APD陣列芯片偏置電壓溫度補償系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周祥 周國清 張飆

摘? 要： 為使APD陣列芯片在不同溫度下保持較為恒定的增益，設(shè)計反向偏壓自動溫度補償系統(tǒng)。采用STM32微處理器對熱敏電阻分壓采樣和A/D轉(zhuǎn)換后計算獲得陣列芯片工作溫度，根據(jù)工作溫度求解出合適的反向偏壓值，再通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器控制高壓模塊輸出解算得到的反向偏壓至APD陣列芯片。采用Matlab仿真方法獲取匹配電阻的阻值避免了繁瑣的數(shù)學推導。應用μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務程序設(shè)計，且任務間采用消息郵箱通信，提高了軟件運行的穩(wěn)定性和可靠性。測試結(jié)果表明，使用該溫度補償系統(tǒng)的5×5 APD陣列芯片的每個通道都能在不同溫度下保持本通道輸出信號幅度基本恒定，證明了系統(tǒng)的有效性和實用性。

關(guān)鍵詞： APD陣列芯片; 偏置電壓; 溫度補償; 數(shù)字電位器; 芯片工作溫度; 任務程序設(shè)計

中圖分類號： TN722?34; TP301.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0083?05

多個APD（雪崩二極管）集成在一個芯片上形成APD陣列芯片，此類芯片用于脈沖式激光雷達再配合多路高精度計時可以對探測目標瞬間三維成像[1]。APD在反向高壓偏置下，經(jīng)光照射后產(chǎn)生雪崩倍增效應，使流過APD的電流是相同光照條件下零偏置電壓時電流的M倍，M為倍增增益，其值可達數(shù)百，但M過大APD內(nèi)信噪比降低，會淹沒有用信號[2]。制造公差和溫度變化都會引起倍增增益M劇烈變化，APD陣列芯片上的多個APD是在相同條件下制備出來的，故只考慮溫度變化對M的影響。溫度恒定時APD反向偏置電壓UR與雪崩擊穿電壓UBR的比值k決定了M的大小，二者函數(shù)關(guān)系由式（1）給出[3?4]，溫度變化時UBR隨之變化，故應控制[UR]跟隨溫度進行改變，才能保證APD倍增增益M基本穩(wěn)定。

[UR=k（UBR+α（T-T0））] （1）

現(xiàn)有的測量方法只是應用于單只APD，有的設(shè)計采用線性溫度傳感器，利用模擬電位器手動進行參數(shù)調(diào)整[3?4];有的設(shè)計直接應用APD偏壓控制芯片對APD反向偏置電壓進行控制，但是一片該芯片只能控制一只APD的偏壓[5]，無法適用于APD陣列芯片;還有的則是設(shè)計APD恒溫控制系統(tǒng)，使APD處于恒溫環(huán)境中[6?8]，這類方法成本偏高;還有的采用溫度補償二極管、運放、AD、DA構(gòu)成偏壓補償閉環(huán)[9]。本設(shè)計中使用NTC（負溫度系數(shù)）熱敏電阻作為溫度傳感器，它的靈敏度高，0805封裝，可直接安裝在APD陣列芯片上，但其阻值與溫度呈非線性指數(shù)關(guān)系。設(shè)計中采用STM32微處理器、數(shù)字電位器和輸出可調(diào)高壓模塊，設(shè)計實現(xiàn)了運行在μC/OS操作系統(tǒng)上，且用于APD陣列芯片的完全依靠程序控制的反向偏置電壓自動溫度補償系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為APD陣列芯片反向偏壓自動溫度補償系統(tǒng)框圖。APD陣列芯片使用德國First Sensor公司的5×5硅APD陣列芯片，型號為25AA0.16?9。系統(tǒng)以STM32作為核心處理器，通過采樣APD陣列芯片上熱敏電阻的分壓并經(jīng)AD_1轉(zhuǎn)換后計算出熱敏電阻值，再查表后得到APD陣列芯片工作溫度;然后，求解出該溫度下所需的反向偏壓值，并計算出數(shù)字電位器應該輸出的電阻值;最后，控制高壓模塊輸出解算得到的反向偏壓至APD陣列芯片。AD_2對高壓模塊實際輸出電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，起到安全監(jiān)測作用。LCD使用字符液晶模塊，用于顯示熱敏電阻上分壓值VS，熱敏電阻阻值RNTC，APD陣列芯片工作溫度T，高壓電源模塊輸出值UR，數(shù)字電位器的8 bit數(shù)字分度值Dn。圖2為該系統(tǒng)的實物照片，高壓模塊輸出通過9芯插頭與APD陣列芯片所在激光雷達模塊相連，APD陣列芯片上的熱敏電阻經(jīng)由圖中三芯插座接入本設(shè)計系統(tǒng)，圖中16芯單排座插接LCD模塊。

