2022年低纹波低功耗自动控制APD偏压电路 .pdf

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1、低纹波低功耗自动控制APD偏压电路张志强1,王 萍1,邹 宇1,王艳永2(1.天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;2.北京博飞仪器股份有限公司,北京101149)摘 要:全站仪红外测距系统接收电路采用APD雪崩光电二极管作为接收器件,它的精度对后级的信号处理及测量精度起着决定性的影响,针对其高精度要求,提出两种APD偏压电路。前者采用交流反馈网络消除冲击电压,提高了开关管寿命,采用三级滤波网络极大的降低了电路纹波从而提高了测量精度;后者采用专用芯片控制电路电源,使储能电感处于非连续工作状态,大大降低了电路的功耗,同时采用4个变容二极管既升高了电压,又减小了纹波。两种电路均具有可自动

2、控制,且能对APD的内部增益进行全范围补偿的优点。实践证明,电路工作性能理想,提高了测距精度。关键词:红外测距;APD;偏置电压;温度补偿中图分类号:TN36412;P204文献标识码:B文章编号:1006-7949(2007)01-0062-04APD bias voltage circuitof low ripple andlow power automatic controllZHAN G Zhi2qiang1,WAN G Ping1,ZOU Yu1,WAN G Yan2yong2(1.School of ElectricalEngineering and Automation,Tian

3、jinUniversity,Tianjin300072,China;2.Beijing BoFeiInstrumentCo.,Ltd.,Beijing 101149,China)Abstract:The APD is used in the receive circuit of total station infrared distance measuresystem.Its accuracyhave crucial influence on signal processand measureaccuracy.In consideration of its high accuracyrequi

4、rement,this paper presents two APD bias voltage circuits.the former adopts intercourse feedback network to slake theimpact voltage,andthe MOSFET slongevity is prolonged.It also adoptsthird classfilter to depressthe voltageripple.The latter circuit introduces a specialchip to control the power,the in

5、ductance works in discrete mode,it reducespower consumption,and the four variodesis usedto impove the voltage and depressthe ripple.Thesetwo circuits have the advantagesof automatic control and the inner gain of APD can also be compensatedfor allrange.The circuits are proved to perform well in pract

6、ice and the measureaccuracy is improved.Key words:infrared distance measure;APD;bias voltage;temperature compensation收稿日期:2006-10-09作者简介:张志强(1979),男,硕士研究生.雪崩光电二极管APD(Avalanche Photodiode)是一种 新 型 高 灵 敏 光 电 探 测 与 传 感 器 件。由 于APD 的量子效率高,具有内部增益,可将信号倍增上百倍,而倍增后的噪声仅与放大器自身噪声水平相当,突破了宽带放大器制作水平的限制,大大提高了探测系统的信噪比

7、,因而广泛应用于微弱信号检测、光纤通信、光电测距、星球定向和军事测控等领域。全站仪,又称电子速测仪或全站型电子速测仪,是红外光电测距仪与电子经纬仪及数据终端机(数据记录兼数据处理)结合的仪器。全站仪的红外测距部分采用APD 作光电接收器件,大大降低了检测噪声,提高了测距精度。APD 作为信号接收器件虽然具有高信噪比的优点,但却需要高的偏置电压和增益随温度变化两大特点。为此本文提出了两种低纹波高电压精确可控式 APD 偏压电路。该电路具有结构简单,低功耗、超低纹波,偏置电压精确、灵活、可自动控制等优点。电路配合单片机等微控制器能够对输出电压自动调节。控制系统框图见图1。APD 接收到的信号经检测

8、、放大、混频、滤波等处理后送入微控制器的A D,微控制器通过检第16卷第1期 测 绘 工 程 Vol.16.12007年2月 ENGIN EERIN G OF SURV EYIN G AND MAPPIN GFeb.,2007?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -测到的输入值,输出控制信号,从而使APD 偏压保持恒定,对 APD 内部增益进行全范围补偿。极大地提高了接收信号的信噪比和测量

9、精度。图1APD偏压自动控制回路1APD最佳雪崩增益分析在光电信号转换中,最关键的性能指标表现为系统的信噪比,而信噪比又最终决定测量精度。APD 放大电路输出功率信噪比SNR=I2LM22q(IL+Idg)BM2F+2qIds+4KTBRL.(1)式中:M为 APD 的雪崩增益,IL为M=1 时的光电流,和输入光信号功率成正比,Idg为参与倍增的暗电流,Ids为不参与倍增的暗电流,B为带宽,F为过剩噪声系数,K为波尔兹曼常数,T为绝对温度,RL为负载,q为输入光信号功率。APD 选择适当的偏压可以使 SNR取得最大,此时 APD 对应的增益为最佳雪崩增益,加在其上的偏压为最佳偏压。本文所用 A

10、PD 最佳偏压在155 V 左右,略低于反向击穿电压。系统中 APD 倍增因子很高,故可以忽略,由此可得到最佳雪崩增益Mopt=4KTq(IL+Idg)?x?RL12+x.(2)其中:x为 APD 的过剩噪音指数,其大小取决于APD 的结构和制作材料的不同。由上式可见,APD的最佳雪崩增益与温度、输入信号光功率、器件自身的暗电流及负载大小等有关。其中温度的影响最为突出,温度的变化是影响最佳雪崩增益的关键因素。当温度变化时,欲使 APD 保持在某一恒定增益下,必须对 APD 的偏压进行调整以补偿温度所造成的影响。2高性能APD偏压电路211 低纹波自动控制偏压电路APD 作为接收敏感元件,它的工

11、作性能直接决定着整个系统的精度。为保证接收信号的纯净,应尽量减小APD 偏压的纹波;而且要随时调整偏压值,对 APD 进行温度补偿。本文提出了两种通过对接收信号进行处理,单片机进行AD 采样,实时控制APD 偏压,形成闭环自动控制系统电路结构,并采用直流反馈、交流反馈和滤波网络,保证直流偏压,减小电压纹波。电路结构如图2 所示。图2低纹波自动控制偏压电路电路中由处理器PWM0 产生的PWM 方波,经频、压转换后,作为输入控制电压Vcontrol,通过运放L F351输出直接作为后级升压电源;L1、Q1 组成高压脉冲发生器,通过 D1 给电容 C5 充电,产生高压Vout。大容量钽电容C4 去除

12、电源电压毛刺,R2、C2、C3组成滤波反馈网络,减小纹波,Q1 场效应管采用 耐 压 值 为 400 V 的 增 强 型 N2MOSFET;由PWM1 取代了原有的振荡电路,控制 Q1 导通,简化了电路结构,降低了功耗。PWM1 的频率取值范围可在 10100 kHz之间,应尽量取小一点,以降低 didt,du dt高频电压毛刺,降低速率,减小高频噪声及串扰。R3、R4 设置输入输出比例。输出电压Vout=1+R3R4?Vcontrol-R3R4?V EE.(3)?36?第1期 张志强,等:低纹波低功耗自动控制APD偏压电路?1994-2009 China Academic Journal E

13、lectronic Publishing House.All rights reserved.http:/名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -电路中 V EE为负电压(-12 V),Vcontrol为 PWM0 经频压转换后的直流参考电压,电压Vout可从 110 V调到 400 V。本电路采用R2、C2、C3 构成交流反馈网络能够有效地消除开关管Q1 导通瞬间的冲击电压,电路中开关管 Q1 漏极电压波形采样如图3、图 4 所示。图3传统电路MOSFET源极波形图4加交流反馈网络后MOSFET源极波形由图 3、图 4 可见,加入交流反馈网络前在开关管 Q1

14、导通瞬间,由于快速恢复二极管不能及时关断,而产生瞬时的反向冲击,并出现小的尖峰电压;加入交流反馈网络后,能消除冲击电压,很好的保护开关管 Q1,延长场效应管的寿命。此外,本电路还增加了由C5、R5、C6、R6、C7、R7构成的三级滤波网络,能有效地滤除纹波,图 5、图 6 为三级滤波网络前后电压纹波波形。电路输出电压为 131 V,运放输出级接一个10 uF 的电解电容。由图 5、图 6 可看出,在滤波电路之前,由于运放之后并了一个10 uF 的电解电容而将纹波降低至200 mV,经过三级滤波网络后,输出仅具有10 mV左右的纹波,已完全满足APD 偏压对典型噪声的要求,可大大提高接收信号的检

