闭环温度控制的APD光电探测器设计*

刘风江，张晓青，贾豫东

(北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192)

闭环温度控制的APD光电探测器设计*

刘风江，张晓青，贾豫东

(北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192)

摘要:针对微弱光信号探测系统中雪崩光电二极管(APD)在工作中的温漂特性，提出了一种适合APD的闭环温度控制方法。该方法将APD、热敏电阻器和TEC制冷器集成在同一组件中，采用模拟电路深度负反馈技术实现闭环温度控制，并运用经典的控制理论建立数学模型对PID电路进行优化，保证了APD探测电路的增益稳定性。试验表明：该系统中APD光电探测器温度控制精度为±0.1 ℃，输出电压波动约为±0.5 mV，很好地抑制了外界温度变化对APD增益的影响。

关键词:雪崩光电二极管；微弱光信号检测；闭环温度控制；模拟PID；驱动电路

0引言

雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)以其雪崩增益大、探测灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低等特点，一直是微弱光信号探测的最佳选择，被广泛应用于远距离光纤通信、光纤传感、激光测距等领域[1,2]。较PIN光电二极管而言，APD借助内部雪崩倍增效应，可将信号倍增几十倍，大大提高了探测灵敏度，但APD内部增益的温漂特性导致探测精度恶化，甚至造成整个系统的崩溃，因此,APD的增益稳定性成为评价APD性能的重要指标。

为保证APD的增益稳定性，一般对APD采取温度控制或者温度补偿的方法[3]。现有的解决APD增益稳定性的方式，通常是采用最佳偏置电压温度补偿的方法，即在APD达到最佳增益的前提下，对偏置电压与温度的数据进行实际测量并线性化处理，然后根据得到的线性关系提供APD随外界温度变化而调整的偏置电压，以达到增益稳定的目的。但这种温度补偿法存在两个问题，首先实测每个APD温度偏压关系过程比较麻烦，其次对温度偏压关系作线性化处理后，在某些温度范围可能线性度较差，从而造成APD在某些温度范围的增益不稳定。

针对APD温漂特性，本文提出采用模拟电路深度负反馈技术结合热敏电阻器、热电制冷器实现APD闭环温度控制的方案。

1闭环温度控制原理

1.1系统控制原理

该系统是由差分放大电路，模拟PID电路、TEC驱动电路以及温度传感器件和TEC制冷器封装的器件组成，如图1所示。

图1　系统整体设计框图Fig 1　Overall design block diagram of system

当外界环境温度变化引起APD温度变化时，与APD集成在一起的负温度系数热敏电阻器将温度信号转换为阻值的变化，然后与设定的温度电阻器阻值经差分放大电路进入模拟PID控制电路，经过PID电路处理后，传递到TEC驱动电路，驱动TEC制冷或加热，从而实现APD在恒定的温度下工作。

1.2系统控制模型

在APD温度控制的过程中，TEC制冷器和温度传感器均具有一定的热惯性，是典型的一阶惯性环节。由温度传感器、TEC制冷器以及一阶惯性环节附加的滞后环节的传递函数可以表示为

(1)

式中T为TEC制冷器的时间常数，τ为纯滞后时间常数，K为比例系数，s为复变量。式中参数分别由TEC制冷片和温度传感器的特性决定[4]，模拟PID控制器的数学模型为

(2)

式中Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。根据系统控制原理，整个系统建立数学模型如图2所示，其中,K1为差分放大倍数，PID(s)为PID控制器的传递函数，被控对象为TEC制冷器和温度传感器构成的一阶惯性环节，延迟量为τ。

图2　系统数学模型Fig 2　Mathematical model of system

为得到最佳参数，使系统达到最佳性能，利用Matlab中Simulink软件[5]来仿真闭环温度控制系统的各个环节，首先确定系统各部分的参数，本实验中T约为19 s，τ约为3 s，构建Simulink系统结构图。

