一种应用于DTS的APD反向偏压产生电路的制作方法

一种应用于dts的apd反向偏压产生电路
技术领域
1.本实用新型涉及分布式光纤测温系统技术领域，特别涉及光电转换器件雪崩光电二极管的反向偏压产生电路。


背景技术：

2.分布式光纤测温系统(dts)是一种基于光纤的后向自发拉曼散射效应和光时域反射otdr技术来实现的温度测量系统，可以实时探测光纤沿线空间的物理量变化情况。dts具有抗电磁干扰、探测距离广、可靠性高等优点使得其在地铁隧道、智能电网、输油管道等领域具有很好的应用价值。
3.由于雪崩光电二极管(apd)的内部电流增益特性，apd常被用作dts中实现微弱散射光信号转换为电信号的关键器件。apd增益稳定性关系到光电转换信号的质量，而apd的增益与其温度及所加的反向偏压有关。目前apd增益稳定控制方法有两种，一是温度控制法，即通过加热或制冷对apd进行恒温控制；另一种是偏压控制法，根据apd的实时温度调整所加的反向偏压，以补偿环境温度变化引起的apd增益变化。由于温度控制法精度不高、功耗大等缺点目前多采用偏压控制法，后者中如何产生高稳定、高精度、低噪声的高电压反向偏压(几十伏)是关键。
4.现有技术中多采用升压dcdc芯片直接生成apd所需反向偏压的方法，但选用通用的升压dcdc芯片输出电压纹波比较大，而apd专用升压芯片价格又比较高。使用升压dcdc芯片直接生成反向偏压方法比较容易引入电源干扰，对pcb布局要求也比较高。
5.此外，apd作为实现光电转换的核心器件其价格也比较高，所加的反向偏压过大或者被检测光信号功率异常增大时都会烧毁apd，造成不可逆损失，如何对其进行保护也是很重要的一环。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本实用新型提供一种应用于dts的apd反向偏压产生电路，产生高质量的反向偏压可提高光电转换信号的信噪比，该apd反向偏压产生电路简单实用，可实现高性能、低成本、高可靠性相结合。
7.本实用新型采用的技术方案是：
8.该方案中主要包括主控mcu，数模转换芯片dac，高压运放，升压dcdc模块，直流偏置电压产生电路和限流保护电路；mcu控制dac产生高精度的低电压控制信号，将该低电压控制信号与直流偏置电压产生电路产生的直流偏置电压一同由高压运放线性放大，经过限流保护电路后，产生所需范围的高精度、低噪声反向偏压。
9.该方案中升压dcdc的输出作为高压运放所需的高电源电压，利用高压运放的电源抑制比特性可降低对升压dcdc输出的要求，因此选用通用升压电源芯片即可。升压dcdc芯片使能管脚受mcu控制，当监测到系统工作出现异常时，mcu可控制该电源芯片关断，使得无反向偏压输出，实现对apd的保护。
10.该方案中的高压运放设计成同相比例相加器电路，使dac输出信号与高压运放输出成正相关关系，保证上电瞬间或者dac突发异常输出为0时反向偏压输出最小值，实现对apd的保护；直流偏置电压产生电路的输出、dac的输出和高压运放放大倍数共同决定着高压运放的输出范围。
11.该方案中的mcu通过spi接口与12位的数模转换芯片相连。
12.该方案中的dac及高压运放均使用双通道芯片，相对于直接使用两个apd专用升压dcdc芯片具有低成本的优势。
13.该方案中高压运放与apd之间存在限流保护电路，防止因输出偏压过高或者待检测的光功率异常变大时造成apd损坏。
14.本实用新型通过上述技术方案实现的电路为apd提供高精度、低噪声的反向偏压，可提高光电转换信号的信噪比，满足微弱光探测的要求。此外，选用适用于dts的双通道器件以及可选用较便宜的通用升压电源芯片，不仅可以降低使用成本，还可以降低pcb设计难度。
15.本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
16.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的限制。在附图中：
17.图1是根据本实用新型提供的一种应用于dts的apd反向偏压产生电路的实现框图。
18.图2是高压运放电路具体实现示意图。
19.图3是一种限流保护电路实现示意图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处描述的具体方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
21.如附图1所示，本实用新型提供一种应用于dts的apd反向偏压产生电路，包括主控mcu，数模转换芯片dac，高压运放，升压dcdc模块，直流偏置电压产生电路和限流保护电路。
22.在本实用新型的一种具体实施方式中，mcu控制dac产生高精度的低电压控制信号vc，将该低电压信号vc与偏置电路产生的直流偏置电压v
bias
一同由高压运放线性放大，vo经过限流保护电路后，得到所需要的高精度、低噪声反向偏压v
apd
。
23.如附图2所示，在本具体施例中，高压运放设计成同相比例相加器电路，使控制信号vc与输出反向偏压v
apd
成正相关关系，保证上电瞬间或者dac突发异常输出为0时反向偏压输出最小值，实现对apd的保护。通过合理设计运放放大倍数与偏置电压v
bias
大小，就可以将高精度的低电压控制信号vc放大至想要的高电平电压范围。
[0024][0025]
本具体施例中取r1＝r2，r4/r3＝7则：
[0026]vo
＝4
×
(vc+v
bias
)
[0027]
运放放大倍数确定后，偏置电压v
bias
决定反向偏压最小值，vc决定着反向偏压可调整的范围。在本具体施例中取v
bias
＝10v，vc＝0～2.5v可变，则vo在40～50v之间可调整。
[0028]
如附图3所示，本具体施例中，威尔逊电流镜被用作apd限流保护电路，高压运放的输出vo作为限流电路的电源，电流镜的输出作为apd的反向偏压v
apd
，可通过设计限流电阻rr的阻值来设置限流值的大小。当apd正常工作时，限流电路不起作用，当apd中的电流异常增大时，电流镜会将流过apd的电流限制在设定的限流值，防止过大的电流导致apd的烧毁，起到对apd的保护作用。
[0029]
在本具体施例中，当apd正常工作时，高压运放输出vo与apd反向偏压v
apd
的关系为：
[0030]vapd
≈v
o-v
be
[0031]
在本具体施例中，微控制器mcu通过spi接口与12位的数模转换芯片dac相连。
[0032]
在本具体施例中，升压dcdc芯片的使能管脚受主控mcu的cs信号控制，当监测到系统工作出现异常时可由主控mcu控制该电源芯片关断，使得无反向偏压输出，达到保护apd的目的。
[0033]
以上所述仅为本实用新型的优先实施方式，本实用新型并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本实用新型目的的技术方案都属于本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于dts的apd反向偏压产生电路，其特征在于：其包括主控mcu，数模转换芯片dac，高压运放，升压dcdc模块，直流偏置电压产生电路和限流保护电路；其连接关系为：主控mcu连接至数模转换芯片dac的输入端和升压dcdc模块的控制信号输入端，数模转换芯片dac和直流偏置电压产生电路的输出端与高压运放输入端相连，升压dcdc模块的输出端连接高压运放电源电压，高压运放的输出接限流保护电路；mcu控制dac产生高精度的低电压控制信号，将该低电压控制信号与直流偏置电压产生电路产生的直流偏置电压一同由高压运放线性放大，经过限流保护电路后，产生所需要范围的高精度、低噪声反向偏压。2.根据权利要求1所述一种应用于dts的apd反向偏压产生电路，其特征在于：所述的高压运放，设计成同相比例相加器电路，使dac输出信号与高压运放输出成正相关关系，保证上电瞬间或者dac突发异常输出为0时反向偏压输出最小值，实现对apd的保护；直流偏置电压产生电路的输出、dac的输出和高压运放放大倍数共同决定着高压运放的输出范围；高压运放及dac芯片均使用更适合dts的双通道芯片，具有低成本的优势。

技术总结
本实用新型公开了一种应用于分布式光纤测温系统(DTS)的雪崩光电二极管(APD)反向偏压产生电路，其包括主控MCU，数模转换芯片DAC，高压运放，升压DCDC模块，直流偏置电压产生电路和限流保护电路；MCU控制DAC产生高精度的低电压控制信号，将该低电压控制信号与直流偏置电压电路产生的偏置电压一同由高压运放进行线性放大产生所需范围的高精度、低噪声APD反向偏压；升压DCDC模块用来生成高压运放所需的高电源电压，其使能管脚受主控MCU控制，当监测到系统工作异常时可控制其关断，同限流保护电路一起实现对APD的保护。该电路产生的高质量反向偏压可提高光电转换信号的信噪比，该电路简单实用，可实现高性能、低成本、高可靠性相结合。合。合。


技术研发人员：张美生 韩国俭 何纯 李怀新 梁栋
受保护的技术使用者：青岛鼎信通讯股份有限公司
技术研发日：2020.12.30
技术公布日：2022/3/8