應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管apd的高壓偏置電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，包括控制信號(hào)單元、控制信號(hào)調(diào)理單元、無(wú)溫漂放大單元、輸出緩沖單元和反饋單元，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)控制信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)過(guò)無(wú)溫漂放大單元放大得到所需要的偏置電壓值，再經(jīng)過(guò)輸出緩沖單元以及反饋單元控制輸出的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用元器件之間的溫度漂移系數(shù)相互耦合的辦法，消除了以往高壓偏置電路的電壓隨溫度漂移的問(wèn)題，具有高溫度穩(wěn)定性的高壓輸出，輸出不隨信號(hào)增大而下降等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足APD工作時(shí)的高壓偏置需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熒光技術(shù)常被用來(lái)進(jìn)行物質(zhì)的定性及定量測(cè)量、細(xì)胞表面免疫蛋白研究、DNA含量測(cè)定等。由于熒光強(qiáng)度非常微弱，而APD (雪崩二極管)可以實(shí)現(xiàn)雪崩倍增，并且量子效率高，價(jià)格便宜，因此常被用來(lái)測(cè)試熒光強(qiáng)度。APD正常工作需要幾十到幾百伏的高壓偏置，其倍增因子隨著電壓的升高而變化，因此為了保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，需要提供穩(wěn)定的偏置電壓，以保證APD準(zhǔn)確的進(jìn)行熒光強(qiáng)度的測(cè)量。
[0003]APD在光通信領(lǐng)域，已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，如美國(guó)專(zhuān)利US5625181A，US6031219A，US6643472B1等，但是與其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用需求有著很大的不同。光通信中光電接收機(jī)通常只需要分辨光信號(hào)的’O’(無(wú))和’I’(有)的區(qū)別，而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)晒獾难芯坎恢煌Ａ粼凇?O’(無(wú))和’I’(有)的階段，而是要分辨出兩種以上，甚至8種不同的強(qiáng)度信號(hào)(流式細(xì)胞儀應(yīng)用)，并且要保證良好的線(xiàn)性度，因此對(duì)于Aro輸出的偏置電壓的穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格。
[0004]美國(guó)專(zhuān)利US5625181A所述的光接收系統(tǒng)主要由SELF-BIAS SECTION (自偏置部分)，APD BIAS CONTROL LOOP SECTION (雪崩二極管偏置控制環(huán)部分)，TEMPERATURECOMPENSATION SECTION (溫度補(bǔ)償部分)三部分組成，其存在兩方面的問(wèn)題:
1、偏置電壓輸出會(huì)隨著光信號(hào)的增大而減小。在自偏置部分中，當(dāng)光信號(hào)增大時(shí)，流過(guò)APD的電流會(huì)增大，而該電流通過(guò)Rl形成壓降會(huì)增大(通常Rl也比較大IM左右)，這會(huì)導(dǎo)致APD的偏置電壓降低；
2、偏置電壓會(huì)隨著溫度的漂移而變化。在雪崩二極管偏置控制環(huán)部分，當(dāng)溫度漂移時(shí)，TRl的PN結(jié)固有的溫漂為2mv/ V,即其中TRl的基極和發(fā)射極間的電壓(Vbe)具有2mv/ V的溫度漂移，總的溫度漂移可用下式計(jì)算:
m
-KJ>-2mv iC,假設(shè)R1/R4等于50，溫度漂移2°C，則偏置電壓漂移200mV，這樣的偏置電壓K4
漂移將導(dǎo)致APD的增益變化，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然具有溫度補(bǔ)償部分，但是TRl的溫漂系數(shù)只是一個(gè)大概的值，對(duì)每一個(gè)模塊都進(jìn)行精細(xì)的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償也是不現(xiàn)實(shí)的，所以TRl通常只是用來(lái)補(bǔ)償由于溫度變化而引起的APD增益的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)APD高壓偏置電路的偏置電壓輸出會(huì)隨著光信號(hào)的增大而減小和偏置電壓會(huì)隨著溫度的漂移而變化的問(wèn)題，使Aro可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行生物突光方面的測(cè)試。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn): 應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，包括控制信號(hào)單元、控制信號(hào)調(diào)理單元、無(wú)溫漂放大單元、輸出緩沖單元和反饋單元，所述控制信號(hào)單元輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)所述信號(hào)調(diào)理單元調(diào)整以后使其輸出信號(hào)適合特定的Aro管，該輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)所述無(wú)溫漂放大單元放大，輸出一個(gè)高壓電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)所述輸出緩沖單元以后輸出APD管的偏置電壓，所述輸出緩沖單元的輸出電壓經(jīng)過(guò)所述反饋單元輸出反饋信號(hào)輸入到所述信號(hào)調(diào)理單元中形成反饋回路，其中:
所述無(wú)溫漂放大單元主要包括兩個(gè)互補(bǔ)的PNP型三極管和第一 NPN型三極管，其中所述PNP型三極管的發(fā)射極連接所述第一 NPN型三極管的基級(jí)；
進(jìn)一步的，所述控制信號(hào)單元包括溫度測(cè)量芯片，所述信號(hào)調(diào)理單元主要包括加法器，所述溫度測(cè)量芯片的輸出端通過(guò)可調(diào)電阻R22連接所述加法器的反相輸入端，所述加法器的反相輸入端還連接控制信號(hào)端Vctrl，所述加法器的輸出端還連接所述PNP型三極管的基級(jí)；
優(yōu)選的，所述可調(diào)電阻R22的值根據(jù)雪崩二極管的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)，補(bǔ)償隨著溫度變化而引起的雪崩二極管的增益的變化。
[0007]進(jìn)一步的，所述輸出緩沖單元包括一個(gè)第二 NPN型三極管，所述第二 NPN型三極管的基級(jí)連接所述第一 NPN型三極管的集電極，所述反饋單元包括分壓電阻R51和電阻R52，所述電阻R52的一端連接所述第二 NPN型三極管的發(fā)射極，另一端分別連接所述加法器的正向輸入端和所述電阻R51，所述電阻R51的另一端接地。
[0008]優(yōu)選的，所述電阻R51可由兩個(gè)或者多個(gè)電阻并聯(lián)而成。
[0009]優(yōu)選的，所述電阻R52可由兩個(gè)電阻或多個(gè)電阻串聯(lián)而成。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用元器件之間的溫度漂移系數(shù)相互耦合的辦法，消除了以往高壓偏置電路的電壓隨溫度漂移的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)高溫度穩(wěn)定性的高壓輸出，滿(mǎn)足Aro工作時(shí)的高壓偏置需求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖；
圖2為本發(fā)明的偏置電路圖，其中為了敘述方便，圖中電阻21、可調(diào)電阻22、電阻23、電阻32、電阻34、電阻35、電阻51和電阻52在式子中分別對(duì)應(yīng)R21、R22、R23、R32、R34、R35、R51 和 R52。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0013]參照?qǐng)D1所示，應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管Aro的高壓偏置電路，包括控制信號(hào)單元1，控制信號(hào)調(diào)理單元2、無(wú)溫漂放大單元3、輸出緩沖單元4和反饋單元5 ；
參照?qǐng)D2所示，所述無(wú)溫漂放大單元3主要包括兩個(gè)互補(bǔ)的PNP型三極管31和第一NPN型三極管33，其中所述PNP型三極管31的發(fā)射極連接所述第一 NPN型三極管33的基級(jí)，并且通過(guò)電阻32接高電平Vcc，所述PNP型三極管31的集電極接地，所述第一 NPN型三極管33的發(fā)射極通過(guò)電阻35接地，并且其集電極通過(guò)電阻34接高電平HV ；所述控制信號(hào)單元I包括溫度測(cè)量芯片11，所述信號(hào)調(diào)理單元2主要包括加法器24，所述溫度測(cè)量芯片11的輸出端通過(guò)可調(diào)電阻22連接所述加法器24的反相輸入端，所述加法器24的反相輸入端還分別通過(guò)電阻21和電阻23連接控制信號(hào)端Vctrl和加法器24的輸出端，所述加法器24的輸出端還連接所述PNP型三極管31的基級(jí)；
所述輸出緩沖單元4包括一個(gè)第二 NPN型三極管41，所述第二 NPN型三極管41的基級(jí)連接所述第一 NPN型三極管33的集電極，所述第二 NPN型三極管41的集電極接高電平HV，所述反饋單元5包括分壓電阻51和電阻52，所述電阻52的一端連接所述第二 NPN型三極管41的發(fā)射極，另一端分別連接所述加法器24的正向輸入端和所述電阻51，所述電阻51的另一端接地。
[0014]繼續(xù)參照?qǐng)D2，本實(shí)施例中設(shè)定加法器24的控制信號(hào)的比例系數(shù)kl=R23/R21，
加法器24溫度測(cè)量芯片輸出信號(hào)的比例k2=R23/R22，無(wú)溫漂放大單元3的增益系數(shù)
M=R34/R35,反饋單元5反饋系數(shù)β =R51/(R51+R52)，輸出的AH)偏置電壓為Vapd，輸
入控制信號(hào)Vctrl，溫度測(cè)量芯片輸出信號(hào)Vt，失調(diào)值b (是指三極管31及三極管33
之間的不匹配值以及三極管41的Vbe的共同影響因素)，于是輸出與輸入有如下關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，包括控制信號(hào)單元(1)，控制信號(hào)調(diào)理單元(2)、輸出緩沖單元(4)和反饋單元(5)，其特征在于，還包括無(wú)溫漂放大單元(3)，其中: 所述無(wú)溫漂放大單元(3)主要包括兩個(gè)互補(bǔ)的PNP型三極管(31)和第一 NPN型三極管(33)，其中所述PNP型三極管(31)的發(fā)射極連接所述第一 NPN型三極管(33)的基級(jí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，其特征在于，所述控制信號(hào)單元(I)包括溫度測(cè)量芯片(11 )，所述信號(hào)調(diào)理單元(2 )主要包括加法器(24)，所述溫度測(cè)量芯片(11)的輸出端通過(guò)可調(diào)電阻(22)連接所述加法器(24)的反相輸入端，所述加法器(24)的反相輸入端還連接控制信號(hào)端Vctrl，所述加法器(24)的輸出端還連接所述PNP型三極管(31)的基級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，其特征在于，所述可調(diào)電阻(22)的值根據(jù)雪崩二極管的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)，補(bǔ)償隨著溫度變化而弓I起的雪崩二極管的增益的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，其特征在于，所述輸出緩沖單元(4)包括一個(gè)第二 NPN型三極管(41)，所述第二 NPN型三極管(41)的基級(jí)連接所述第一 NPN型三極管(33)的集電極，所述反饋單元(5)包括分壓電阻(51)和電阻(52)，所述電阻(52)的一端連接所述第二 NPN型三極管(41)的發(fā)射極，另一端分別連接所述加法器(24)的正向輸入端和所述電阻(51)，所述電阻(51)的另一端接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，其特征在于，所述電阻(51)可由兩個(gè)或者多個(gè)電阻并聯(lián)而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用于微弱熒光測(cè)量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，其特征在于，所述電阻(52)可由兩個(gè)電阻或多個(gè)電阻串聯(lián)而成。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK103837512SQ201410046068
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】武曉東, 陳忠祥, 王策, 馬玉婷, 裴智果, 鐘金鳳, 嚴(yán)心濤, 吳云良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所