15、测精度。图5 经过二极管D1后电压纹波图6经过三级滤波后电压纹波212 低功耗低纹波可控式偏压电路在上一个电路中,由于电感处于连续工作模式,运放又处于深度工作状态下,所以功耗较大。基于此,本文又提出了低功耗电路。在正常工作情况下,APD 反向偏压应略低于雪崩击穿电压,对于全站仪上的 APD 工作电压约低于击穿电压5 V 左右,此时APD 暗电流不大,工作电流也很小,APD 是较轻的负载,功耗集中在偏压电路本身,图 7 为低功耗自动控制偏压电路。图7低功耗自动控制偏压电路本电路采用控制电压转换芯片MAX8868 的端通断来给后级提供合适的电源,同时也用SHDN取代了上一个电路中开关管Q1。此时电

16、感L1 处在非连续工作模式,本质上消除了二极管反向恢复带?46?测 绘 工 程 第16卷?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -来的 di dt噪声。4 个变容二极管D1D4 逐级充电升压,同时逐级减小纹波,使得电压值达到要求,C3、R3、C4构成 网络,进一步减小纹波,输出电压受参考电压Vcontrol控制,电路输出电压Vout=R4+R5R5Vcontrol.(4)本电路由于控制电源的

17、通断,故降低了功耗;由于电感处于非连续工作模式,产生了较大的电压纹波。但经过电容C2、4 个变容二极管及滤波网络后纹波亦可降到50 mV,可用于 APD 偏压电路。3结 论经实验证明,两电路均可用于全站仪红外测距系统接收电路APD 偏压,且效果很好。前者电感处于连续工作模式,且运放处于较重负载工作状态,功耗较大,但产生的纹波较小,适于要求精度更高的电路。后者电感处于非连续工作模式,纹波较大,但功耗较低,适于小功率测距系统,如手持测距仪等。参考文献1 杨德麟.红外测距仪原理与检测 M.北京:测绘出版社,1999.2 邹建,扶新.雪崩光电二极管温漂特性的实验研究J.压电与声光,1999,21(2)

18、:158-160.3 曾毓敏.低耗低纹波可控式APD偏置电路J.半导体光电,2002,23(1):69-71.4 张荣山,陈三宝,李海俊,等.APD最佳偏压温度补偿的实现方法J.电子产品世界,2003(4):28-30.5 钟跃明.基于光时域反射技术的偏振模色散测试J.国外电子测量技术,2005(1):32-34.6张光斌,林世鸣,渠波,等.激光雷达中雪崩光电二极管的智能应用J.光电子?激光,2000,11(5):465-468.7 容太平,苗林.采用MAX6605实现APD最佳偏压温度补偿J.华中科技大学学报:自然科学版,2004,32(5):16-18.8NALBANTM,徐继红.低噪声A

19、PD偏置电路J.国外电子元器件,2002(9):74-75.责任编辑:刘文霞(上接第 61 页)的统计分析类相关功能函数要强于MA TLAB,如时间序列分析,但也有其自身的缺点,如数据操作的灵活性,所提供的工具箱函数等均不及MA TLAB,因此,实际应用时可结合两种软件所长综合利用,以解决变形监测中所遇到的问题(详细比较结果见表2)。4结束语综上,时间序列分析具有预测复杂系统发展趋势的能力,可将其引入变形监测动态预报研究,用残差自回归模型或求和自回归移动平均模型描述系统变形趋势,利用 MA TLAB 进行监测数据的预处理,如剔除粗差,再利用 SAS ETS 模块简单快捷实现监测数据的时间序列建

20、模,达到变形监测的目的。参考文献1 崔国宏,徐礼华.土木工程建筑物变形分析与预报技术研究J.地理空间信息,2004(3):10-12.2徐进军,王忆,张民伟.连续监测数据的时频分析及程序设计J.工程勘察,2006(1):55-60.3 李强,李端有.滑坡位移监测动态预报时间序列分析技术研究J.长江科学院院报,2005,22(6):16-29.4 冯小磊,华锡生,黄红女.观测值序列的粗差探测方法J.水电自动化与大坝监测,2006,30(3):56-59.5 王国锋,王子良,王太勇,等.Matlab在时间序列分析中的应用J.应用科技,2003,30(5):36-38.6 王燕.应用时间序列分析 M

21、.北京:中国人民大学出版社,2005.7 黄燕,吴平.SAS统计分析及应用 M.北京:机械工业出版社,2006.8 陈伟清.灰色预测在建筑物沉降变形分析中的应用J.测绘科学,2005,30(5):43-45.9王利,张双成,李亚红.动态灰色预测模型在大坝变形监测及预报中的应用研究J.西安科技大学学报,2005,25(3):328-332.责任编辑:张德福?56?第1期 张志强,等:低纹波低功耗自动控制APD偏压电路?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -