APD阵列芯片偏置电压温度补偿系统设计与实现

周祥 周国清 张飙

摘  要： 为使APD阵列芯片在不同温度下保持较为恒定的增益，设计反向偏压自动温度补偿系统。采用STM32微处理器对热敏电阻分压采样和A/D转换后计算获得阵列芯片工作温度，根据工作温度求解出合适的反向偏压值，再通过调节数字电位器控制高压模块输出解算得到的反向偏压至APD阵列芯片。采用Matlab仿真方法获取匹配电阻的阻值避免了繁琐的数学推导。应用μC/OS嵌入式操作系统实现多任务程序设计，且任务间采用消息邮箱通信，提高了软件运行的稳定性和可靠性。测试结果表明，使用该温度补偿系统的5×5 APD阵列芯片的每个通道都能在不同温度下保持本通道输出信号幅度基本恒定，证明了系统的有效性和实用性。

关键词： APD阵列芯片; 偏置电压; 温度补偿; 数字电位器; 芯片工作温度; 任务程序设计

中图分类号： TN722?34; TP301.6                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）16?0083?05

多个APD（雪崩二极管）集成在一个芯片上形成APD阵列芯片，此类芯片用于脉冲式激光雷达再配合多路高精度计时可以对探测目标瞬间三维成像[1]。APD在反向高压偏置下，经光照射后产生雪崩倍增效应，使流过APD的电流是相同光照条件下零偏置电压时电流的M倍，M为倍增增益，其值可达数百，但M过大APD内信噪比降低，会淹没有用信号[2]。制造公差和温度变化都会引起倍增增益M剧烈变化，APD阵列芯片上的多个APD是在相同条件下制备出来的，故只考虑温度变化对M的影响。温度恒定时APD反向偏置电压UR与雪崩击穿电压UBR的比值k决定了M的大小，二者函数关系由式（1）给出[3?4]，温度变化时UBR随之变化，故应控制[UR]跟随温度进行改变，才能保证APD倍增增益M基本稳定。

[UR=k（UBR+α（T-T0））] （1）

现有的测量方法只是应用于单只APD，有的设计采用线性温度传感器，利用模拟电位器手动进行参数调整[3?4];有的设计直接应用APD偏压控制芯片对APD反向偏置电压进行控制，但是一片该芯片只能控制一只APD的偏压[5]，无法适用于APD阵列芯片;还有的则是设计APD恒温控制系统，使APD处于恒温环境中[6?8]，这类方法成本偏高;还有的采用温度补偿二极管、运放、AD、DA构成偏压补偿闭环[9]。本设计中使用NTC（负温度系数）热敏电阻作为温度传感器，它的灵敏度高，0805封装，可直接安装在APD阵列芯片上，但其阻值与温度呈非线性指数关系。设计中采用STM32微处理器、数字电位器和输出可调高压模块，设计实现了运行在μC/OS操作系统上，且用于APD阵列芯片的完全依靠程序控制的反向偏置电压自动温度补偿系统。

1  系统结构

图1为APD阵列芯片反向偏压自动温度补偿系统框图。APD阵列芯片使用德国First Sensor公司的5×5硅APD阵列芯片，型号为25AA0.16?9。系统以STM32作为核心处理器，通过采样APD阵列芯片上热敏电阻的分压并经AD_1转换后计算出热敏电阻值，再查表后得到APD阵列芯片工作温度;然后，求解出该温度下所需的反向偏压值，并计算出数字电位器应该输出的電阻值;最后，控制高压模块输出解算得到的反向偏压至APD阵列芯片。AD_2对高压模块实际输出电压进行A/D转换，起到安全监测作用。LCD使用字符液晶模块，用于显示热敏电阻上分压值VS，热敏电阻阻值RNTC，APD阵列芯片工作温度T，高压电源模块输出值UR，数字电位器的8 bit数字分度值Dn。图2为该系统的实物照片，高压模块输出通过9芯插头与APD阵列芯片所在激光雷达模块相连，APD阵列芯片上的热敏电阻经由图中三芯插座接入本设计系统，图中16芯单排座插接LCD模块。

