專利名稱：數(shù)控高精度高穩(wěn)定apd偏置電壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子密碼通信類，具體涉及一種單光子探測(cè)技術(shù)中APD(雪崩光電二極管)工作所需的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路。
背景技術(shù)：
量子密碼通信技術(shù)是將密碼信息加載于單光子上，單光子在光纖中傳遞從而實(shí)現(xiàn)密碼信息的傳遞，任何竊聽單光子信息用戶在獲得單光子時(shí)就改變了單光子原來(lái)的狀態(tài)，這樣在被通信的另一方就會(huì)發(fā)現(xiàn)信息被竊聽，該信息就失效。在量子保密通信中，單光子探測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，在單光子探測(cè)器探測(cè)單光子信號(hào)時(shí)，要給雪崩光電二極管提供正常工作的偏置電壓，偏置電壓的大小將影響雪崩光電二極管檢測(cè)和放大單光子信號(hào)時(shí)噪聲的大小，噪聲越大誤計(jì)數(shù)就越大，探測(cè)器的性能就越差，同時(shí)偏置電壓在雪崩光電二極管恰能正常檢測(cè)和放大單光子所觸發(fā)的雪崩信號(hào)的臨界值之上時(shí)，偏置電壓越大所觸發(fā)的非單光子雪崩信號(hào)就越多，這些假單光子雪崩信號(hào)也會(huì)使探測(cè)器的誤計(jì)數(shù)率增大，從而使探測(cè)器的性能下降，在這兩方影響中第一種影響可以通過提高偏置電壓的精度得到改善，第二種影響可以通過提高偏置電壓的精度得到解決；另外偏置電壓的穩(wěn)定性將影響雪崩光電二極管檢測(cè)和放大單光子信號(hào)時(shí)噪聲的大小，這也成為提高探測(cè)器的一個(gè)制約因素。然而模擬方式調(diào)節(jié)偏置電壓容易引入人為因素造成的偏置電壓的誤差，且不容易在單光子探測(cè)器中數(shù)字集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高穩(wěn)定、高精度、低線性誤差，通過數(shù)字調(diào)節(jié)，減少人為誤差并且容易進(jìn)行系統(tǒng)集成的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，由相互連接的一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧投?jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獦?gòu)成，一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮檎鞣€(wěn)壓電路，二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮榇?lián)穩(wěn)壓電路，該串聯(lián)穩(wěn)壓電路由調(diào)整單元、采樣單元、數(shù)控單元、比較單元和放大單元組成，采樣單元采集偏置電壓的樣本，一部分作為反饋控制信號(hào)，輸出給比較單元；另一部分輸入數(shù)控單元，在數(shù)控單元中轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)電壓，也送到比較單元，在比較單元中將基準(zhǔn)電壓和反饋信號(hào)比較后輸出一個(gè)誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)放大單元放大，驅(qū)使調(diào)整單元調(diào)整輸出電壓值。
進(jìn)一步，所述數(shù)控單元由依次相連接的控制部分、光電隔離單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換部分組成，在控制部分主要實(shí)現(xiàn)偏置電壓的數(shù)字化設(shè)定，光電隔離單元實(shí)現(xiàn)控制部分與數(shù)模轉(zhuǎn)換部分之間的電源隔離，數(shù)模轉(zhuǎn)換部分將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。
進(jìn)一步，所述控制部分由控制器電源和控制器單元組成，控制器電源與控制器單元相連接用來(lái)對(duì)控制器單元供電。
進(jìn)一步，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換部分包括鎖存器單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、輸出電壓微調(diào)單元及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元電源，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元為數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的各部件供電，鎖存器單元連接所述控制器單元與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元連接輸出電壓微調(diào)單元。
進(jìn)一步，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元為0.003％低線性誤差、0.15％低增益誤差、低零值誤差的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
進(jìn)一步，所述采樣單元為5ppm/℃的低溫漂電阻所構(gòu)成的電阻取樣網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步，所述一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮橐来芜B接的變壓器、整流橋、濾波單元及穩(wěn)壓?jiǎn)卧?br> 采用上述結(jié)構(gòu)后，由于本發(fā)明的電壓電路中采用了數(shù)控單元，從而可高精度、低線性誤差地實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置電壓的高精度設(shè)定，得到高穩(wěn)定、低溫飄偏置電壓，由于數(shù)控單元的運(yùn)用，使該電壓電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)，減少了人為誤差也更容易進(jìn)行系統(tǒng)集成。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖；圖2是本發(fā)明一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧脑硎疽鈭D；圖3是本發(fā)明數(shù)控單元的原理示意圖；圖4是本發(fā)明的電路原理圖；圖5是本發(fā)明數(shù)控單元的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明本發(fā)明如圖1所示，本發(fā)明數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路由兩級(jí)穩(wěn)壓電路構(gòu)成，一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?和二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?為整流穩(wěn)壓電路，該整流穩(wěn)壓電路為通用型穩(wěn)壓整流電路，二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?為串聯(lián)穩(wěn)壓電路，該串聯(lián)穩(wěn)壓電路由調(diào)整單元、采樣單元、數(shù)控單元、比較單元和放大單元組成。
