基于ADL5317和LM35的APD偏压温度补偿电路设计

　　在基于喇曼散射的分布式光纤测温系统中，根据短脉冲激光在传感光纤中各点产生的喇曼后向散射的反斯托克斯光与斯托克斯光的比值，实现待测温度场的空间测量。在常温下，光纤中的后向喇曼散射光的强度仅为入射光强度的 10-9，后向散射光信号非常微弱，因此光电探测器需要采用高灵敏度、高雪崩增益、快速响应、低噪声的硅或铟镓砷 APD。铟镓砷 APD适用于近红外波段，而在通信光纤中，喇曼后向散射光的波长处于近红外波段因此一般选用铟镓砷 APD作为分布式光纤测温系统的光电探测器件，本研究选用 HAMAMATSU 公司的铟镓砷 APD G8931-20 为目标 APD。

　　APD 作为信号接收器件虽然具有高信噪比的优点，但却需要较高的偏置电压，而且其增益随温度变化，因而应用时应对其做偏压温度补偿，以保证APD 增益恒定。对于现有的温度补偿方法，大部分需要对温度测量后使用微处理器控制，还有一些电路设计比较复杂［2］，为此，本文设计了一种基于 LM35 高灵敏度模拟温度传感器和 ADL5317 的低纹波、电压精确可控式 APD 偏压温度补偿电路。

　　1、APD 增益与温度关系

　　在温度恒定的情况下，偏置电压（UR）与反向击穿电压（UBR）的比值（k）决定 APD 的增益大小，k 越大增益越大。 但是，APD 的反向 UBR 对温度变化比较敏感，随温度的升高，UBR 增大； 若 UR 不变，UBR 随温度会产生波动，导致 APD 的增益出现变化。 APD 增益的改变使得光信号的测量出现误差。

　　由以上分析可知， 当温度变化引起 APD 的反向UBR 产生变化时， 需要调整 APD 反向 UR （使得比值 k保持不变） 来维持 APD 增益的稳定。 假定温度为 T0时 ，APD 的 反 向 击 穿 电 压 为 UBR0 （ 可 以 从 APD 的datasheet 中得到数据），设定其偏执电压为 UB0，可得到APD 的偏压修正公式：

　　

　　式（1）为 APD 偏压温度补偿电路的基础公式，其中 α 为 APD 的温度系数，k 通常取值 0.9，以实现 APD的最佳倍增增益。

　　2、APD 偏压温度补偿电路设计

　　2.1、ADL5317 驱动电路设计

　　ADL5317 驱动电路如图 1 所示。 芯片 1~16 引脚依次为集电极开路逻辑输出端（FALT）、APD 偏压输入控 制 端（VSET）、低 电 压 供 电 端（VPLV）、高 电 压 供 电 端（VPHV）、工作模式控制端（VCLH）、APD 反向偏压供电端（VAPD）、VAPD 跟 踪 及 噪 声 过 滤 端（GARD）、APD 电流镜像输出端（IPDM），以及模拟地（COMM）。 ADL5317的 VAPD 端提供 APD 工作的反向偏置电压，IPDM 端能够同时以 1:5 的比例提供 APD 的镜像电流，由于设计中仅需要提供 APD 偏压， 故舍弃了其电流镜像电路，简化了电路设计。

　　

　　2.2、ADL5317 线性工作模式下的电压输出

　　ADL5317 有两种工作模式，即电源跟踪工作模式和线性工作模式［2］。 图 1 的设计为线性工作模式。 在线性工作模式下，VSET 端的变化范围在 0.2~2.5V，通常将 VPHV 端 和 VCLH 端 短 接 ， 短 接 后 能 够 增 强ADL5317 电压输出端的电压变化，电压变化范围最高可达 75V。 表 1 给出了 VAPD 端的输出电压范围与提供的 VPHV 端高压的关系。

　　

　　根据 APDG8931-20 的反向击穿电压的范围 40~60V，我们设计 VPHV 端接入 65V 的高压，则 VAPD 端的输出电压范围为 30~63.5V， 满足 APD 雪崩偏压的要求。

　　2.3、ADL5317 高压输入电路设计

　　根据 VPHV 端输入 65V 的高压的要求，我们选取了 MAXIM 公司的 MAX5026 芯片。 MAX5026 是一个脉冲宽度调制的低噪声、 高输出电压升压转换芯片，具有 500kHz 开关频率， 内部使用具有 40V 的极限耐压的横向 DMOS 开关器件，脉宽可调，能够提供一个低噪声直流电压源， 满足 ADL5317 高压电源设计要求。 MAX5026 构成的高压电源电路设计如图 2 所示。

　　

　　在图 2 所示的电路中，C23、D22、D23 和 C24 构成倍压网络，使得输出能够达到 71V。 当由 MAX5026 组成的升压电路的 FB 端的电压为 2.5V 时，则输出 71V的高电压。 通过调节反馈电阻 R23， 控制 FB 端的电压，使得输出端电压为 65V，满足 ADL5317 高压供电端要求。经实际测试最高输出可达 71V，调整后确定输出 65V 接入电路。 经实际测试，电源纹波小于 20mV。

　　2.4、温度补偿控制电路设计

　　在ADL5317 的线性工作模式下，VSET 端上的输入电压的范围为 0.2～2.5V，VAPD 端的输出电压随 VSET端输入电压的变化而发生改变，其电压变换关系为

　　

　　由式（2）可知，只需要控制 VSET 端的输入电压，能精确控制 VAPD 端的输出电压，即 APD 偏置电压。温度传感器采用 TI 公司的高精度模拟温度传感器 LM35，其 电 源 电 压 在 4~20V 内 都 能 正 常 工 作，在-55℃~+150℃的范围内非线性误差仅为 0.25℃， 符合系统要求。 LM35 的温度电压传输函数为：

　　

　　由式（3）可知，输出斜率为 10mV/℃。 传感器的工作电路如图 3 所示。

　　

　　电压控制变换电路采用 LM358 运算放大器，包括电压跟随电路和同相求和电路。 如图 4 所示，电源电压 VCC 经 过 R31、R32 和 R35 分压后，通过电压跟随器 U3A 得到一 个 稳 定 的 参 考 电 压 值 设 为VREF，这个参考电压值与 LM35 的输出电压 VT 求和，并通过同相加法 器 U3B 输 出 给 ADL5317 的VSET 端。电路的输出与各输入节点电压的关系为：

　　

　　式（6）中，RP 为 R37、R38 和 R39 并联的阻值，RN 为R36 和 R310 并联的阻值。 通过调节 R310 可以改变加法器的增益 A，调节 R35 可以改变参考电压 VREF 的大小。 电路中的所有电阻均采用 0.1%的高精度电阻，对于不同的 APD，只需通过调节 R310 和R35，即能满足其温度补偿的要求。

　　

　

　　3.2 测试结果

　　根据式 （7） 可得到 APDG8931-20 的理想偏压 UR

　　

　　与温度 T 的关系，为了对电路的补偿效果进行测试，将温度传感器置于恒温箱中，测试不同温度下的ADL5317 的 VAPD 端电压输出，其结果如表 2 所示。从表 2 可以得出，实际电路的输出电压值与理想偏压UR 的线性相关系数为0.999419， 最大误差为0.129V，相对误差小于 0.24%，由此可见实际电压输出与理想偏压具有较好的一致性。 若不采取温度补偿，选取某一温度下的理论值作为 APD 偏压值，将会造成最大达到 7.92V 的偏压误差，大大降低了 APD 的探测灵敏度，对整个分布式光纤测温系统造成巨大误差。