一種雪崩光電二極體探測電路的製作方法
2023-09-17 08:54:30
專利名稱：一種雪崩光電二極體探測電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雪崩光電二極體(APD)探測電路。
背景技術：
在光纖通信、光纖傳感等系統中，光不論是作為信息傳輸的載體還是作為某物理量的傳感媒質，要想將信息或某物理量進行處理、記錄和顯示，必須把光信號轉變為電信號，而這一過程由光探測器來完成。基本的光探測器只能產生低量級的電信號，為實現進一步處理，必須對該電信號進行放大。一個光電探測器及其相應的放大電路構成光探測電路，即光接收器。在高靈敏度、高信噪比光探測電路應用中，雪崩光電二極體(APD)提供了一個低噪聲增益結構。它是利用光生載流子在高電場區內的雪崩效應而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應快等優點。APD的電流增益用倍增因子M表示，通常定義為倍增的光電流I1與不發生倍增效應時的光電流L之比。倍增因子與PN結上所加的反向偏壓V和PN結的材料有關,可以表為
M = I =——--(1)iO ( V 丫
I 一 -
V
\V B J式中，Vb為擊穿電壓…為外加反向偏壓；11為I 3，取決於半導體材料、摻雜分布以及輻射波長。所以，當外加電壓V增加到接近Vb時，M將趨近於無窮大，此時PN結將發生擊穿。應用中，最佳工作電壓不宜超過Vb，否則會不穩定進入擊穿；也不宜太小，會無雪崩倍增效應。由於注入APD的光信號本身很微弱，使得其輸出電流信號也很微弱，需要接入跨阻放大器進一步放大，如果採用放大集成晶片及電阻電容搭出跨阻放大器，其放大器等效的輸入電容會降低光電探測器的靈敏度和帶寬，增加放大器的輸出噪聲。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種靈敏度和信噪比高的APD探測電路。本實用新型包括如下技術方案一種雪崩光電二極體探測電路，包括依次連接的雪崩光電二極體電源、雪崩光電二極體集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極體電源產生的高壓加在雪崩光電二極體集成模塊兩端使雪崩光電二極體反偏；雪崩光電二極體集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極體和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉單端放大電路，其將雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經過第二級放大電路放大輸出。第一級放大電路包括放大器ICl及其外圍電路，第二級放大電路包括放大器IC2及其外圍電路。APD電源的輸出電壓HV通過電阻R4與APD集成模塊的陰極相連，APD集成模塊的接地端接地，APD集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯的電阻R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，APD集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯的電阻R8、R9與放大器ICl的負輸入
端相連。放大器ICl的正輸入端通過電阻R7接地，放大器ICl的負輸入端通過並聯的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連。放大器IC2的正輸入端通過電容C20接地；放大器IC2的負輸入端通過電阻R13接地，同時放大器IC2的負輸入端通過並聯的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連；放大器IC2的輸出端通過電阻R15輸出放大信號。本實用新型與現有技術相比具有如下優點(I)該探測電路比由APD和跨阻放大器搭建的電路具有更高的靈敏度和信噪比，並已成功應用於遠程分布光纖拉曼溫度傳感系統中，使系統達到較高的溫度精度和空間分
辨率；(2)該探測電路的結構簡單，成本低廉，可靠性高；(3)該探測電路中的APD集成模塊採用差分輸出方式有效地抑制了電路的共模噪聲，提高了探測電路的信噪比。
圖I為本實用新型探測電路的構成方框圖；圖2為本實用新型探測電路的電路圖。
具體實施方式
由於注入APD的光信號本身很微弱，使得其輸出電流信號也很微弱，需要接入跨阻放大器進一步放大，如果採用放大集成晶片及電阻電容搭出跨阻放大器，其放大器等效的輸入電容會降低光電探測器的靈敏度和帶寬，增加放大器的輸出噪聲。因此，減小放大器等效輸入電容是實現高靈敏度、高信噪比和寬帶Aro探測電路的關鍵。放大器的等效輸入電容包括APD的源電容、APD與放大器連接的PCB印製線寄生電容及放大器封裝寄生電容等，APD的源電容選定管子就確定了，可減小的是後兩項。通過將APD與跨阻放大器集成的方式可有效地減小後兩項的影響。帶前置跨阻放大器的Aro集成模塊為了獲得較低的噪聲和較大的帶寬，其增益不能太高。通常，單端輸出電壓大約為幾毫伏，幅值仍較小。因此，需要主放大電路進一步將信號放大至一定幅度的電壓信號以便後續電路的使用。如圖I所示，本實用新型的Aro探測電路主要由APD電源、帶前置跨阻放大器的InGaAs APD集成模塊和主放大電路三部分組成。APD電源通過PWM工作方式產生正40V左右的偏置電壓給帶前置跨阻放大器的InGaAs ATO集成模塊，通常，不同APD的最佳反向偏壓不同，帶前置跨阻放大器的InGaAs ATO模塊在微弱的脈衝光照下產生高速差分信號輸入到主放大電路，主放大電路經過雙端到單端轉換並放大輸出一定幅度的電壓信號供後續電路使用。其中，APD電源電路會產生電磁輻射，為了消除其對APD探測電路的電磁幹擾，將APD電源置於一小鋁殼體中；另外，APD探測電路屬於微弱信號探測，很容易受到外界電磁幹擾，因此，將其置於一大招殼體中。參照圖2，本實用新型中的APD電源產生的電壓HV經過低通濾波網絡輸出給APD集成模塊;APD集成模塊選用現有的集成模塊，能夠在微弱的光脈衝輸入下產生高速差分信號。該探測電路可探測到小於-60dBm的微弱光信號，經APD集成模塊輸出的單端信號包含一直流分量和幾mV的交流小電壓信號。差分信號輸入到主放大電路，經過差分到單端的轉換並放大到一定幅度的電壓信號。主放大電路由兩級放大電路組成，其中第一級為差分到單端轉換電路，由放大器ICl及其外圍的電阻電容組成；第二級是由放大器IC2及其外圍的電阻電容組成的正相放大電路，輸出信號達到百mV。為了避免輸出信號自激，分別在這兩級放大電路中的反饋迴路上並聯補償電容C19和C21。如圖2所示，APD電源的輸出端輸出電壓HV，電壓HV通過電阻R4與APD集成模塊的陰極相連，APD集成模塊的接地端接地，APD集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯電阻 R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，放大器ICl的正輸入端同時通過電阻R7接地；APD集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯電阻R8、R9與放大器ICl的負輸入端相連；放大器ICl的負輸入端通過並聯的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連；放大器IC2的正輸入端同時還通過電容C20接地。放大器IC2的負輸入端通過電阻R13接地，放大器IC2的負輸入端同時通過並聯的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連。放大器IC2的輸出端與電阻R15的一端相連；電阻R15的另一端作為APD探測電路的輸出端進行輸出。APD電源的電源輸入端與電阻Rl的一端相連，同時電阻Rl的一端通過並聯的電容C3、C4、C5接地，電阻Rl的另一端與+5V電源相連。APD電源的接地端接地。APD電源的輸出端通過並聯的電容C15、C16接地，同時與電阻R4的一端相連，電阻R4的另一端通過並聯的電容C17、C18接地。在+5V電壓和地之間並聯電容C1、C2、C9、C10和Cll ；+5V電源與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與AH)集成模塊的電源輸入端相連，同時電阻R2的另一端通過並聯的電容C6、C7、C8接地。+5V電壓與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與放大器IC2的正電源端相連，同時電阻R3的另一端通過並聯的電容C12、C13、C14接地。-5V電壓通過並聯的電容C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29和C30接地。+5V電壓與放大器ICl的正電源端相連，-5V電壓分別與放大器IC1、放大器IC2的負電源端相連。該探測電路已成功應用於遠程分布光纖拉曼溫度傳感系統中，使系統達到較高的溫度精度和空間解析度。本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域技術人員的公知技術。
權利要求1.一種雪崩光電二極體探測電路，其特徵在於，包括依次連接的雪崩光電二極體電源、雪崩光電二極體集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極體電源產生的高壓加在雪崩光電二極體集成模塊兩端使雪崩光電二極體反偏；雪崩光電二極體集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極體和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉單端放大電路，其將雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經過第二級放大電路放大輸出。
2.如權利要求I所述的雪崩光電二極體探測電路，其特徵在於，第一級放大電路包括放大器ICl及其外圍電路，第二級放大電路包括放大器IC2及其外圍電路。
3.如權利要求2所述的雪崩光電二極體探測電路，其特徵在於，雪崩光電二極體電源的輸出電壓HV通過電阻R4與雪崩光電二極體集成模塊的陰極相連，雪崩光電二極體集成模塊的接地端接地，雪崩光電二極體集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯的電阻R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，雪崩光電二極體集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯的電阻R8、R9與放大器ICl的負輸入端相連。
4.如權利要求3所述的雪崩光電二極體探測電路，其特徵在於，放大器ICl的正輸入端通過電阻R7接地，放大器ICl的負輸入端通過並聯的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連。
5.如權利要求4所述的雪崩光電二極體探測電路，其特徵在於，放大器IC2的正輸入端通過電容C20接地；放大器IC2的負輸入端通過電阻R13接地，同時放大器IC2的負輸入端通過並聯的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連；放大器IC2的輸出端通過電阻R15輸出放大信號。
專利摘要本實用新型公開了一種雪崩光電二極體探測電路，包括依次連接的雪崩光電二極體電源、雪崩光電二極體集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極體電源產生的高壓加在雪崩光電二極體集成模塊兩端使雪崩光電二極體反偏；雪崩光電二極體集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極體和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉單端放大電路，其將雪崩光電二極體集成模塊產生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經過第二級放大電路放大輸出。本實用新型具有靈敏度和信噪比高，電路簡單，成本低廉，安全可靠等優點。
文檔編號H03F1/26GK202550965SQ201220117880
公開日2012年11月21日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者張東旭, 李俊一, 楊瀟君 申請人:北京航天時代光電科技有限公司