段存高, 姜 毅, 陸長(zhǎng)平, 康美玲

(1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海201109;2.上海航天技術(shù)研究院,上海201109)

0 引言

激光引信具有對(duì)目標(biāo)探測(cè)精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈[1]。在脈沖激光引信中,隨著探測(cè)距離的增大,PIN型光電二極管已不能滿足遠(yuǎn)距離的探測(cè)需求。選用雪崩光電二極管(以下簡(jiǎn)稱APD)作為激光引信接收機(jī)的光電探測(cè)器,可提高探測(cè)靈敏度。APD具有較高靈敏度和內(nèi)部增益,可大大提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和信噪比。但APD的擊穿電壓和電流增益會(huì)隨溫度變化而變化,為了保持電流增益恒定,必須對(duì)APD的工作偏壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。現(xiàn)有的補(bǔ)償方案中,大多需要A/D和D/A變換、微處理器控制,電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)成本較高[2-3]。本文提出了一種APD偏壓溫度補(bǔ)償電路,借助溫度傳感器和運(yùn)算放大器,實(shí)現(xiàn)APD偏壓的精確實(shí)時(shí)補(bǔ)償,無(wú)需復(fù)雜的控制電路,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),降低了成本。

1 APD偏壓溫度補(bǔ)償原理和方法

APD的電流增益用倍增因子M表示,通常定義為倍增的光電流IM與無(wú)倍增作用時(shí)的光電流I0之比。倍增因子與PN結(jié)所加的反向偏壓UB、PN結(jié)的材料有關(guān),經(jīng)驗(yàn)公式為[4]

式中：UBR為擊穿電壓,由APD的物理結(jié)構(gòu)決定;UB為外加偏壓;n取決于半導(dǎo)體材料、摻雜分布及輻射波長(zhǎng)。

由式(1)可知,當(dāng)外加偏壓遠(yuǎn)低于擊穿電壓時(shí),光電流變化很小,M很小,外加偏壓慢慢增大至接近擊穿電壓時(shí),光電流迅速變大,M變化也很大。

以GD6212Y型APD探測(cè)器為例,其倍增因子與偏壓的關(guān)系曲線如圖1所示。

在偏壓較小的A點(diǎn)左側(cè)能產(chǎn)生光電激發(fā),但無(wú)雪崩倍增效應(yīng)。從A點(diǎn)到B點(diǎn),反向偏壓將引起雪崩效應(yīng),使光電流有較大增益,超過(guò)B點(diǎn)以后,容易發(fā)生雪崩擊穿,同時(shí)暗電流也越來(lái)越大。因此最佳工作電壓不宜超過(guò)UBR,否則將進(jìn)入不穩(wěn)定且易擊穿的工作區(qū)。在實(shí)際的應(yīng)用中,加在APD上的反偏電壓不是越接近擊穿電壓越好,而是有一個(gè)最優(yōu)的電壓范圍使接收機(jī)表現(xiàn)出很好的靈敏度特性,過(guò)高的偏壓會(huì)使APD的信噪比降低。在工程應(yīng)用中,一般取UB=0.9 UBR,該條件下APD具有較高的電流增益,同時(shí)保持良好的信噪比。

圖1 APD倍增因子與偏壓的關(guān)系曲線

擊穿電壓UBR受溫度影響,所選用的APD探測(cè)器溫度系數(shù)為2.8 V/℃,擊穿電壓UBR與溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 APD溫度特性

假設(shè)在溫度T0時(shí),APD的擊穿電壓為UBR0,可得APD的工作偏壓計(jì)算公式為

式中：T為環(huán)境溫度。T與T0的單位均為℃。

2 APD偏壓溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

APD偏壓溫度補(bǔ)償電路由溫度傳感器和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn),如圖3所示。

溫度傳感器輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路的變換后,作為控制電壓輸入至高壓電源模塊。高壓電源模塊輸出的APD工作偏壓改變,從而達(dá)到補(bǔ)償APD工作偏壓的目的。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