2  硬件设计

2.1  A/D转换电路

APD阵列芯片上安装了一个热敏电阻， 只需检测该热敏电阻的值就可以获知APD芯片的工作温度。电压取样电路如图3所示，通过检测S处的电压VS间接获得热敏电阻的阻值，从而得到APD阵列芯片工作温度。APD阵列芯片上的热敏电阻接入P7插座（图2中的三芯插座），AD_TEMP连接STM32处理器的ADC端口，A/D转换后可获得S处电压VS。Rup和Rdown用作匹配，保证采样电压VS具有合适的动态范围。

设计要求系统工作温度为 0～65 ℃，负温度系数热敏电阻阻值RNTC变化范围为27.6 kΩ（0 ℃）～2.60 kΩ（65 ℃），为保证测量准确，采样电压VS的动态范围应与RNTC变化范围均匀匹配，这就需要合理选择Rup，Rdown的电阻值。根据图3计算可得：

[VS=3.28（RNTC+Rdown）（Rup+Rdown+RNTC）] （2）

[RNTC=（VS（Rup+Rdown）-3.28Rdown）（3.28-VS）] （3）

热敏电阻阻值与温度呈非线性关系，为了回避繁琐的数学推导，本设计采用Matlab仿真的方法获得Rup，Rdown的合适值。图4为不同 Rup，Rdown与VS?RNTC关系的Matlab仿真图。图4a）VS与RNTC均匀对应，图4b）当RNTC>10 kΩ后VS（3.05～3.15 V）动态范围迅速收窄，图4c）VS（3.04～3.2 V）在全区段动态范围都很窄，所以本设计Rup取5.6 kΩ，Rdown取1 kΩ。

2.2  反向偏压计算及调节原理

由第1节知，在保证信噪比条件下APD偏置电压UR调节得越接近雪崩击穿电压UBR，倍增增益M就大，电流放大倍数就高。图5为本设计使用的APD阵列芯片UBR与温度T的关系曲线，二者呈线性关系：

[UBR=1.39T+175] （4）

根据式（1），为了保持较高信噪比，k取0.8，调节偏置电压UR使其随温度同步变化就能使倍增增益M基本恒定。反向偏压UR计算步骤如下：

1） 将A/D转换获得的VS值代入式（3）可计算出RNTC的电阻值;

2） 查热敏电阻阻值与温度的对照表得到APD阵列芯片的工作温度T;

3） 结合图5与式（4）计算出该温度下的雪崩击穿电压UBR;

4） 使用式（1）计算出当前温度下所需要的反向偏置电压UR值。

APD反向偏置电压UR是由高压电源模块提供，本设计选用东文高压电源公司生产的输出可调高压模块，其输出电压范围为-300～0 V，调节电压范围为0～5 V，且输出高压UHV与调节电压UADJ呈线性关系：UHV=-60UADJ，因此只要调节UADJ就可改变UHV。UHV就是接入到APD阵列芯片的反向偏置电压UR，为使UHV能跟随APD阵列芯片工作温度而变化，本设计利用数字电位器上的分压作为高压模块的调节电压，这样STM32处理器就可以根据APD阵列芯片工作温度通过软件调节数字电位器来达到对UHV进行自动调节，实现反向偏置电压UR自动跟随温度而变化，从而保证APD阵列芯片倍增增益M始终处于合适范围。

2.3  反向偏压调节实现

本设计选用Microchip公司256分度10 kΩ数字电位器，型号为MCP410?10，配置其工作在可变电阻模式。图6中[CS]?1，SCK?1，SI?1连接STM32微处理器，二者以SPI方式通信，PB0与PW0之间的电阻为数字电位器输出电阻RWB;[R′up]一端连接MCP410的7脚（PB0）和高压电源模块的调节电压输入端Adj，另一端连接高压电源模块5 V参考电压输出端Vref;由式（1）、式（4）计算出高压电源模块输出电压区间为100～250 V;电阻[R′up]和[R′down]用作匹配。根据图6计算可得：