2? 硬件設(shè)計

2.1? A/D轉(zhuǎn)換電路

APD陣列芯片上安裝了一個熱敏電阻， 只需檢測該熱敏電阻的值就可以獲知APD芯片的工作溫度。電壓取樣電路如圖3所示，通過檢測S處的電壓VS間接獲得熱敏電阻的阻值，從而得到APD陣列芯片工作溫度。APD陣列芯片上的熱敏電阻接入P7插座（圖2中的三芯插座），AD_TEMP連接STM32處理器的ADC端口，A/D轉(zhuǎn)換后可獲得S處電壓VS。Rup和Rdown用作匹配，保證采樣電壓VS具有合適的動態(tài)范圍。

設(shè)計要求系統(tǒng)工作溫度為 0～65 ℃，負溫度系數(shù)熱敏電阻阻值RNTC變化范圍為27.6 kΩ（0 ℃）～2.60 kΩ（65 ℃），為保證測量準確，采樣電壓VS的動態(tài)范圍應與RNTC變化范圍均勻匹配，這就需要合理選擇Rup，Rdown的電阻值。根據(jù)圖3計算可得：

[VS=3.28（RNTC+Rdown）（Rup+Rdown+RNTC）] （2）

[RNTC=（VS（Rup+Rdown）-3.28Rdown）（3.28-VS）] （3）

熱敏電阻阻值與溫度呈非線性關(guān)系，為了回避繁瑣的數(shù)學推導，本設(shè)計采用Matlab仿真的方法獲得Rup，Rdown的合適值。圖4為不同 Rup，Rdown與VS?RNTC關(guān)系的Matlab仿真圖。圖4a）VS與RNTC均勻?qū)?，圖4b）當RNTC>10 kΩ后VS（3.05～3.15 V）動態(tài)范圍迅速收窄，圖4c）VS（3.04～3.2 V）在全區(qū)段動態(tài)范圍都很窄，所以本設(shè)計Rup取5.6 kΩ，Rdown取1 kΩ。

2.2? 反向偏壓計算及調(diào)節(jié)原理

由第1節(jié)知，在保證信噪比條件下APD偏置電壓UR調(diào)節(jié)得越接近雪崩擊穿電壓UBR，倍增增益M就大，電流放大倍數(shù)就高。圖5為本設(shè)計使用的APD陣列芯片UBR與溫度T的關(guān)系曲線，二者呈線性關(guān)系：

[UBR=1.39T+175] （4）

根據(jù)式（1），為了保持較高信噪比，k取0.8，調(diào)節(jié)偏置電壓UR使其隨溫度同步變化就能使倍增增益M基本恒定。反向偏壓UR計算步驟如下：

1） 將A/D轉(zhuǎn)換獲得的VS值代入式（3）可計算出RNTC的電阻值;

2） 查熱敏電阻阻值與溫度的對照表得到APD陣列芯片的工作溫度T;

3） 結(jié)合圖5與式（4）計算出該溫度下的雪崩擊穿電壓UBR;

4） 使用式（1）計算出當前溫度下所需要的反向偏置電壓UR值。

APD反向偏置電壓UR是由高壓電源模塊提供，本設(shè)計選用東文高壓電源公司生產(chǎn)的輸出可調(diào)高壓模塊，其輸出電壓范圍為-300～0 V，調(diào)節(jié)電壓范圍為0～5 V，且輸出高壓UHV與調(diào)節(jié)電壓UADJ呈線性關(guān)系：UHV=-60UADJ，因此只要調(diào)節(jié)UADJ就可改變UHV。UHV就是接入到APD陣列芯片的反向偏置電壓UR，為使UHV能跟隨APD陣列芯片工作溫度而變化，本設(shè)計利用數(shù)字電位器上的分壓作為高壓模塊的調(diào)節(jié)電壓，這樣STM32處理器就可以根據(jù)APD陣列芯片工作溫度通過軟件調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來達到對UHV進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)反向偏置電壓UR自動跟隨溫度而變化，從而保證APD陣列芯片倍增增益M始終處于合適范圍。

2.3? 反向偏壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)

本設(shè)計選用Microchip公司256分度10 kΩ數(shù)字電位器，型號為MCP410?10，配置其工作在可變電阻模式。圖6中[CS]?1，SCK?1，SI?1連接STM32微處理器，二者以SPI方式通信，PB0與PW0之間的電阻為數(shù)字電位器輸出電阻RWB;[R′up]一端連接MCP410的7腳（PB0）和高壓電源模塊的調(diào)節(jié)電壓輸入端Adj，另一端連接高壓電源模塊5 V參考電壓輸出端Vref;由式（1）、式（4）計算出高壓電源模塊輸出電壓區(qū)間為100～250 V;電阻[R′up]和[R′down]用作匹配。根據(jù)圖6計算可得：

