CN101702094A - 一种利用噪声的apd反偏电压自动控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***及方法，该***包括：APD光电接收电路、A/D转换模块、信号处理器以及高压产生电路；所述APD光电接收电路，将光信号转换成模拟电信号，而后把该信号发送至所述A/D转换模块；所述A/D转换模块把模拟电压信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器；所述信号处理器对采集到的信号进行处理，获取所述APD光电接收电路的噪声值，并根据此噪声值输出控制信号来调节所述高压产生电路的高压输出；所述高压产生电路给APD光电接收电路提供反偏电压。本发明提出的APD反偏电压控制***，可使APD反偏电压满足不同温度下APD增益不变的要求。

Description

一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***及方法

技术领域

本发明属于智能控制技术领域，涉及一种电压控制***及方法，尤其涉及一种APD反偏电压自动控制***及方法。

背景技术

雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10-100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩光电二极度管工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时，耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。

然而，APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性，甚至引起测量精度的恶化。理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定APD工作时的增益，而且在维持APD增益比较恒定的条件下，其偏压和温度之间存在一定的关系。因此，可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。这样就可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。偏压补偿方法有两种，典型的是让APD工作在恒定的温度环境中，也就是恒温控制；另一种是根据温度变化来调节APD的反偏电压，使得APD的增益不变。对于后者，一种方法是通过测量APD环境温度，用温度信息反馈来调节APD的反偏电压，使得APD的增益不变；本文提出另一种方法，即用噪声信号作为反馈信号来调节APD的反偏电压，使得APD的增益不变。

本方法主要是利用APD的随机噪声来控制APD的反偏电压，APD的随机噪声(例如当无光输入时产生的电流产生的噪声)与APD的增益有关，APD增益越大其随机噪声也越大；如果监测到APD的噪声变化，也就可以知道APD的增益变化；因此可以用APD产生的噪声来监控APD的增益；本发明就是利用APD的噪声作为反馈信息来改变APD的反偏电压，从而保证APD在不同的工作环境温度中保持增益不变。

其中，需要通过试验测试得到一个理想的增益(通过调节APD反偏电压)，并测量此增益下的噪声，并给出一个范围(包括噪声上限值和下限值)作为噪声的阈值范围，只要噪声在此阈值范围内，都是合适的。当噪声低于阈值下限时，说明APD的增益小于理想值，需要把APD的反偏电压调高；当噪声高于阈值时，说明APD的增益大于理想值，需要把APD的反偏电压调低。

根据APD特点，当APD工作环境温度升高时，如果APD反偏电压不变，那么APD增益将变小，产生的随机噪声变小，如果要维持APD增益不变，需要增大APD的反偏电压；当APD工作环境温度降低时，如果APD反偏电压不变，那么APD增益将变大，产生的随机噪声变大，如果要维持APD增益不变，需要降低APD的反偏电压。

进一步的，本发明提到的噪声都是指随机噪声。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***，可使APD反偏电压满足不同温度条件下APD增益不变的要求。

另外，本发明还提供上述APD反偏电压控制***的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***，包括：APD光电接收电路、A/D转换模块、信号处理器以及高压产生电路；

所述APD光电接收电路，用于将光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电信号发送至所述A/D转换模块，并实现信号的滤波及放大；

所述A/D转换模块，把模拟电信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器；

所述信号处理器，对采集到的信号进行处理，获取所述APD光电接收电路的噪声，并根据所述噪声输出控制信号来调节所述高压产生电路的高压输出；

所述高压产生电路与所述APD光电接收电路相连，给APD光电接收电路提供反偏电压。

作为本发明的优选方案之一，所述高压产生电路包括数字电位器以及与之相连的放大电路。其中，所述高压产生电路通过数字电位器的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。

进一步地，所述信号处理器通过接口向所述数字电位器输出控制信号，以控制数字电位器调节到对应电阻值，所述接口为IIC或SPI接口。

进一步地，所述放大电路包括信号放大器以及与之相连的功率放大器。

上述APD反偏电压自动控制***的控制方法，包括如下步骤：

步骤A，所述APD光电接收电路将光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电信号发送至所述A/D转换模块，并实现信号的滤波及放大；

步骤B，所述A/D转换模块把模拟电信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器；

步骤C，所述信号处理器对采集到的数字信号进行处理，计算所述APD光电接收电路的噪声，并将其与阈值范围进行比较调节所述高压产生电路的高压输出：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号降低所述高压产生电路输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号升高所述高压产生电路输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；

步骤D，所述高压产生电路把调节输出的高压提供给APD光电接收电路作为反偏电压。

作为本发明的优选方案之一，所述高压产生电路包括数字电位器以及与之相连的放大电路。

进一步地，所述信号处理器向所述数字电位器输出控制信号，以控制数字电位器R0的电阻值：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号增大R0阻值，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号降低R0阻值，直至噪声进入阈值范围内。