一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?的原理如圖2所示，220伏交流電經(jīng)變壓器11降壓后，給整流橋12提供所需的交流電源，整流橋12由全波整流電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)所輸入的交流電的全波整流，整流后的直流電經(jīng)濾波單元13進(jìn)一步濾除直流電中的脈動(dòng)成分，再送到穩(wěn)壓?jiǎn)卧?4進(jìn)一步穩(wěn)壓，即得到紋波較小的直流電，但該直流電的紋波還達(dá)不到APD所需偏置電壓的要求，因此還需要在二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?中進(jìn)一步減小。
上述直流電輸入二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，如圖1所示，二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?由調(diào)整單元21，采樣單元22，數(shù)控單元23，比較單元24和放大單元25構(gòu)成。采樣單元22采集偏置電壓的樣本，一部分作為反饋控制信號(hào)，輸出給比較單元24；另一部分輸入數(shù)控單元23，在數(shù)控單元23中高精度低溫飄D/A轉(zhuǎn)換器將控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬輸出電壓作為基準(zhǔn)電壓，也送到比較單元24，在比較單元24中將基準(zhǔn)電壓和反饋信號(hào)比較后輸出一個(gè)誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)放大單元25放大，驅(qū)使調(diào)整單元21中的調(diào)整管調(diào)整輸出電壓值，這樣就構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制電路，最終使輸出電壓得到穩(wěn)定，能有效地降低暗噪聲，降低單光子探測(cè)器的誤計(jì)數(shù)率。
數(shù)控單元23的原理如圖3所示，由控制部分24、光電隔離單元25和數(shù)模轉(zhuǎn)換部分26組成，控制部分24由控制器電源241和控制器單元242組成，控制器電源241與控制器單元242相連接用來(lái)對(duì)控制器單元242供電，在控制部分24主要實(shí)現(xiàn)偏置電壓的數(shù)字化設(shè)定；光電隔離單元25實(shí)現(xiàn)控制部分24與數(shù)模轉(zhuǎn)換部分26之間的電源隔離，以減小控制部分24對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換部分26的干擾，提高數(shù)模轉(zhuǎn)換部分26的穩(wěn)定性；數(shù)模轉(zhuǎn)換部分26包括鎖存器單元261、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元262、輸出電壓微調(diào)單元263及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元電源264，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元264為數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的各部件供電，鎖存器單元261主要實(shí)現(xiàn)控制器單元242的8位數(shù)據(jù)總線與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元262的12位數(shù)據(jù)輸入之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過對(duì)控制部分24的8位數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元262將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，作為二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?的數(shù)控基準(zhǔn)電壓源；輸出電壓微調(diào)單元263對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元262的模擬輸出電壓的滿標(biāo)度量程和零值進(jìn)行微調(diào)；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置電壓的高精度數(shù)控，在數(shù)模轉(zhuǎn)換單元262主要采用了0.003％低線性誤差，0.15％低增益誤差和低零值誤差的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置電壓的高精度線性數(shù)控。該高精度數(shù)控基準(zhǔn)電壓源作為二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧幕鶞?zhǔn)電壓能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)偏置電壓在0-70V范圍內(nèi)控制精度為1mV的高精度數(shù)控。
為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性，在采樣單元22，采用了5ppm/℃的低溫漂電阻構(gòu)成了電阻取樣網(wǎng)絡(luò)，以減少由于溫度變化造成電阻變化所引起取樣反饋信號(hào)的誤差。同時(shí)在數(shù)控單元中采用了10ppm/℃的低溫飄數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)控基準(zhǔn)電壓源，以減少由于溫度變化造成數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓變化所引起基準(zhǔn)電壓的誤差，這樣就可使偏置電壓穩(wěn)定性優(yōu)于1毫伏。
