引起擊穿電壓UBR變化時(shí)，需調(diào)整偏置電壓UR，使保持不變，以保證APD增益Gain恒定。假設(shè)溫度時(shí)，APD擊穿電壓為UBRO，偏置電壓為URO，可得偏壓計(jì)算公式：
　　
　　UR=k（UBRO+0．45（T-T0））（1）
　　
　　以此公式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)APD偏壓溫度補(bǔ)償電路。
　　
　　2、DS3501工作原理
　　
　　DS3501是一款7位、非易失（NV）數(shù)字電位器，端到端電阻為10kΩ，可通過(guò)I2C接口對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)置。內(nèi)置溫度傳感器和對(duì)應(yīng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），溫度傳感器帶有一個(gè)36字節(jié)的NV查找表（LUT），以存儲(chǔ)不同溫度下對(duì)應(yīng)的輸出阻值，每4℃的溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)阻值，覆蓋溫度范圍-40～+100℃。
　　
　　DS3501原理框圖如圖2所示。芯片具有3種工作模式：Default模式，LUT模式和LUTAdder模式。Default模式zui簡(jiǎn)單，抽頭位置直接由控制器通過(guò)I2C總線控制；LUT模式和LUTAdder模式都是通過(guò)LUT查找表控制抽頭位置，二者的區(qū)別在于：LUTAdder模式中，抽頭寄存器WR中的值等于LUT查找表的輸出值加上初始值寄存器IVR中的值，而LUT模式中則不加IVR中的值。以上3種模式中，系統(tǒng)上電時(shí)，抽頭寄存器WR默認(rèn)讀取初始值寄存器IVR中的值作為初始值。　　
　　本設(shè)計(jì)通過(guò)配置相關(guān)寄存器使DS3501工作于LUT模式，電位器的抽頭位置直接由LUT的輸出控制。如圖2所示，芯片以周期TFRAME查詢溫度傳感器的輸出，將ADC轉(zhuǎn)化后的溫度值存貯于溫度寄存器（0Ch），根據(jù)此溫度確定一個(gè)地址值并存儲(chǔ)于LUT地址寄存器LUTAR（08h），讀取LUT查找表中對(duì)應(yīng)地址內(nèi)的阻值并存入抽頭寄存器WB（09h），實(shí)現(xiàn)抽頭位置的自動(dòng)調(diào)整。這一特性使得僅通過(guò)此芯片就可以完成對(duì)APD的偏壓溫度補(bǔ)償，而不用借助微處理器進(jìn)行計(jì)算和控制，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。其中，LUT查找表中的存儲(chǔ)的阻值由APD的性能參數(shù)及環(huán)境溫度決定。同時(shí)，溫度值還可通過(guò)I2C總線由主機(jī)讀取。
　　
　　3、偏壓溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
　　
　　3．1電路設(shè)計(jì)原理
　　
　　偏壓溫度補(bǔ)償電路如圖3所示，將DS3501的RH、RL和RW在外部連接成分壓器形式，RW端電壓可方便地通過(guò)下式計(jì)算：　　
　　因此，通過(guò)改變寄存器WR中的值，就可以獲得不同的偏置電壓。　　
　　3．2電路參數(shù)設(shè)計(jì)
　　
　　參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足以下兩點(diǎn)要求：
　　
　　1）為保證偏壓溫度補(bǔ)償?shù)木龋仨氂小鱒EW<△Vadj，即相鄰兩檔電阻對(duì)應(yīng)的VRW的變化值小于Vadj的zui小變化值；
　　
　　2）工業(yè)環(huán)境溫度一般為-40～-+85℃，因此該電路必須能在-4O～+85℃范圍內(nèi)進(jìn)行APD偏壓溫度補(bǔ)償。
　　
　　查APD手冊(cè)得：22℃時(shí)，APD擊穿電壓UR=153V，為了保證APD工作在較大的放大倍數(shù)，同時(shí)受溫度影響又相對(duì)較小，取偏置電壓UR=122.4V，即k=0.8。
　　
　　由（1）、（3）式得：
　　
　　△VRW<0．018=0．0045△T（5）
　　
　　因?yàn)镈S3501每4℃溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)阻值，因此△T=4，故Vadj=0.018。
　　
　　因此需要有：
　　
　　△VRW<0．018（6）
　　
　　同時(shí)，在-40～+85℃范圍內(nèi)，由（1）、（3）式得：
　　
　　1.251<Vadj<1．8135（7）
　　
　　電路參數(shù)設(shè)計(jì)必須滿足（6）、（7）式所示條件。
　　
　　取VADD=12V，R1=100k，R2=10k，得△VRW=0．0079，1．000<Vadj<2.000，滿足（6）、（7）式。根據(jù)確定的參數(shù)，由（1）、（4）式得：
　　
　　WR=54．737+0．57157（8）
　　
　　由（8）式計(jì)算出不同溫度下對(duì)應(yīng)的WR的值，并轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，通過(guò)I2C總線寫入DS3501的查找表LUT對(duì)應(yīng)地址中。芯片就可以根據(jù)溫度傳感器的溫度控制抽頭位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏壓的控制。
　　
　　4、測(cè)試結(jié)果
　　
　　根據(jù)電路選取的參數(shù)，由（4）、（8）式得：
　　
　　UR=114．48+0．36T（9）
　　
　　根據(jù)（9）式可以計(jì)算得到某溫度下偏置電壓UR的理論值。
　　
　　為了測(cè)試電路的補(bǔ)償效果，在不同的溫度下測(cè)量一組偏置電壓UR，將其與理論值進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0．99967，斜率為1．00248，標(biāo)準(zhǔn)偏羞為0．00664，具有較好的一致性，如表1及圖4所示。　　
　　5、應(yīng)用
　　
　　將該溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用于熒光法溶解氧測(cè)量?jī)x，在一組不同溫度下，分別用APD偏壓補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的測(cè)量?jī)x測(cè)量同一濃度的溶解氧（8．15mg／L），測(cè)量結(jié)果如表2及圖5所示，補(bǔ)償前測(cè)量值z(mì)ui大相對(duì)誤差為4.17％，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．1606，補(bǔ)償后測(cè)量zui大相對(duì)誤差為0.98％，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0388，可見(jiàn)，儀器性能指標(biāo)得到了較大的提升，且具有較好的度及穩(wěn)定性。　　
　　6、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的基于DS3501的APD偏壓溫度補(bǔ)償電路，能夠根據(jù)環(huán)境溫度準(zhǔn)確自動(dòng)補(bǔ)償APD偏置電壓，較好的滿足了溶解氧測(cè)量系統(tǒng)對(duì)APD測(cè)量精度的要求，具有優(yōu)良的性能和很好的實(shí)用性。