[發明專利]應用于微弱熒光測量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路

有效

• 申請號: 201410046068.3
• 申請日: 2014-02-10
• 公開（公告）號: CN103837512A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 武曉東;陳忠祥;王策;馬玉婷;裴智果;鐘金鳳;嚴心濤;吳云良
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;H01L31/107
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹毅

技術領域

本發明屬于生物醫學檢測領域，具體涉及應用于微弱熒光測量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路。

背景技術

在生物醫學領域，熒光技術常被用來進行物質的定性及定量測量、細胞表面免疫蛋白研究、DNA含量測定等。由于熒光強度非常微弱，而APD（雪崩二極管）可以實現雪崩倍增，并且量子效率高，價格便宜，因此常被用來測試熒光強度。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，因此為了保證測量結果準確性，需要提供穩定的偏置電壓，以保證APD準確的進行熒光強度的測量。

APD在光通信領域，已經得到了非常廣泛的應用，如美國專利US5625181A，US6031219A，US6643472B1等，但是與其在生物醫學領域的應用需求有著很大的不同。光通信中光電接收機通常只需要分辨光信號的’0’（無）和’1’（有）的區別，而在生物醫學領域對熒光的研究不只停留在’0’（無）和’1’（有）的階段，而是要分辨出兩種以上，甚至8種不同的強度信號（流式細胞儀應用），并且要保證良好的線性度，因此對于APD輸出的偏置電壓的穩定性要求更為嚴格。

美國專利US5625181A所述的光接收系統主要由SELF-BIAS?SECTION（自偏置部分），APD?BIAS?CONTROL?LOOP?SECTION（雪崩二極管偏置控制環部分），TEMPERATURE?COMPENSATION?SECTION（溫度補償部分）三部分組成，其存在兩方面的問題：

1、偏置電壓輸出會隨著光信號的增大而減小。在自偏置部分中，當光信號增大時，流過APD的電流會增大，而該電流通過R1形成壓降會增大（通常R1也比較大1M左右），這會導致APD的偏置電壓降低；

2、偏置電壓會隨著溫度的漂移而變化。在雪崩二極管偏置控制環部分，當溫度漂移時，TR1的PN結固有的溫漂為2mv/℃，即其中TR1的基極和發射極間的電壓（Vbe）具有2mv/℃的溫度漂移，總的溫度漂移可用下式計算：?????????????????????????????????????????????????，?假設R1/R4等于50，溫度漂移2℃，則偏置電壓漂移200mV，這樣的偏置電壓漂移將導致APD的增益變化，從而影響結果的準確性。雖然具有溫度補償部分，但是TR1的溫漂系數只是一個大概的值，對每一個模塊都進行精細的實驗來進行補償也是不現實的，所以TR1通常只是用來補償由于溫度變化而引起的APD增益的變化。

發明內容

本發明的目的是為了克服傳統APD高壓偏置電路的偏置電壓輸出會隨著光信號的增大而減小和偏置電壓會隨著溫度的漂移而變化的問題，使APD可以更準確地進行生物熒光方面的測試。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

應用于微弱熒光測量的雪崩二極管APD的高壓偏置電路，包括控制信號單元、控制信號調理單元、無溫漂放大單元、輸出緩沖單元和反饋單元，所述控制信號單元輸出的控制信號經過所述信號調理單元調整以后使其輸出信號適合特定的APD管，該輸出信號經過所述無溫漂放大單元放大，輸出一個高壓電信號，該電信號經過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過所述反饋單元輸出反饋信號輸入到所述信號調理單元中形成反饋回路，其中：

所述無溫漂放大單元主要包括兩個互補的PNP型三極管和第一NPN型三極管，其中所述PNP型三極管的發射極連接所述第一NPN型三極管的基級；

進一步的，所述控制信號單元包括溫度測量芯片，所述信號調理單元主要包括加法器，所述溫度測量芯片的輸出端通過可調電阻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端Vctrl，所述加法器的輸出端還連接所述PNP型三極管的基級；

優選的，所述可調電阻R22的值根據雪崩二極管的溫度系數調節，補償隨著溫度變化而引起的雪崩二極管的增益的變化。

進一步的，所述輸出緩沖單元包括一個第二NPN型三極管，所述第二NPN型三極管的基級連接所述第一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。

優選的，所述電阻R51可由兩個或者多個電阻并聯而成。

優選的，所述電阻R52可由兩個電阻或多個電阻串聯而成。

本發明的有益效果是: