畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 題目： 雪崩光電探測(cè)器溫控偏壓補(bǔ)償電路設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 完成日期 2012 年 5 月 15 日 1 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 2012 年 5 月 15 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1、保密 ，在 _年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 2、不保密 。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”） 作者簽名： 2012年 5 月 15 日 導(dǎo)師簽名： 2012 年 5 月 15 日 2 目錄 摘 要 1 前言 3 1 崩特性分析 4 4 倍增機(jī)理及噪聲分析 5 佳增益條件分析 7 壓選擇 8 2 溫控偏壓補(bǔ)償電路設(shè)計(jì) 9 度傳感電路設(shè)計(jì) 9 號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 11 壓電路設(shè)計(jì) 13 控偏壓補(bǔ)償電路 20 控偏壓補(bǔ)償電路參數(shù)計(jì)算 22 3 控偏壓補(bǔ)償電路仿真運(yùn)行及結(jié)果分析 24 介 24 控偏壓補(bǔ)償電路 仿真圖 的建立 26 真運(yùn)行結(jié)果分析 29 4 總結(jié)與展望 32 要研究成果總結(jié) 32 崩光電探測(cè)器及其溫控偏壓補(bǔ)償電路的前景展望 33 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 附錄 37 3 雪崩光電探測(cè)器溫控偏壓補(bǔ)償電路設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師： （三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院） 摘要： 雪崩光電探測(cè)器在光纖通信，空間光通信等方面都有著舉足輕重的作用，隨著光電技術(shù)的發(fā)展對(duì)雪崩光電探測(cè)器的精度要求越來(lái)越高，反應(yīng)速度要求越來(lái)越快，應(yīng)用領(lǐng)域要求越來(lái)越廣?；谶@樣一種實(shí)際需要設(shè)計(jì)精度更高，跟蹤速度更快，工作環(huán)境溫度更廣的雪崩光電探測(cè)器的溫控偏壓補(bǔ)償電路是十分必要的。雪崩光電探測(cè)器的主要元件為雪崩光電二極管（ 本文從 雪崩機(jī)理出發(fā)，分析了溫度對(duì) 雪崩增 益的影響，給出了 壓溫度特性曲線(xiàn)并在此基礎(chǔ)上給出了 最佳雪崩增益的條件及控制原理。 基于 偏壓 溫度特性設(shè)計(jì)了溫控 偏壓補(bǔ)償電路，該電路主要分為三部分：溫度傳感電路、信號(hào)放大電路 和升壓電路。溫度傳感電路采用集成溫度傳感元件 元件精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、反映速度快，實(shí)現(xiàn)了溫度的快速精確的跟蹤。信號(hào)放大電路采用信號(hào)加一級(jí)參考電壓再進(jìn)行放大的方式，該設(shè)計(jì)既能夠起到放大信號(hào)的作用，又能夠起到基礎(chǔ)電壓補(bǔ)償?shù)淖饔?，能夠適應(yīng)幾乎所有的升壓電路。該電路的運(yùn)放采用 運(yùn)放性能穩(wěn)定 ,能夠 得到穩(wěn)定的放大后的電信號(hào)。升壓電路采用了高效充電元件 元件原應(yīng)用于相機(jī)閃光燈的電容充電器，它充電速度快，升壓比例調(diào)節(jié)方便，可以迅速給出 300V 甚至更高的電壓。升壓電路是基于 升壓原理同時(shí)結(jié)合線(xiàn)性穩(wěn)壓的基本方法而設(shè)計(jì)的一種快速充電、升壓較高的低波紋升壓電路。 本設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了 件仿真，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電路能夠滿(mǎn)足 路能夠在 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，電壓精度較高，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析 輸出電壓在 100，波紋小于 10足精確的 溫度補(bǔ)償要求。 本設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中運(yùn)用了信號(hào)放大與加參考電壓雙因素 調(diào)節(jié) 的放大方式，使得該信號(hào)放大電路適應(yīng)多種升壓電路的要求，保證了補(bǔ)償電壓曲線(xiàn)能夠與 壓曲線(xiàn)的嚴(yán)格契合。升壓電路采用了快速充電元件 升壓電路的設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)的“逆變 升壓 整流”的升壓模式的波紋大，控制復(fù)雜等缺點(diǎn)，成功的實(shí)現(xiàn)了集成元件的高精度升壓的設(shè)計(jì)。 本文給出了各部分的具體的電路圖，闡述了各部分的工作原理，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。對(duì)本設(shè)計(jì)中使用的相關(guān)元器件做了基礎(chǔ)性介紹，給出相關(guān)原理圖、 4 工作方式和主要引腳功 能。對(duì)電路的仿真過(guò)程給予了詳細(xì)介紹，并且給出了仿真實(shí)驗(yàn)圖，及相關(guān)數(shù)據(jù)表格。 關(guān)鍵字： 倍增增益 偏壓補(bǔ)償 he of is an in of we of is of is of an is of is an on PD of on PD PD of PD on on PD is a it of of of is to a is to a in of t to of t he is a a in of to it 00V or a WB 5 PD at C 0 C, 00is 0to of of to to of a of to of PD a of of of of of In a of It is in of a a to of 言 隨著光纖 通信，激光測(cè)距等技術(shù) 的發(fā)展， 光電探測(cè)器作為接受光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的接收端元件受到了人們的廣泛關(guān)注。 由于光能的傳播按照指數(shù)規(guī)律衰減，因此 能夠精確的探測(cè)到 遠(yuǎn)距離的 光信號(hào)已 經(jīng)成為光通信技術(shù)中極其重要的研究方面，近些年 人們?cè)谶@一方面進(jìn)行了許多探索 。為了尋找靈敏度更高的光電探測(cè)器 人們進(jìn)行了大量的研究，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，比較，雪崩光電探測(cè)器因其對(duì)光信號(hào)特有的敏感性得到了國(guó)內(nèi)外的研究人員的廣泛關(guān)注。 雪崩光電探測(cè)器由于具有內(nèi)增益，可顯著提高探測(cè)系統(tǒng)的信噪比，大大降低對(duì)前置放大器的要求，因而在光纖通信、激光測(cè)距、以及光纖傳感等技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 雪崩 光電探測(cè)器 是基于雪崩光電二極管（ 雪崩特性而生成的光電探測(cè)器。 在半導(dǎo)體光電探測(cè)器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進(jìn)入外電路后 ，形成可測(cè)量的光電流。 電二極管即使在最大的響應(yīng)度下 ,一個(gè)光子最多也只能產(chǎn)生一對(duì)電子 是一種無(wú)內(nèi)部增益的器件。為了獲得更大的響應(yīng)度 ,則選擇了 雪崩光電二極管。 光電流的放大作用基于電離碰撞效應(yīng) ,在一定的條件下 ,被加速的電子和空穴獲得足夠的能量 ,能夠與晶格碰撞產(chǎn)生一對(duì)新的 6 電子 這種過(guò)程是一種連鎖反應(yīng) ,從而由光吸收產(chǎn)生的一對(duì)電子 空穴對(duì)而形成較大的二次光電流。因此 有較高的響應(yīng)度和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。 主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離或接收光 功率受到其它限制而較小的光纖通信系統(tǒng)。目前很多光器件專(zhuān)家對(duì) 前景十分看好，認(rèn)為 研究對(duì)于增強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，是十分必要的。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雪崩光電探測(cè)器的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是， 材料 及芯片結(jié)構(gòu) 方面。二是， 佳雪崩增益的工作條件。 近些年在 材料方面的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，除了傳統(tǒng)的 外近些年又研發(fā)出許多吸收系數(shù)更高，功耗更小，噪聲更低，適應(yīng)波長(zhǎng)范圍更廣的 如：， ， ， P）/和 n（ 等。這些 性能越來(lái)越高，但是對(duì)工作條件的要求越來(lái)越 苛刻，且不同類(lèi)型的 工作偏壓不同，溫控特性各異，這就要求我們?nèi)パ芯扛泳_的偏壓補(bǔ)償裝置來(lái)滿(mǎn)足這些 這些不同類(lèi)型 能夠發(fā)揮其良好的性能。 這正是國(guó)內(nèi)外對(duì) 究的另一個(gè)重要方面即最佳雪崩增益的工作條件。 想獲得最佳的雪崩增益就必須通過(guò)外加偏壓使得處于臨近雪崩擊穿且沒(méi)有擊穿的狀態(tài)。理論上外加偏壓越接近于 雪崩擊穿電壓， 靈敏度越高，但是由于受外界因素的影響外加偏壓不可能無(wú)限的接近雪崩擊穿電壓，目前廣泛采用的偏壓為雪崩擊穿電壓的90%97%，具體情況 根據(jù) 所采用的 本增增益（ M） 的大小及工作條件的復(fù)雜程度做 出合理化 選擇 。 由于 內(nèi)增益與其偏壓存在密切關(guān)系，只有當(dāng)偏壓接近雪崩擊穿電壓且略低于雪崩擊穿電壓時(shí)系統(tǒng)才能獲得最佳倍增因子和最大信噪比，一旦偏壓高于雪崩擊穿電壓，倍增過(guò)程所產(chǎn)生的附加噪聲將導(dǎo)致信噪比快速下跌。因此，控制偏壓精確跟蹤擊穿電壓是獲得最佳倍增因子的關(guān)鍵。 由于 度十分敏感，而 應(yīng)用范圍甚廣，工作環(huán)境千變?nèi)f化，因此要想 計(jì)出能夠跟蹤工作條件的偏壓補(bǔ)償設(shè)備。 由于雪崩擊穿電壓是背景噪聲和環(huán)境溫度的函數(shù)，為了保證雪崩光電探測(cè)器在不同溫度和背景輻射的情況下均處于最佳工作狀態(tài)， 必須從 倍增機(jī)理出發(fā)，分析 噪聲特性， 探究雪崩擊穿電壓與環(huán)境溫度的變化關(guān)系，進(jìn)一步研究 偏壓與倍增因子的關(guān)系，探討 雪崩光電探測(cè)的最佳偏壓溫度補(bǔ)償方法 。 雪崩光電探測(cè)器溫控偏壓補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)是雪崩光電探測(cè)器的高靈敏度性能實(shí)現(xiàn)的重要保證，是 雪崩光電探測(cè)的一個(gè)重要的研究方面，對(duì)雪崩光電探測(cè)器的應(yīng)用有著重要作用。對(duì)提高光纖通信，激光測(cè)距等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的提高有著重要意義。 7 1， 雪崩特性分析 雪崩光電探測(cè)能夠廣泛的應(yīng)用于多種精密光電探測(cè)領(lǐng)域，其重要 原因在于其高靈敏度，對(duì)于很微弱的光信號(hào)也能夠檢測(cè)到，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè)，這是很多其他的光電探測(cè)器所不能比擬的。這樣高的靈敏度主要?dú)w功于它的雪崩擊穿特性。 雪崩擊穿特性 概述 在雪崩光電二極管的 上施加一個(gè)非常高的反向偏壓 , 使結(jié)區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng) , 當(dāng)光照射 時(shí)所激發(fā)的光 生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后 ， 在強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)受到加速而獲得足夠的動(dòng)能 ， 在高速運(yùn)動(dòng)中與晶格發(fā)生碰撞 ， 使晶格中的原子發(fā)生電離 , 產(chǎn)生新的電子空穴對(duì) ， 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為碰撞電離。 新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)下又被加速 ， 獲得足夠能量 ， 再次與晶格碰撞 ， 產(chǎn)生出新的電子空穴對(duì) ， 這個(gè)過(guò)程不斷往復(fù) ， 使 內(nèi)載流子迅速增加 ，電流也隨之急劇增多 ， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為雪崩效應(yīng) 。 了解了以上概念，讓我們看一下雪崩光電二極管的 雪崩擊穿特性。為了使生雪崩效應(yīng)，就必須在 產(chǎn)生碰撞電離，從而實(shí)現(xiàn)電子空穴對(duì)的倍增。當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到光子時(shí) ，為實(shí)現(xiàn)光生載流子的培增，光生載流子必須穿過(guò)一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)光生電子或空穴可獲得足夠大的動(dòng)能，當(dāng)它們與中性原子碰撞時(shí)可以把中性原子的價(jià)電子碰撞出來(lái)，使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子空穴對(duì)，新產(chǎn)生的自由電子和空穴又在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速飄移去撞擊其它的中性原子，結(jié)果又產(chǎn)生新的自由電子和空穴，如此連鎖反應(yīng)像雪崩一樣迅速碰撞出大量的電子和空穴，形成 內(nèi)增益和較大的輸出電流。 由上述分析知：雪崩培增的物理本質(zhì)是碰撞電離，倍增的條件是需對(duì) 從 內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)分析 倍增機(jī)理，及其噪聲特性。 為減小 結(jié)構(gòu)常采用 n+或者 p+，耗盡層主要位于低摻雜的半導(dǎo)體一邊。圖 1 為高反壓 n+的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，其中（ a）為 的結(jié)構(gòu)示意圖，（ b）為半導(dǎo)體中的電場(chǎng)分布圖。 在 n+區(qū) （ x 0 處），由于摻雜濃度很高，電導(dǎo)率較大，電場(chǎng)強(qiáng)度基本為零。在 x 0 區(qū)間內(nèi)有空間電荷導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)分布 E(x)不難從電場(chǎng)高斯定理推出如下計(jì)算式 （ 1） ： x 0 )()( (1) 0 x 區(qū)間為耗盡層，場(chǎng)強(qiáng)的峰值在 n 型和 p 型半導(dǎo)體的分界面處。如圖 8 1-(a)所示，在耗盡區(qū)內(nèi)注入一個(gè)能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，其能量被晶格原子吸收，將激發(fā)價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴，形成了一對(duì)電子空穴對(duì)。在場(chǎng)強(qiáng)的作用下，光生電子向 n+區(qū)、光生空穴向 p 區(qū)加速漂移，它們?cè)谄七^(guò)程中還會(huì)與其他晶格原子發(fā)生碰撞。如果場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng)，使得光生載流子的動(dòng)能已經(jīng)增大到足以使被碰撞的原子發(fā)生電離，碰撞的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生新的電子 次電子 上，再去碰撞晶格原子產(chǎn)生新的電子 這一連鎖反應(yīng)便是人們熟知的雪崩效應(yīng)。 圖 1-(b)中的坐標(biāo)定義， 0 為勢(shì)壘區(qū)， a b 為倍增區(qū)。 倍增區(qū)緊貼 n+區(qū)，倍增區(qū)和 n+區(qū)的厚度都很薄，各約 m1 。而勢(shì)壘區(qū)為保證入射光的完全吸收需要約 m20 。 因此絕大多數(shù)光生載流子都在 層內(nèi)產(chǎn)生。倍增區(qū)便形成了純 電 子注入 方式。 圖 1（ b） 中 在外加電場(chǎng)的作用下 接受到外加光子時(shí)激發(fā)出來(lái)的光生載流子進(jìn)入 倍增區(qū) 后 , 在強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)受到加速而獲得足夠的動(dòng)能 , 在高速運(yùn)動(dòng)中與晶格發(fā)生碰撞 , 使晶格中的原子發(fā)生電離 , 產(chǎn)生新的電子空穴對(duì) , 這一過(guò)程不斷反復(fù)直到勢(shì)壘區(qū)被擊穿，形成雪崩擊穿，產(chǎn)生電信號(hào) + E(x) (a) (b) a b 0 圖 1 高反壓 n+的電場(chǎng)強(qiáng)度分布 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)場(chǎng)強(qiáng)分布 x n+ 9 雪崩倍增機(jī)制如圖 2 所示。 圖 2 為 電子注入結(jié)構(gòu)的 雪崩機(jī)制示意圖。當(dāng) 接受到光子的能量時(shí)，其 絕大多數(shù)光生載流子 都在 層內(nèi)產(chǎn)生 的 。 為了使雪崩噪聲譜密度最小化， 是設(shè)計(jì)成純電子注入結(jié)構(gòu)，倍增因子M 表達(dá)式可表示為 (2)： )(ex p (11)(ex p ( （ 2） 載流子漂移單位距離可能發(fā)生的平均電離碰撞次數(shù)稱(chēng)為離化率，不同材料的化率不盡相同， 通型 離化系數(shù)如下： /)(e x p 65 (3) /)(e x p 66 (4) 圖 3 給出了離化率與場(chǎng)強(qiáng)倒數(shù)的關(guān)系 2，其中 為電子電離率， 為空穴電離率。 n+ p+ 純電子注入 圖 2 層 0 10 2 2 222/ ( )( ) / 2 ( ) 4 ( / ) S N R p s I N d L P q M F R P I F K T R F f 圖 3 化率與場(chǎng)強(qiáng)倒數(shù)的關(guān)系 益的條件分析 收機(jī)的信噪比 由下式?jīng)Q定 : (5) 式中 , 信號(hào)平均功率 ; 2 2 M 為倍增增益 ; R 為光電響應(yīng)度 ; 暗電流 , f 為帶寬 ; 過(guò)剩噪聲因子 ; K 為波爾茲曼常數(shù) ; 后級(jí)放大器的噪聲系數(shù) ; T 為絕對(duì)溫度 ;負(fù)載電阻 . 由上式可以看出 , 其他條件一定時(shí) , M 值太小熱噪聲將起主導(dǎo)作用 , 信噪比難以達(dá)到系統(tǒng)要求 ; M 值太大將會(huì)提高信號(hào)平均功率 ,但同時(shí)增大了散粒噪聲 ,也會(huì)降低信噪比 . 在給定了入射光功率時(shí) , 為達(dá)到最大的信噪比所要求的 增 增益稱(chēng)為最佳倍增增益 它的值由下式給出 : 1 / ( 2 ) 4 / ( ) T in T q x R L R P I (6) 式中 , x 為過(guò)剩噪音系數(shù) , 其值取決于 制作材料及工藝 . 由上式可見(jiàn) ,最佳倍增增益取決于入射光功率、暗電流、環(huán)境溫度以及光電響應(yīng)度等因素 . 殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了當(dāng)它的工作溫度和反向偏壓有一方面發(fā)生變化時(shí) , 其倍增增益 M 會(huì)隨之改變 . 為了使雪崩光電二極管工作在最佳的工作狀態(tài)。從 以上 公式，可以看出，偏置 環(huán)境 溫度 的變化規(guī)律 。 圖 4 不同溫度條件下 11 由以上分析可知 電流，環(huán)境溫度和光電響應(yīng)度等因素。而以上因素只有環(huán)境溫度是影響其倍增增益的干擾因素。由 4圖 可知不同溫度下對(duì)應(yīng)的最佳增益不同，必須設(shè)計(jì)出溫度補(bǔ)償電路來(lái)跟蹤補(bǔ)償偏壓才能保證最佳雪崩增益，保證系統(tǒng) 的 最信噪比。 偏壓選擇 如圖 5所示 為一定條件下的 如圖 5所示， 想 論上將我們需要另外加的偏置電壓無(wú)限接近于 崩增益達(dá)到 “ 一觸即發(fā) ”的效果。但實(shí)際上由于考慮到噪聲的影響，當(dāng)偏置電壓無(wú)限接近于 實(shí)際選擇偏置電壓的過(guò)程中要留有一定的裕度，一般選擇在 圖 5 以上從 到了最佳雪崩增益與溫度的關(guān)系，并結(jié)合原理圖對(duì)外加溫控偏壓補(bǔ)償?shù)倪x擇給予了合理化的論證。 2 計(jì) 對(duì)于 原則上我們希望 個(gè)溫度十分穩(wěn)定的工作環(huán)境當(dāng)中，當(dāng)實(shí)際上是不可能的，目前通常的做法是將 中。當(dāng)外界溫度發(fā)生很 大 的變化時(shí)， 恒溫槽 內(nèi)的 溫度發(fā)生微小改變，盡量減小溫度對(duì) 設(shè)計(jì)也是采用這種辦法，將溫度傳感器和 時(shí)監(jiān)測(cè)槽內(nèi)微小的溫度變化， 通過(guò)外設(shè)電路 對(duì) 所示。本電路設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，即溫度傳感部分，信號(hào)放大部分， 電路 升壓部分。溫度傳感器置于恒溫V I c 12 0 4 0 1 9 60 . 7 4 4 0 . 0 1 1 9 1 . 0 6 4 * 1 0T 槽內(nèi)，檢測(cè) 溫度信號(hào)轉(zhuǎn) 化成電信號(hào)輸出給信號(hào)放大電路。信號(hào)放大電路將接受來(lái)的電信號(hào)進(jìn)一步放大 ，輸出電壓，電流更大的電信號(hào)，輸出給升壓 電路 ，控制 升壓電路，輸出更高的電壓給予 圖 6 度傳感電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中溫度傳感部分 主要元器件采用集成溫度傳感器 該集成溫度傳感元件，溫度檢測(cè)精確，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于多數(shù) 溫度傳感 成的集成溫度傳感元件， 所示： 表 1 引腳號(hào) 引腳名稱(chēng) 功能 1 過(guò)一個(gè) 2 A 需要接地 3 度傳感器的輸出端 4 B 需要接電源 5 地 成溫度傳感器 ,只有五個(gè)引腳， 外圍電路簡(jiǎn)單 ,線(xiàn)路鏈接易于接線(xiàn)和檢查。工作 電源電壓在 2. 7 5. 5 裝形式 ， 體積小 ， 功耗低 ， 它的輸出電壓為 溫度的線(xiàn)性函數(shù) ， 在 - 20 85 范圍內(nèi)非線(xiàn)性誤差僅為 0. 4 ， 完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求 。 7） ： ( 0 4 ) / 0 1 9 (7) 由上式可以看出，該傳感器的溫度與電壓成線(xiàn)性關(guān)系，經(jīng)變換得到下式 （ 8） ： (8) 由上式可知 0 時(shí) 輸出的電壓為 744 出斜率為 11. 9 。 其實(shí)上 述（ 7）（ 8）式為近似關(guān)系式 ，精確關(guān)系式如（ 9），但是后項(xiàng)系數(shù)較小，通常情況下可以忽略，只有非常精確的系統(tǒng)中能夠用到。本設(shè)計(jì)中采用上述（ 8）式的近似計(jì)算。 (9) 溫度傳感電路 信號(hào)放大電路 升壓電路 13 溫度傳感電路 溫度傳感電路原理圖如圖 7所示 ，芯片連接 5溫度傳感器置于恒溫槽內(nèi)監(jiān)測(cè)溫度，由 T。 圖 7 溫度 傳感電路 號(hào)放大電路 設(shè)計(jì) 上述溫度傳感電路在溫度 0 時(shí)，所輸出的電壓信號(hào)只有 744使在更高的溫度條件下，比如 30 式輸出電壓也只有 何況還有的溫度條件下，輸出電壓更小。這樣的電壓還不足以驅(qū)動(dòng)直流升壓電路，所以要在溫度傳感電路后面加一級(jí)信號(hào)放大電 路。 該信號(hào)放大電路采用 該芯片能夠工作在 125之間， 通過(guò)可調(diào)變阻器形成反饋回路，如圖 8所示： 圖 8 信號(hào)放大電路 該信號(hào)放大電路通過(guò) 1放大，由 電路的傳遞函數(shù)如下式（ 10） : *U A U 14 (10) 其中 大小由 關(guān)系式如下式（ 11）所示： 2 1 3( ) / R R (11) 表面上看來(lái)該電路的設(shè)計(jì) 是正確的，但是聯(lián)系到后級(jí)電路的設(shè)計(jì)綜合考慮還是存在一定問(wèn)題的。 似于線(xiàn)性關(guān) 系，以一種典型的硅光電二級(jí)管為例其偏壓傳遞函數(shù)為 ： V） =。 可以抽象出一般 溫度傳遞函數(shù)為 ： d+其函數(shù)圖象如 9（ a）所示。再來(lái)看一下以上所設(shè)計(jì)的溫控偏壓補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)，將式（ 14）代入式（ 16）可得*(744T * )=函數(shù)圖象如下圖 9（ b）所示 。下圖另 K=保證里兩條直線(xiàn)的斜率相同，可以得到一個(gè) 個(gè)值可以通過(guò)調(diào)節(jié) 關(guān)系得到。但是這個(gè)唯一確定的 d=很難保證兩條直線(xiàn)的截距相同，于是就出現(xiàn)了下圖中兩條直線(xiàn)不重合的現(xiàn)象。 圖 9 偏壓 出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因在于沒(méi)有給放大后的電壓信號(hào)一個(gè)基礎(chǔ)電壓，換言之，該信號(hào)的放大電路是從零開(kāi)始。而 隨溫度變化部分的電壓是在一定的電壓基礎(chǔ)之上變化的。所以該信號(hào)放大電路需要加給信號(hào)一個(gè)基礎(chǔ)電壓值，基礎(chǔ)電壓值的大小由所需補(bǔ)償?shù)?溫度函數(shù)關(guān)系決定。 需要給信號(hào)一個(gè)參考電壓值就需要得到一個(gè)可調(diào)且穩(wěn)定的電壓。 電壓跟隨器就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的 電壓放大倍數(shù) 恒小于a b U T 0 d 15 且接近 1。電壓跟隨器 一般起到 緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。共集電路的輸入 高阻 抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈 高阻狀態(tài) ，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到 “隔離 ”作用。電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以 “隔離 ”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱(chēng)之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。 電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特 點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備 隔離作用 ，即使前、后級(jí)電路之間互不影 。 進(jìn)入電壓跟隨器的電壓需要經(jīng)過(guò)一級(jí) 分壓電阻，將 5V 的電源電壓分壓為所需要的參考電壓，設(shè)計(jì)電路圖如下： 改進(jìn)后的信號(hào)放大電路如下 圖 10所示：圖 10 信號(hào)放大電路（改進(jìn)） 該電路為為同相求和電路，電路由兩部分組成即為電壓跟隨器 1。電源電壓通過(guò) 6分壓進(jìn)入電壓跟隨器 2穩(wěn)壓后得到一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，再將這個(gè)參考電壓加到上一級(jí)的信號(hào)電壓 相加后的電壓信號(hào)送給運(yùn)放 改進(jìn)后的放大電路的輸出電壓與信號(hào)電壓的函數(shù)關(guān)系如下式（ 12）： () U U（ 12） 4 2 6 4 2( ) / ( )R E F P C C U R R R （ 13） 根據(jù)電路需要可以調(diào)整 R 以通過(guò)調(diào)整16 經(jīng) 實(shí)例（見(jiàn) 證，該信號(hào)放大電路能夠適應(yīng) 信號(hào)放大電路有兩個(gè)可調(diào)量降低了后級(jí)電路的設(shè)計(jì)難度，原則上講該電路能夠適應(yīng)任何線(xiàn)性升壓電路。該電路的 1均采用 運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，誤差小適應(yīng)于高精度的信號(hào)放大。 壓電路 設(shè)計(jì) 經(jīng)信號(hào)放大電路后的電壓信號(hào)只有幾伏，不足以滿(mǎn)足 需要加一級(jí)升壓電路。本設(shè)計(jì) 采用集成芯片 充電速度快，充電電流大能夠迅速的給出 300它具有以下特點(diǎn)： 充電電流大，能夠快速對(duì)相機(jī)閃光燈電容器進(jìn)行充電。 微功耗 (靜態(tài)工作電流僅為 5工作電壓范圍寬 (16V)。 允許使用體積較小的高頻變壓器，且無(wú)需電壓分壓器。 高效回掃工作 (80%)，輸出電壓可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。 該芯片的充 電響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖 11所示，由下圖可以看出該芯片的響應(yīng)速度較快，適合于快速跟蹤變壓，負(fù)荷 圖 11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 12 所示。當(dāng) 觸發(fā)器輸出高電平， 壓器 較器 旦峰值電流達(dá)到 時(shí) 1整流，產(chǎn)生高壓對(duì)閃光燈電容 腳電壓下降；當(dāng) 61的輸出翻轉(zhuǎn)成低電平，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖使 17 變壓器 2組成輸出電壓檢測(cè)電路。 