如圖4本發(fā)明電路原理圖所示，經(jīng)過一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸出的70V高壓通過插座J5與二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?相連，先經(jīng)過C5，C6和R8構(gòu)成的隔離濾波器濾波后，再送到調(diào)整管IRF630源極，IRF630漏極與R9相連，R9的另一端接到輸出，Q4的漏極與柵極之間所接的D2與R11，其作用是為了保護(hù)Q4，在電壓的輸出端由低溫飄電阻R13，R14和可調(diào)電位器R22構(gòu)成電阻取樣網(wǎng)絡(luò)，反饋電壓信號(hào)在OP07構(gòu)成的減法器與可控基準(zhǔn)電壓信號(hào)相減，其誤差值經(jīng)Q8放大作為調(diào)整管的控制信號(hào)送到Q4的柵極，這樣就可以穩(wěn)定輸出的偏置高壓。
如圖5數(shù)控單元的電路圖所示，U6，U11組成數(shù)據(jù)總線光電隔離電路，U13是控制信號(hào)光電隔離電路，減小控制電路與轉(zhuǎn)換電路之間干擾；U7和U9是鎖存數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制器的8位數(shù)據(jù)總線對(duì)DAC701的12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；R18，R24，R26構(gòu)成滿度調(diào)節(jié)電路，R23，R25，R17構(gòu)成零值調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC701輸出電壓的滿標(biāo)度量程和零值的微調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于由相互連接的一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧投?jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獦?gòu)成，一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮檎鞣€(wěn)壓電路，二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮榇?lián)穩(wěn)壓電路，該串聯(lián)穩(wěn)壓電路由調(diào)整單元、采樣單元、數(shù)控單元、比較單元和放大單元組成，采樣單元采集偏置電壓的樣本，一部分作為反饋控制信號(hào)，輸出給比較單元；另一部分輸入數(shù)控單元，在數(shù)控單元中轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)電壓，也送到比較單元，在比較單元中將基準(zhǔn)電壓和反饋信號(hào)比較后輸出一個(gè)誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)放大單元放大，驅(qū)使調(diào)整單元調(diào)整輸出電壓值。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述數(shù)控單元由依次相連接的控制部分、光電隔離單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換部分組成，在控制部分主要實(shí)現(xiàn)偏置電壓的數(shù)字化設(shè)定，光電隔離單元實(shí)現(xiàn)控制部分與數(shù)模轉(zhuǎn)換部分之間的電源隔離，數(shù)模轉(zhuǎn)換部分將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述控制部分由控制器電源和控制器單元組成，控制器電源與控制器單元相連接用來(lái)對(duì)控制器單元供電。
4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換部分包括鎖存器單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、輸出電壓微調(diào)單元及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元電源，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元為數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的各部件供電，鎖存器單元連接所述控制器單元與數(shù)模轉(zhuǎn)換單元連接輸出電壓微調(diào)單元。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元為0.003％低線性誤差、0.15％低增益誤差、低零值誤差的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述采樣單元為5ppm/℃的低溫漂電阻所構(gòu)成的電阻取樣網(wǎng)絡(luò)。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，其特征在于所述一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮橐来芜B接的變壓器、整流橋、濾波單元及穩(wěn)壓?jiǎn)卧?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控高精度高穩(wěn)定APD偏置電壓電路，由相互連接的一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧投?jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獦?gòu)成，一級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮檎鞣€(wěn)壓電路，二級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧獮榇?lián)穩(wěn)壓電路，該串聯(lián)穩(wěn)壓電路由調(diào)整單元、采樣單元、數(shù)控單元、比較單元和放大單元組成。由于本發(fā)明的電壓電路中采用了數(shù)控單元，從而可高精度、低線性誤差地實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置電壓的高精度設(shè)定，得到高穩(wěn)定、低溫飄偏置電壓并使該電壓電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)，減少了人為誤差也更容易進(jìn)行系統(tǒng)集成。
文檔編號(hào)G05F1/563GK1794127SQ20051012385
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者孫志斌, 楊捍東, 馬海強(qiáng), 翟光杰, 吳令安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所