[RWB=R′down+R′upUHV-300R′down300-UHV] （5）

[Dn=1 000RWB-5225610 000] （6）

式中：[RWB] 单位为kΩ;[Dn]分别为数字电位器输出电阻值和对应的8 bit数字分度值;UHV为高压电源模块输出的电压值。为保证数字电位器10 kΩ调节范围与高压电源模块输出电压区间均匀对应需要合理选择[R′up]，[R′down]的电阻值。为避免数学推导，本设计采用Matlab仿真的方法获得[R′up]，[R′down]的合适值。图7为不同 [R′up]，[R′down]与UHV?RWB关系的Matlab仿真图。图7a）RWB与UHV均匀对应，图7b）当UHV>200 V后RWB已经超过10 kΩ有效范围，图7c）只使用了RWB<4 kΩ的范围。所以本设计[R′up]取2.2 kΩ，[R′down]取1 kΩ。

3  基于消息邮箱机制的μC/OS多任务软件设计

本设计的软件运行在μC/OS II嵌入式操作系统上。μC/OS II是一个完整、可移植、可固化、可裁剪的抢占式多任务内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任務间通信、同步等基本功能，并可方便地移植到各种8位、16位和32位微处理器上[10?11]。本设计建立A/D转换任务、计算任务、显示任务和开始任务，四个任务的优先级依次降低。开始任务的作用是在μC/OS II操作系统运行后建立其他三个任务，然后开始任务被挂起。A/D转换任务将图3中S点电压VS和图6中UR转换为数字量。计算任务用于计算数字电位器应当输出的电阻值，从而决定高压电源模块输出电压值UHV，即APD阵列芯片获得的反向偏压UR。该任务的计算步骤为：

1） 由式（3）计算热敏电阻值RNTC;

2） 查表得到APD阵列芯片工作温度T;

3） 依据式（4）计算雪崩击穿电压UBR;

4） 由式（1）计算反向偏压UR。

5） 由式（5）和式（6）计算数字电位器应当拨到的位置Dn，使其输出电阻RWB，这样高压电源模块就获得了相应的调节电压UADJ，其输出UHV即为APD阵列芯片得到的反向偏置电压UR。

LCD任务用于显示VS，RNTC，T，UHV，Dn。任务间采用消息邮箱进行通信，消息邮箱由μC/OS II操作系统自动管理，简化了任务间通信编程，同时还保证了通信的稳定性。图8为软件工作流程图。

4  测试与验证

热敏电阻的阻值与温度呈指数关系，通过第3.1节中Rup和Rdown的电阻匹配后VS与T呈现出近似线性的关系，测试结果如图9a）所示;经第3.2和第3.3节解算后由高压电源模块输出的偏置电压UHV与阵列芯片工作温度T符合式（1）的线性关系，测试结果如图9b）所示。

为了验证APD阵列温度补偿效果，将本设计的偏压调节系统装载到基金课题中研制的5×5 APD阵列激光雷达上。试验中激光雷达对同一目标照射，表1记录了其中一个APD通道一天中不同时段的回波信号参数，分别为信号幅度和上升时间。表1中第2，3列是无温度补偿的数据，第4，5列是有温度补偿的数据。表1最后两行计算了均值和标准差，可见有温度补偿时的标准差σ明显小于无温度补偿时的数据，试验数据证实了该APD阵列自动温度补偿系统能够使APD在不同温度下保持输出信号幅度基本恒定。

5  结  论

本文设计并实现了应用于APD阵列芯片的具有温度补偿功能的反向偏压自动调节系统。系统中的STM32处理器实现对阵列芯片上的热敏电阻分压采样、A/D转换;完成了热敏电阻值、反向偏压值、数字电位器分度值的计算;控制高压电源模块输出反向偏压至APD阵列芯片。本文还运用Matlab仿真方法求取电路中匹配电阻的合理阻值，更易于工程实现。软件上采用基于优先级调度的μC/OS嵌入式操作系统方便地实现了多任务程序设计，任务间通信采用消息邮箱机制，提高了系统运行稳定性和可靠性。经测试实验，本设计的APD阵列各个通道都可在不同温度下保持稳定的增益。

注：本文通讯作者为周国清。

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