基于DS3501的APD偏压温度补偿电路设计

石朝毅 ， 张玉钧 ， 殷高方 ， 王志刚 ，2， 肖 雪 ，赵南京 ，刘文清

（1.中科院 安徽光学精密机械研究所 国家环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031；2.扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

雪崩光电二极管（APD）具有很高的灵敏度和内部增益，可大大提高探测系统的探测灵敏度和信噪比，因而在微弱光电信号测量系统中得到了广泛应用。但同时它也有一个很大的缺点，即增益随温度变化，因而应用时需做偏压温度补偿，以保证APD的增益恒定[1-2]。但现有的补偿方法中，或需要微处理器进行控制，或电路设计比较复杂。由此，文中提出了一种基于DS3501的APD偏压温度补偿电路，可以自动实现APD偏压精确补偿，无需微处理器控制，简化了电路设计。

1 温度对APD增益的影响及补偿方法

SILICON-SENSOR公司AD系列APD的增益Gain由偏置电压UR与UBR的比值k决定，k越大，增益越大。但是，APD的击穿电压UBR受温度影响，温度系数为0.45 V/℃，在偏置电压UR不变的情况下，UBR随温度发生变化，导致出现波动[3-4]，如图1所示。APD增益的变化将直接影响到光信号的测量，导致测量值出现较大误差。

由以上分析可知，当温度发生变化从而引起击穿电压UBR变化时，需调整偏置电压UR，使保持不变，以保证APD增益Gain恒定。假设温度时，APD击穿电压为UBRO，偏置电压为URO，可得偏压计算公式：

图1 APD增益曲线Fig.1 APD gain curve

以此公式为基础，设计APD偏压温度补偿电路。

2 DS3501工作原理

DS3501是一款7位、非易失（NV）数字电位器，端到端电阻为10 kΩ，可通过I2C接口对其进行编程设置。内置温度传感器和对应的模/数转换器（ADC），温度传感器带有一个36字节的NV查找表（LUT），以存储不同温度下对应的输出阻值，每4℃的温度区间对应一个阻值，覆盖温度范围-40～+100℃。

DS3501原理框图如图2所示。芯片具有3种工作模式：Default模式，LUT模式和LUT Adder模式。Default模式最简单，抽头位置直接由控制器通过I2C总线控制；LUT模式和LUT Adder模式都是通过LUT查找表控制抽头位置，二者的区别在于：LUT Adder模式中，抽头寄存器WR中的值等于LUT查找表的输出值加上初始值寄存器IVR中的值，而LUT模式中则不加IVR中的值。以上3种模式中，系统上电时，抽头寄存器WR默认读取初始值寄存器IVR中的值作为初始值。

本设计通过配置相关寄存器使DS3501工作于LUT模式，电位器的抽头位置直接由LUT的输出控制。如图2所示，芯片以周期TFRAME查询温度传感器的输出，将ADC转化后的温度值存贮于温度寄存器（0Ch），根据此温度确定一个地址值并存储于LUT地址寄存器LUTAR（08h），读取LUT查找表中对应地址内的阻值并存入抽头寄存器WR（09h），实现抽头位置的自动调整。这一特性使得仅通过此芯片就可以完成对APD的偏压温度补偿，而不用借助微处理器进行计算和控制，简化了电路设计。其中，LUT查找表中的存储的阻值由APD的性能参数及环境温度决定。同时，温度值还可通过I2C总线由主机读取。

图2 DS3501原理框图Fig.2 Block diagram of DS3501

3 偏压温度补偿电路设计

3.1 电路设计原理

偏压温度补偿电路[5]如图3所示，将DS3501的RH、RL和RW在外部连接成分压器形式，RW端电压可方便地通过下式计算：

其中，WR为十进制表示的寄存器WR中的值。

设计中的高压模块为线性升压模块，放大倍数为80倍，即：

根据电路设计，得：

因此，通过改变寄存器WR中的值，就可以获得不同的偏置电压。

图3 偏压温度补偿电路Fig.3 Bias voltage compensation circuit

3.2 电路参数设计

参数设计需要满足以下两点要求：

1）为保证偏压温度补偿的精度，必须有 ΔVRW＜ΔVadj，即相邻两档电阻对应的VRW的变化值小于Vadj的最小变化值；

2）工业环境温度一般为-40～+85℃，因此该电路必须能在-40～+85℃范围内进行APD偏压温度补偿。

查APD手册得：22℃时，APD击穿电压UR=153 V，为了保证APD工作在较大的放大倍数，同时受温度影响又相对较小，取偏置电压UR=122.4 V，即k=0.8。

由（1）、（3）式得：

因为DS3501每4℃温度区间对应一个阻值，因此ΔT=4，故 Vadj=0.018。

因此需要有：

同时，在-40～+85 ℃范围内，由（1）、（3）式得：

电路参数设计必须满足（6）、（7）式所示条件。

取 VADD=12 V，R1=100 k，R2=10 k， 得 ΔVRW=0.007 9，1.000＜Vadj＜2.000，满足（6）、（7）式。 根据确定的参数，由（1）、（4）式得：

由（8）式计算出不同温度下对应的WR的值，并转换成十六进制，通过I2C总线[6]写入DS3501的查找表LUT对应地址中，芯片就可以根据温度传感器的温度控制抽头位置，进而实现偏压的控制。

4 测试结果

根据电路选取的参数，由（4）、（8）式得：

根据（9）式可以计算得到某温度下偏置电压UR的理论值。

为了测试电路的补偿效果，在不同的温度下测量一组偏置电压UR，将其与理论值进行相关性分析，相关系数为0.999 67，斜率为1.002 48，标准偏差为0.006 64，具有较好的一致性，如表1及图4所示。

表1 偏置电压理论值与测量值对照表Tab.1 Compare of theoretical value and measured value of bias voltage

图4 偏置电压理论值与测量值关系曲线Fig.4 Relation curve of theoretical value and measured value of bias voltage

5 应 用

将该温度补偿电路应用于荧光法溶解氧测量仪，在一组不同温度下，分别用APD偏压补偿前和补偿后的测量仪测量同一浓度的溶解氧（8.15 mg/L），测量结果如表2及图5所示，补偿前测量值最大相对误差为4.17%，标准偏差为0.160 6，补偿后测量最大相对误差为0.98%，标准偏差为0.038 8，可见，仪器性能指标得到了较大的提升，且具有较好的精确度及稳定性。

6 结束语

通过实验测试可见，本文设计的基于DS3501的APD偏压温度补偿电路，能够根据环境温度准确自动补偿APD偏置电压，较好的满足了溶解氧测量系统对APD测量精度的要求，具有优良的性能和很好的实用性。

表2 偏压补偿前后同一溶解氧浓度测量结果对比（mg/L）Tab.2 Measured value of dissolved oxygen before and after compensation（mg/L）

图5 偏压补偿前后同一溶解氧浓度测量值曲线Fig.5 Curve of measured value of dissolved oxygen before and after compensation

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