2.1 溫度傳感器電路

選用AD590作為溫度傳感器。AD590是一款具有線性電流輸出的溫度傳感器件,具有線性度好、測(cè)量誤差小等優(yōu)點(diǎn),工作溫度范圍可覆蓋-55℃～+150℃。AD590在絕對(duì)零度時(shí)輸出電流為0,溫度每升高1℃,輸出電流增加1μA,即輸出電流與溫度的關(guān)系為

式中：T為環(huán)境溫度,單位為℃。溫度傳感器的外圍電路如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路

AD590輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)下拉電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后經(jīng)電壓跟隨器輸出為溫度信號(hào)Ut,電壓跟隨器的作用是為前端的溫度采樣電路提供高輸入阻抗,同時(shí)具有低輸出阻抗。取下拉電阻值為10 kΩ,對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)電壓輸出為

可見(jiàn),溫度每升高1℃,溫度信號(hào)幅度增大0.01 V。

2.2 高壓電源模塊

選用MDCD28500型模塊作為提供APD偏壓的高壓電源,其輸出電壓范圍為(0～500)V,工作溫度范圍為-55℃～+85℃,具有集成度高、使用方便、輸入輸出電壓線性度好等優(yōu)點(diǎn)。采用高壓電源輸出電壓作為APD的工作偏壓UB,高壓電源的輸出電壓與輸入的高壓控制信號(hào)Uc滿足以下關(guān)系

2.3 運(yùn)算放大器電路

選用AD8422作為運(yùn)算放大器。AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲運(yùn)算放大器,具有低失真、增益誤差小等優(yōu)點(diǎn),在整個(gè)工作范圍內(nèi)增益誤差不大于0.04%。運(yùn)算放大器的電路如圖5所示。

圖5 運(yùn)算放大器電路

溫度信號(hào)Ut經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出高壓控制信號(hào)Uc,其輸入輸出關(guān)系滿足

其中：

式中：UN為放大器負(fù)輸入端信號(hào);Uref為參考電平;G為放大電路增益;Rg為增益電阻,單位為kΩ。

APD的工作溫度范圍為-40℃～+60℃,根據(jù)廠家提供的擊穿電壓數(shù)據(jù),T0=-40℃時(shí),APD的擊穿電壓為UBR0=243.6 V。式(2)中APD的工作偏壓與環(huán)境溫度的關(guān)系為

式中：T為環(huán)境溫度,單位為℃。

由式(5)與式(8)可得

由式(4)與式(9)可得

根據(jù)式(10)與式(6),取G=2.52,UN=2.73 V,Uref=3.2 V,代入式(7),可得

APD偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路的完整電路如圖6所示。

圖6 APD偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路

由于本電路所有電源均采用穩(wěn)壓源,故采用電阻分壓的形式提供UN和Uref。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證APD偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路的工作性能,對(duì)補(bǔ)償電路的工作情況進(jìn)行了試驗(yàn),在不同溫度點(diǎn)下測(cè)試偏置電壓的輸出值,溫度范圍為-40℃～+60℃。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),溫度補(bǔ)償后偏置電壓與環(huán)境溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖中實(shí)線是APD在各溫度點(diǎn)下所需要的理論偏壓值,虛線為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后各溫度點(diǎn)下高壓電源模塊輸出的實(shí)測(cè)偏壓值。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),實(shí)測(cè)值基本與理論值吻合,輸出偏壓值偏差上下不超過(guò)1%,溫度補(bǔ)償電路工作良好。

4 結(jié)論

APD探測(cè)器的工作特性導(dǎo)致其擊穿電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化,若不進(jìn)行工作偏壓的溫度補(bǔ)償,將嚴(yán)重影響APD的電流增益,甚至工作偏壓過(guò)高導(dǎo)致APD擊穿。本文提出了一種基于溫度傳感器和運(yùn)算放大器的APD偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)表明,該電路可在-40℃～+60℃范圍內(nèi)對(duì)APD的偏壓進(jìn)行精確地補(bǔ)償。該電路具有電路簡(jiǎn)單、低功耗、實(shí)時(shí)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn),可滿足激光引信中小型化、低成本和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)需求。