系统Simulink图构建好之后，首先，令Kp=1，Ki=0，Kd=0，相当于没有PID调节器的校正前系统，仿真结果如图3(a)，可以看出，校正前该系统在阶跃输入下是稳定的，但存在明显的稳态误差，因此，可以使用稳定边界法整定PID参数，获得理想的系统性能。改变Kp值，直到出现等幅振荡曲线，如图3(b)所示，通过观察等幅振荡曲线得到临界增益值Kp和临界振荡周期值Tu，最后根据经验公式和对应的调节器类型整定响应的PID参数，并进行仿真校验。从而求得，Kp比例系数值为4.2，Ki积分系数值0.8，Kd微分系数值3.6，仿真得阶跃响应曲线如图3(c)所示。超调量较大，还应进一步修正，减小Ki值，可以有效地减少超调，再次仿真阶跃响应曲线如图3(d)所示，可得Kp比例系数值为4.2，Ki积分系数值0.4，Kd微分系数值1.8。

图3　系统参数整定曲线Fig 3　System parameter setting curve

从图3可以看出:调节后的系统阶跃响应曲线的超调量达到30 %左右，振荡次数较少，稳定时间很短，能够符合对温度控制的要求。

2闭环温度控制电路

温度控制电路是温度采集处理电路，模拟PID控制电路、TEC驱动电路构成的负反馈闭环控制回路，原理简图如图4。

图4　温度控制电路原理简图Fig 4　Principle diagram of temperature control circuit

2.1温度采集处理电路

温度控制电路由TEC驱动提供1.5 V的参考电压供给整个回路使用。通过电位器设定基准电压Vset，该基准电压经过跟随器U1后进入差分放大电路，与负温度系数(NTC)热敏电阻器监测的TEC温度信号进行差分放大，输出一个误差信号

(3)

式中1.5 V为参考电压，Rt为热敏电阻器阻值。差分放大电路的放大倍数可根据理论仿真数值进行设定，通过调节电位器改变基准电压可改变TEC的控制温度。

2.2模拟PID控制电路

模拟PID控制的硬件电路由U3，R1，R2，C1，C2组成，结构如图3中所示。由于电容器、电阻器存在于电路的输入和反馈回路，导致不易在在时域求函数关系。所以，通过求电路的传递函数，再利用拉式反变换求时域的函数关系。

设

(4)

(5)

由图3可知

(6)

对式(6)进行拉氏反变换，得

(7)

通过模型分析中的参数计算，可以得到

(8)

通过仿真得到的PID参数，进行计算，可得一组参考值R1=250 kΩ，R2=1 MΩ，C1=2.2 μf，C2=10 μf。

2.3TEC驱动电路

热电制冷器是一种基于帕尔贴(Peltier)效应的半导体器件，可以通过电流进行线性控制，通过电流方向的改变实现制冷或者加热，小体积的TEC制冷器可以高精度的控制各种分立器件的温度，如,光纤激光器、高精度参考电压或其他温度敏感型器件[6]。传统的TEC驱动电路多采用分立元件组成，结构复杂，易引入噪声，从而降系统低控温精度，而且容易出现控制死区，即控制的温度在设定温度左右摆动。为简化控温系统结构，实现稳定性好、可靠性高的控温效果，设计选用集成驱动电路MAX1968来设计驱动电路[7]。

MAX1968可以单电源工作，芯片内部配有高效的场效应管，经LC滤波后直接驱动TEC，两个超低漂流的斩波稳压器可以同时工作产生差动电压，控制TEC电流，实现了最大正负3 A双极性电流控制TEC制冷或加热。通过PID电路输出控制电压到MAX1968的CTLI引脚实现输出电流的线性调制。此方案可避免系统在调整点接近环境工作点时产生振荡。芯片外围无源器件的选取可以独立的设置加热制冷电流的大小和TEC工作电压，达到最优的可靠性。

