雪崩光电二极管偏压自动温度补偿电路设计

段存高, 姜 毅, 陆长平, 康美玲

(1.上海无线电设备研究所,上海201109;2.上海航天技术研究院,上海201109)

0 引言

激光引信具有对目标探测精度高、抗电磁干扰能力强等优点,广泛应用于各类战术导弹[1]。在脉冲激光引信中,随着探测距离的增大,PIN型光电二极管已不能满足远距离的探测需求。选用雪崩光电二极管(以下简称APD)作为激光引信接收机的光电探测器,可提高探测灵敏度。APD具有较高灵敏度和内部增益,可大大提高探测系统的灵敏度和信噪比。但APD的击穿电压和电流增益会随温度变化而变化,为了保持电流增益恒定,必须对APD的工作偏压进行温度补偿。现有的补偿方案中,大多需要A/D和D/A变换、微处理器控制,电路设计较复杂,实现成本较高[2-3]。本文提出了一种APD偏压温度补偿电路,借助温度传感器和运算放大器,实现APD偏压的精确实时补偿,无需复杂的控制电路,简化了设计,降低了成本。

1 APD偏压温度补偿原理和方法

APD的电流增益用倍增因子M表示,通常定义为倍增的光电流IM与无倍增作用时的光电流I0之比。倍增因子与PN结所加的反向偏压UB、PN结的材料有关,经验公式为[4]

式中：UBR为击穿电压,由APD的物理结构决定;UB为外加偏压;n取决于半导体材料、掺杂分布及辐射波长。

由式(1)可知,当外加偏压远低于击穿电压时,光电流变化很小,M很小,外加偏压慢慢增大至接近击穿电压时,光电流迅速变大,M变化也很大。

以GD6212Y型APD探测器为例,其倍增因子与偏压的关系曲线如图1所示。

在偏压较小的A点左侧能产生光电激发,但无雪崩倍增效应。从A点到B点,反向偏压将引起雪崩效应,使光电流有较大增益,超过B点以后,容易发生雪崩击穿,同时暗电流也越来越大。因此最佳工作电压不宜超过UBR,否则将进入不稳定且易击穿的工作区。在实际的应用中,加在APD上的反偏电压不是越接近击穿电压越好,而是有一个最优的电压范围使接收机表现出很好的灵敏度特性,过高的偏压会使APD的信噪比降低。在工程应用中,一般取UB=0.9 UBR,该条件下APD具有较高的电流增益,同时保持良好的信噪比。

图1 APD倍增因子与偏压的关系曲线

击穿电压UBR受温度影响,所选用的APD探测器温度系数为2.8 V/℃,击穿电压UBR与温度的关系如图2所示。

图2 APD温度特性

假设在温度T0时,APD的击穿电压为UBR0,可得APD的工作偏压计算公式为

式中：T为环境温度。T与T0的单位均为℃。

2 APD偏压温度补偿电路设计

APD偏压温度补偿电路由温度传感器和运算放大器实现,如图3所示。

温度传感器输出的温度信号经过运算放大电路的变换后,作为控制电压输入至高压电源模块。高压电源模块输出的APD工作偏压改变,从而达到补偿APD工作偏压的目的。

图3 系统组成框图

2.1 温度传感器电路

选用AD590作为温度传感器。AD590是一款具有线性电流输出的温度传感器件,具有线性度好、测量误差小等优点,工作温度范围可覆盖-55℃～+150℃。AD590在绝对零度时输出电流为0,温度每升高1℃,输出电流增加1μA,即输出电流与温度的关系为

式中：T为环境温度,单位为℃。温度传感器的外围电路如图4所示。

图4 温度传感器电路

AD590输出的电流信号经过下拉电阻R1转换为电压信号,然后经电压跟随器输出为温度信号Ut,电压跟随器的作用是为前端的温度采样电路提供高输入阻抗,同时具有低输出阻抗。取下拉电阻值为10 kΩ,对应的温度信号电压输出为

可见,温度每升高1℃,温度信号幅度增大0.01 V。

2.2 高压电源模块

选用MDCD28500型模块作为提供APD偏压的高压电源,其输出电压范围为(0～500)V,工作温度范围为-55℃～+85℃,具有集成度高、使用方便、输入输出电压线性度好等优点。采用高压电源输出电压作为APD的工作偏压UB,高压电源的输出电压与输入的高压控制信号Uc满足以下关系

2.3 运算放大器电路

选用AD8422作为运算放大器。AD8422是一款精密、低功耗、低噪声运算放大器,具有低失真、增益误差小等优点,在整个工作范围内增益误差不大于0.04%。运算放大器的电路如图5所示。

图5 运算放大器电路

温度信号Ut经过运算输出高压控制信号Uc,其输入输出关系满足

其中：

式中：UN为放大器负输入端信号;Uref为参考电平;G为放大电路增益;Rg为增益电阻,单位为kΩ。

APD的工作温度范围为-40℃～+60℃,根据厂家提供的击穿电压数据,T0=-40℃时,APD的击穿电压为UBR0=243.6 V。式(2)中APD的工作偏压与环境温度的关系为

式中：T为环境温度,单位为℃。

由式(5)与式(8)可得

由式(4)与式(9)可得

根据式(10)与式(6),取G=2.52,UN=2.73 V,Uref=3.2 V,代入式(7),可得

APD偏压自动温度补偿电路的完整电路如图6所示。

图6 APD偏压自动温度补偿电路

由于本电路所有电源均采用稳压源,故采用电阻分压的形式提供UN和Uref。

3 试验结果

为了验证APD偏压自动温度补偿电路的工作性能,对补偿电路的工作情况进行了试验,在不同温度点下测试偏置电压的输出值,温度范围为-40℃～+60℃。经过试验,温度补偿后偏置电压与环境温度的对应关系如图7所示。

图中实线是APD在各温度点下所需要的理论偏压值,虚线为经过温度补偿后各温度点下高压电源模块输出的实测偏压值。由试验结果可见,实测值基本与理论值吻合,输出偏压值偏差上下不超过1%,温度补偿电路工作良好。

4 结论

APD探测器的工作特性导致其击穿电压随环境温度的变化而变化,若不进行工作偏压的温度补偿,将严重影响APD的电流增益,甚至工作偏压过高导致APD击穿。本文提出了一种基于温度传感器和运算放大器的APD偏压自动温度补偿电路设计方法。试验表明,该电路可在-40℃～+60℃范围内对APD的偏压进行精确地补偿。该电路具有电路简单、低功耗、实时性好、成本低等优点,可满足激光引信中小型化、低成本和实时性的设计需求。