[RWB=R′down+R′upUHV-300R′down300-UHV] （5）

[Dn=1 000RWB-5225610 000] （6）

式中：[RWB] 單位為kΩ;[Dn]分別為數(shù)字電位器輸出電阻值和對應的8 bit數(shù)字分度值;UHV為高壓電源模塊輸出的電壓值。為保證數(shù)字電位器10 kΩ調(diào)節(jié)范圍與高壓電源模塊輸出電壓區(qū)間均勻?qū)枰侠磉x擇[R′up]，[R′down]的電阻值。為避免數(shù)學推導，本設(shè)計采用Matlab仿真的方法獲得[R′up]，[R′down]的合適值。圖7為不同 [R′up]，[R′down]與UHV?RWB關(guān)系的Matlab仿真圖。圖7a）RWB與UHV均勻?qū)?，圖7b）當UHV>200 V后RWB已經(jīng)超過10 kΩ有效范圍，圖7c）只使用了RWB<4 kΩ的范圍。所以本設(shè)計[R′up]取2.2 kΩ，[R′down]取1 kΩ。

3? 基于消息郵箱機制的μC/OS多任務軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件運行在μC/OS II嵌入式操作系統(tǒng)上。μC/OS II是一個完整、可移植、可固化、可裁剪的搶占式多任務內(nèi)核，包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間通信、同步等基本功能，并可方便地移植到各種8位、16位和32位微處理器上[10?11]。本設(shè)計建立A/D轉(zhuǎn)換任務、計算任務、顯示任務和開始任務，四個任務的優(yōu)先級依次降低。開始任務的作用是在μC/OS II操作系統(tǒng)運行后建立其他三個任務，然后開始任務被掛起。A/D轉(zhuǎn)換任務將圖3中S點電壓VS和圖6中UR轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。計算任務用于計算數(shù)字電位器應當輸出的電阻值，從而決定高壓電源模塊輸出電壓值UHV，即APD陣列芯片獲得的反向偏壓UR。該任務的計算步驟為：

1） 由式（3）計算熱敏電阻值RNTC;

2） 查表得到APD陣列芯片工作溫度T;

3） 依據(jù)式（4）計算雪崩擊穿電壓UBR;

4） 由式（1）計算反向偏壓UR。

5） 由式（5）和式（6）計算數(shù)字電位器應當撥到的位置Dn，使其輸出電阻RWB，這樣高壓電源模塊就獲得了相應的調(diào)節(jié)電壓UADJ，其輸出UHV即為APD陣列芯片得到的反向偏置電壓UR。

LCD任務用于顯示VS，RNTC，T，UHV，Dn。任務間采用消息郵箱進行通信，消息郵箱由μC/OS II操作系統(tǒng)自動管理，簡化了任務間通信編程，同時還保證了通信的穩(wěn)定性。圖8為軟件工作流程圖。

4? 測試與驗證

熱敏電阻的阻值與溫度呈指數(shù)關(guān)系，通過第3.1節(jié)中Rup和Rdown的電阻匹配后VS與T呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系，測試結(jié)果如圖9a）所示;經(jīng)第3.2和第3.3節(jié)解算后由高壓電源模塊輸出的偏置電壓UHV與陣列芯片工作溫度T符合式（1）的線性關(guān)系，測試結(jié)果如圖9b）所示。

為了驗證APD陣列溫度補償效果，將本設(shè)計的偏壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝載到基金課題中研制的5×5 APD陣列激光雷達上。試驗中激光雷達對同一目標照射，表1記錄了其中一個APD通道一天中不同時段的回波信號參數(shù)，分別為信號幅度和上升時間。表1中第2，3列是無溫度補償?shù)臄?shù)據(jù)，第4，5列是有溫度補償?shù)臄?shù)據(jù)。表1最后兩行計算了均值和標準差，可見有溫度補償時的標準差σ明顯小于無溫度補償時的數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)證實了該APD陣列自動溫度補償系統(tǒng)能夠使APD在不同溫度下保持輸出信號幅度基本恒定。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了應用于APD陣列芯片的具有溫度補償功能的反向偏壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的STM32處理器實現(xiàn)對陣列芯片上的熱敏電阻分壓采樣、A/D轉(zhuǎn)換;完成了熱敏電阻值、反向偏壓值、數(shù)字電位器分度值的計算;控制高壓電源模塊輸出反向偏壓至APD陣列芯片。本文還運用Matlab仿真方法求取電路中匹配電阻的合理阻值，更易于工程實現(xiàn)。軟件上采用基于優(yōu)先級調(diào)度的μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)方便地實現(xiàn)了多任務程序設(shè)計，任務間通信采用消息郵箱機制，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)測試實驗，本設(shè)計的APD陣列各個通道都可在不同溫度下保持穩(wěn)定的增益。

注：本文通訊作者為周國清。

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