进一步地，所述高压产生电路通过数字电位器的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。

进一步地，所述放大电路包括信号放大器以及与之相连的功率放大器。

本发明的有益效果在于：

本发明采用噪声信号作为反馈信号来调节APD的反偏电压，使得APD的增益不变，从而实现对APD温度漂移的偏压补偿。

附图说明

图1和图2为本发明***的组成示意图。

图3为本发明方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例：

请参看图1，一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***，包括：APD光电接收电路P1、A/D转换模块P2、信号处理器P3以及高压产生电路P4；所述APD光电接收电路P1的输出端与所述A/D转换模块P2的输入端相连，其功能是把接收到的光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电信号发送至所述A/D转换模块P2，并实现信号的滤波及放大；所述A/D转换模块P2的输出端与所述信号处理器P3的输入端相连，所述A/D转换模块P2用于把模拟电压信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器P3；所述信号处理器P3的输出端与所述高压产生电路P4的输入端相连，所述信号处理器P3对采集到的信号进行处理，获取所述APD光电接收电路P1的噪声，并根据噪声输出控制信号来调节所述高压产生电路P4的高压输出；所述高压产生电路P4与所述APD光电接收电路P1相连，给APD光电接收电路P1提供反偏电压。

其中，如图2所示，所述高压产生电路P4包括数字电位器P41以及与之相连的放大电路。所述高压产生电路P4通过数字电位器P41的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。所述放大电路包括信号放大器P42以及与之相连的功率放大器P43。

所述信号处理器P3通过接口向所述数字电位器P41输出控制信号，以控制数字电位器P41调节到对应电阻值，所述接口为IIC或SPI接口。

以上介绍了本发明APD反偏电压控制***的组成，以下通过图3介绍上述APD反偏电压自动控制***的控制方法，包括如下步骤：

步骤A，所述APD光电接收电路P1将光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电压信号发送至所述A/D转换模块P2，并实现信号的滤波及放大；

步骤B，所述A/D转换模块P2把模拟电压信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器P3；

步骤C，所述信号处理器P3对采集到的数字信号进行处理，计算所述APD光电接收电路P1的噪声，比将其与阈值范围进行比较以调节所述高压产生电路的高压输出：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号降低所述高压产生电路P4输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号升高所述高压产生电路P4输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；

具体地，所述信号处理器P3向所述高压产生电路P4的数字电位器P41输出控制信号，以控制数字电位器P41即R0的电阻值：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号降增大R0值(降低反偏电压)，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号降低R0阻值(增大反偏电压)，直至噪声进入阈值范围内。

步骤D，所述高压产生电路P4把调节输出的高压提供给APD光电接收电路P1作为反偏电压。其中，所述高压产生电路通过数字电位器的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。

通过以上改进，本发明提出的APD反偏电压控制***，可使APD反偏电压满足APD增益不变的要求。

所述高压产生电路P4的电路原理如图2所示。

2.5V的电压源经过P42信号放大器放大(初级放大)，然后经过P43功率放大器放大后输出高压；设数字电位器的电阻值为R0，高压输出电压为Vh，那么

Vh＝(1+G)(1+R5/R4)*2.5    (1)

其中G＝R3/(R0+R1)         (2)

其中R0是数字电位器的电阻值，这个值可以通过通信接口(I2C、SPI等)由P 3信号处理器设定。由式1和式2可知，改变R0的值就可以输出高压Vh的值。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (10)

1.一种利用噪声的APD反偏电压自动控制***，其特征在于，该***包括：APD光电接收电路、A/D转换模块、信号处理器以及高压产生电路；

所述APD光电接收电路，用于将光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电信号发送至所述A/D转换模块，并实现信号的滤波及放大；

所述A/D转换模块，把模拟电信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器；

所述信号处理器，对采集到的信号进行处理，获取所述APD光电接收电路的噪声，并根据所述噪声输出控制信号来调节所述高压产生电路的高压输出；

所述高压产生电路与所述APD光电接收电路相连，给APD光电接收电路提供反偏电压。

2.根据权利要求1所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***，其特征在于：所述高压产生电路包括数字电位器以及与之相连的放大电路，其通过数字电位器的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。

3.根据权利要求2所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***，其特征在于：所述信号处理器通过接口向所述数字电位器输出控制信号，以控制数字电位器调节到对应电阻值。

4.根据权利要求3所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***，其特征在于：所述接口为IIC或SPI接口。

5.根据权利要求2所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***，其特征在于：所述放大电路包括信号放大器以及与之相连的功率放大器。

6.一种权利要求1所述利用噪声的APD反偏电压自动控制***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，所述APD光电接收电路将光信号转换成模拟电信号，而后把该模拟电信号发送至所述A/D转换模块，并实现信号的滤波及放大；

步骤B，所述A/D转换模块把模拟电信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至信号处理器；

步骤C，所述信号处理器对采集到的数字信号进行处理，计算所述APD光电接收电路的噪声，并将其与阈值范围进行比较调节所述高压产生电路的高压输出：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号降低所述高压产生电路输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号升高所述高压产生电路输出的高压，直至噪声进入阈值范围内；

步骤D，所述高压产生电路把调节输出的高压提供给APD光电接收电路作为反偏电压。

7.根据权利要求6所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***的控制方法，其特征在于：所述高压产生电路包括数字电位器以及与之相连的放大电路。

8.根据权利要求7所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***的控制方法，其特征在于：所述信号处理器向所述数字电位器输出控制信号，以控制数字电位器R0的电阻值：当噪声大于阈值范围的上限时，发送控制信号增大R0阻值，直至噪声进入阈值范围内；当噪声小于阈值范围的下限时，发送控制信号降低R0阻值，直至噪声进入阈值范围内。

9.根据权利要求7所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***的控制方法，其特征在于：所述高压产生电路通过数字电位器的电阻值控制该放大电路的放大倍数，输出高压，从而调节APD的反偏电压。

10.根据权利要求7所述的利用噪声的APD反偏电压自动控制***的控制方法，其特征在于：所述放大电路包括信号放大器以及与之相连的功率放大器。

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