3实验结果与讨论

为验证设计的闭环温度控制对APD保持增益稳定性的效果，将设计好的APD探测器放入可调恒温箱中。使用1 550 nm的稳定激光光源向系统输入连续光对设计的APD光电探测器进行系统性能测试，输入光功率经过可调光衰减器进行调节，系统输出信号连接到示波器。并通过对APD探测器中热敏电阻电压的测量，获取APD温度的变化。试验中需保证激光光源输出功率的稳定性，防止输出功率的改变对输出电压造成干扰。

试验时，将APD温度设定在25 ℃，调节温箱温度从10 ℃缓慢增加到30 ℃，调节可调光衰减器至输出光功率为-50 dBm，利用示波器对热敏电阻器电压和APD输出电压进行数据采集，并将热敏电阻器电压进行线性化处理，得到APD温度值的变化，实验结果如图5所示。

图5　温箱温度改变时APD温度和输出电压结果Fig 5　APD temperature and output voltage results when temperature of temperature box change

从图5中曲线可以看出:APD的工作温度基本稳定25 ℃左右，温度偏差在±0.1 ℃内，输出电压波动在±0.5 mV左右。设计很好地抑制外界温度变化对APD增益的影响。通过输出电压曲线可以得到信号的幅度约为4 mV，噪声幅度约为1 mV，可以计算探测器的电压响应度

(9)

噪声等效功率

(10)

4结束语

本文设计并实现了基于闭环温度控制的APD光电探

测电路，在APD闭环温度控制原理的基础上,建立了温度控制系统的数学模型，仿真了控制过程。经实际电路实验验证，该APD光电探测器具有增益稳定性好、灵敏度高等优点，可应用于微弱光信号的精确检测和放大、高精度温度传感以及恶劣环境等领域。

参考文献:

[1]Zou Lufan,Bao Xiaoyi,Wan Yidun,et al.Coherent probe-pump-based Brillouin sensor for centimeter-crack detection[J].Optics Letters,2005,30(4):370-372.

[2]寇松峰,陈钱,顾国华,等.基于4元APD阵列的激光测距技术研究[J].激光与红外,2008(6):537-540.

[3]万钧力,艾青,张雪皎.激光陀螺中雪崩光电管增益温度补偿[J].传感器与微系统,2007，26(7):18-20.

[4]张新义,张建军.半导体激光器恒温控制系统的建模分析及优化设计[J].微计算机信息,2008(1):268-270.

[5]付瑞玲,乐丽琴.基于MATLAB/Simulink的PID参数整定[J].工业控制计算机,2013(8):75-76.

[6]周帅,张彤,崔一平.一种TEC温度控制模块的电路设计与仿真[J].电子器件,2008(5):1591-1594.

[7]万小平,金雷,陈瓞延,等.基于MAX1968的半导体激光温控电路设计[J].微计算机信息,2006,35:65-67.

Design of closed-loop temperature controlled APD photoelectric detector*

LIU Feng-jiang,ZHANG Xiao-qing,JIA Yu-dong

(Beijing Key Laboratory for Opto-electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)

Abstract:Aiming at temperature drift characteristics of avalanche photodiode(APD)in weak optical signal detection system,a closed-loop temperature control method for APD is proposed.In this way,APD,thermistor and TEC are integrated in the same component,deep negative feedback techniques of analog circuit is used to realize closed-loop control of temperature and classical control theory is used to establish mathematical model to optimize PID circuit in ordor to ensure gain stability of APD detection circuit.Experiment show that temperature control precision of APD is within ± 0.1 ℃,and fluctuation of output voltage is about ±0.5 mV，which indicates the design restrains influence of temperature variation on APD gain very well.

Key words:avalanche photodiode(APD)；weak light signal detection；closed-loop temperature control；analog PID；driving circuit

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0097—03

收稿日期：2015—08—03

*基金项目：北京市青年拔尖人才培育计划资助项目(CIT&TCD201404122)；北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201411232005)

中图分类号:TN 312

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)05—0097—03

作者简介:

刘风江(1989-)，男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为光纤传感器技术。