在基于喇曼散射的分布式光纖測溫系統中，根據短脈沖激光在傳感光纖中各點產生的喇曼后向散射的反斯托克斯光與斯托克斯光的比值，實現待測溫度場的空間測量。在常溫下，光纖中的后向喇曼散射光的強度僅為入射光強度的 10-9，后向散射光信號非常微弱，因此光電探測器需要采用高靈敏度、高雪崩增益、快速響應、低噪聲的硅或銦鎵砷 APD。銦鎵砷 APD適用于近紅外波段，而在通信光纖中，喇曼后向散射光的波長處于近紅外波段因此一般選用銦鎵砷 APD作為分布式光纖測溫系統的光電探測器件，本研究選用 HAMAMATSU 公司的銦鎵砷 APD G8931-20 為目標 APD。

　　APD 作為信號接收器件雖然具有高信噪比的優點，但卻需要較高的偏置電壓，而且其增益隨溫度變化，因而應用時應對其做偏壓溫度補償，以保證APD 增益恒定。對于現有的溫度補償方法，大部分需要對溫度測量后使用微處理器控制，還有一些電路設計比較復雜［2］，為此，本文設計了一種基于 LM35 高靈敏度模擬溫度傳感器和 ADL5317 的低紋波、電壓精確可控式 APD 偏壓溫度補償電路。

　　1、APD 增益與溫度關系

　　在溫度恒定的情況下，偏置電壓（UR）與反向擊穿電壓（UBR）的比值（k）決定 APD 的增益大小，k 越大增益越大。 但是，APD 的反向 UBR 對溫度變化比較敏感，隨溫度的升高，UBR 增大； 若 UR 不變，UBR 隨溫度會產生波動，導致 APD 的增益出現變化。 APD 增益的改變使得光信號的測量出現誤差。

　　由以上分析可知， 當溫度變化引起 APD 的反向UBR 產生變化時， 需要調整 APD 反向 UR （使得比值 k保持不變） 來維持 APD 增益的穩定。 假定溫度為 T0時 ，APD 的 反 向 擊 穿 電 壓 為 UBR0 （ 可 以 從 APD 的datasheet 中得到數據），設定其偏執電壓為 UB0，可得到APD 的偏壓修正公式：

　　式（1）為 APD 偏壓溫度補償電路的基礎公式，其中 α 為 APD 的溫度系數，k 通常取值 0.9，以實現 APD的最佳倍增增益。

　　2、APD 偏壓溫度補償電路設計

　　2.1、ADL5317 驅動電路設計

　　ADL5317 驅動電路如圖 1 所示。 芯片 1~16 引腳依次為集電極開路邏輯輸出端（FALT）、APD 偏壓輸入控 制 端（VSET）、低 電 壓 供 電 端（VPLV）、高 電 壓 供 電 端（VPHV）、工作模式控制端（VCLH）、APD 反向偏壓供電端（VAPD）、VAPD 跟 蹤 及 噪 聲 過 濾 端（GARD）、APD 電流鏡像輸出端（IPDM），以及模擬地（COMM）。 ADL5317的 VAPD 端提供 APD 工作的反向偏置電壓，IPDM 端能夠同時以 1:5 的比例提供 APD 的鏡像電流，由于設計中僅需要提供 APD 偏壓， 故舍棄了其電流鏡像電路，簡化了電路設計。

　　2.2、ADL5317 線性工作模式下的電壓輸出

　　ADL5317 有兩種工作模式，即電源跟蹤工作模式和線性工作模式［2］。 圖 1 的設計為線性工作模式。 在線性工作模式下，VSET 端的變化范圍在 0.2~2.5V，通常將 VPHV 端 和 VCLH 端 短 接 ， 短 接 后 能 夠 增 強ADL5317 電壓輸出端的電壓變化，電壓變化范圍最高可達 75V。 表 1 給出了 VAPD 端的輸出電壓范圍與提供的 VPHV 端高壓的關系。

　　根據 APDG8931-20 的反向擊穿電壓的范圍 40~60V，我們設計 VPHV 端接入 65V 的高壓，則 VAPD 端的輸出電壓范圍為 30~63.5V， 滿足 APD 雪崩偏壓的要求。

　　2.3、ADL5317 高壓輸入電路設計

　　根據 VPHV 端輸入 65V 的高壓的要求，我們選取了 MAXIM 公司的 MAX5026 芯片。 MAX5026 是一個脈沖寬度調制的低噪聲、 高輸出電壓升壓轉換芯片，具有 500kHz 開關頻率， 內部使用具有 40V 的極限耐壓的橫向 DMOS 開關器件，脈寬可調，能夠提供一個低噪聲直流電壓源， 滿足 ADL5317 高壓電源設計要求。 MAX5026 構成的高壓電源電路設計如圖 2 所示。

　　在圖 2 所示的電路中，C23、D22、D23 和 C24 構成倍壓網絡，使得輸出能夠達到 71V。 當由 MAX5026 組成的升壓電路的 FB 端的電壓為 2.5V 時，則輸出 71V的高電壓。 通過調節反饋電阻 R23， 控制 FB 端的電壓，使得輸出端電壓為 65V，滿足 ADL5317 高壓供電端要求。經實際測試最高輸出可達 71V，調整后確定輸出 65V 接入電路。 經實際測試，電源紋波小于 20mV。

　　2.4、溫度補償控制電路設計

　　在ADL5317 的線性工作模式下，VSET 端上的輸入電壓的范圍為 0.2～2.5V，VAPD 端的輸出電壓隨 VSET端輸入電壓的變化而發生改變，其電壓變換關系為

　　由式（2）可知，只需要控制 VSET 端的輸入電壓，能精確控制 VAPD 端的輸出電壓，即 APD 偏置電壓。溫度傳感器采用 TI 公司的高精度模擬溫度傳感器 LM35，其 電 源 電 壓 在 4~20V 內 都 能 正 常 工 作，在-55℃~+150℃的范圍內非線性誤差僅為 0.25℃， 符合系統要求。 LM35 的溫度電壓傳輸函數為：

　　由式（3）可知，輸出斜率為 10mV/℃。 傳感器的工作電路如圖 3 所示。

　　電壓控制變換電路采用 LM358 運算放大器，包括電壓跟隨電路和同相求和電路。 如圖 4 所示，電源電壓 VCC 經 過 R31、R32 和 R35 分壓后，通過電壓跟隨器 U3A 得到一 個 穩 定 的 參 考 電 壓 值 設 為VREF，這個參考電壓值與 LM35 的輸出電壓 VT 求和，并通過同相加法 器 U3B 輸 出 給 ADL5317 的VSET 端。電路的輸出與各輸入節點電壓的關系為：

　　式（6）中，RP 為 R37、R38 和 R39 并聯的阻值，RN 為R36 和 R310 并聯的阻值。 通過調節 R310 可以改變加法器的增益 A，調節 R35 可以改變參考電壓 VREF 的大小。 電路中的所有電阻均采用 0.1%的高精度電阻，對于不同的 APD，只需通過調節 R310 和R35，即能滿足其溫度補償的要求。

　　3.2 測試結果

　　根據式 （7） 可得到 APDG8931-20 的理想偏壓 UR

　　與溫度 T 的關系，為了對電路的補償效果進行測試，將溫度傳感器置于恒溫箱中，測試不同溫度下的ADL5317 的 VAPD 端電壓輸出，其結果如表 2 所示。從表 2 可以得出，實際電路的輸出電壓值與理想偏壓UR 的線性相關系數為0.999419， 最大誤差為0.129V，相對誤差小于 0.24%，由此可見實際電壓輸出與理想偏壓具有較好的一致性。 若不采取溫度補償，選取某一溫度下的理論值作為 APD 偏壓值，將會造成最大達到 7.92V 的偏壓誤差，大大降低了 APD 的探測靈敏度，對整個分布式光纖測溫系統造成巨大誤差。