1、 2與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng) 而使主觸器復(fù)位， 壓器 有在 電電路才會(huì)繼續(xù)對(duì) 圖 12 部結(jié)構(gòu)框圖 3所示： 18 圖 13 以上為 800體的升壓比例由 相關(guān)參數(shù)如下表 2所示： 表 2 名稱(chēng) 圖中符號(hào) 參數(shù) 輸入電壓 件電壓 0V 充電電壓 0V 驅(qū)動(dòng)電壓 0V 驅(qū)動(dòng)端 電流 1常工作溫度 85 短時(shí)工作溫度 150 焊接最高溫度 300 基于 根據(jù) 電路 為典型的升壓電路，通過(guò)該變 路圖如圖 14所示。 該電路中 出電壓取決于初級(jí)次級(jí)線(xiàn)圈比。通過(guò)感應(yīng) 其輸出一個(gè) 300電路通過(guò)強(qiáng)制改變它的充放電 周期，使其產(chǎn)生一個(gè)0300出電壓取決于控制電壓（ 如圖 14 所示， 1和 19 大于采樣后的輸出電壓（ 閉 饋電容 止抖動(dòng)。 持關(guān)斷狀態(tài)，直到采樣輸出電壓低于控制電壓（ 該電路一直應(yīng)用相機(jī)閃光燈充電，電路可以良好的工作，且能夠快速的給出300能夠快速跟蹤控制端電壓，是難得的直流升壓裝置。但該 電路原用途是給照相機(jī)閃光燈電容充電，對(duì)紋波和輸出電壓要求不嚴(yán)格。電路缺少濾波部分，輸出的電壓噪聲較大，波紋較為明顯。顯然該電路不能滿(mǎn)足 電電源要求。因此要想運(yùn)用 小輸出電壓的波紋，得到更加穩(wěn)定的直流高壓。 圖 14 基于 于 0 行偏壓補(bǔ)償，通過(guò)溫度傳感電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將該 電信號(hào)進(jìn)行放大 輸出給放大電路。該過(guò)程中信號(hào)采集，信號(hào)放大過(guò)程中存在微小誤差是不可避免的，但是經(jīng)過(guò)升壓電路之后該誤差被大功率的放大，在加上升壓電路本身的輸出波紋很容易電壓不穩(wěn)定使得 以升壓電路的設(shè)計(jì)必須加上一級(jí)精確的濾波電路。通常情況下電壓濾波有以下幾種方法： 加大電感和輸出電容濾波 根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系： Cof)。 可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。 通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且 比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。 同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓 變，但是電流是隨開(kāi)關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端 (以 為例，是近 )，并聯(lián)電容來(lái)提供電流。 二級(jí)濾波，就是再加一級(jí) 波器 波器對(duì)噪紋波的抑制作用比 較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。 采樣點(diǎn)選在 波器之前 (輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。 采樣點(diǎn)選在 波器之后 (這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 開(kāi)關(guān)電源輸出之后，接 性穩(wěn)壓） 濾波 這是減少紋波和噪 聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。 任何一款 有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。 對(duì)減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的 線(xiàn)也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問(wèn)題。有專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)電源 程師，對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專(zhuān)門(mén)的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容 C 或