劉清燕 徐文玲

【摘 要】雪崩光電二極管APD是一種光伏探測(cè)器元件，一般用于接受檢測(cè)微弱信號(hào)，它在激光外差干涉測(cè)距系統(tǒng)中用來(lái)接收經(jīng)過(guò)漫反射后的微弱信號(hào)。針對(duì)APD的一些常見(jiàn)問(wèn)題，本文分析設(shè)計(jì)了一種溫度補(bǔ)償電路，來(lái)使雪崩二極管達(dá)到最佳增益，也介紹了降低紋波電壓的方法，同時(shí)本文也設(shè)計(jì)了低噪聲的前置放大電路。實(shí)驗(yàn)表明，這些電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)激光測(cè)距精度的提高是有效的。

【關(guān)鍵詞】雪崩光電二極管 外差干涉激光測(cè)距 溫度補(bǔ)償 紋波 前置放大電路

1 引言

在激光干涉測(cè)距中，雪崩二極管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它對(duì)精度的提高有很大的影響。在激光測(cè)距中，激光從發(fā)射到接受會(huì)經(jīng)過(guò)被測(cè)目標(biāo)的漫反射，同時(shí)也有路程等的損失，所以接受到的光信號(hào)非常弱，這使得檢測(cè)光信號(hào)相當(dāng)困難，接受不當(dāng)會(huì)影響到精度，所以綜合考慮，我們采用雪崩光電二極管APD。APD不同于傳統(tǒng)的光電二極管，它是建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件，它具有內(nèi)部增益和放大作用，同時(shí)響應(yīng)的速度也很快，但是要發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，需要加較大的反向偏置電壓（一般在幾十到幾百伏），這樣會(huì)伴隨著有相對(duì)較大的紋波電壓，電源的紋波電壓變化范圍越大，對(duì)雪崩二極管的影響就越大，所以本文設(shè)計(jì)了一種低紋波電壓的電路。對(duì)于APD而言，溫度的變化也會(huì)嚴(yán)重影響它的增益，所以需要接入溫度補(bǔ)償電路來(lái)改變PN結(jié)倍增區(qū)的電場(chǎng)。此外，APD在倍增的過(guò)程中產(chǎn)生的附加噪聲會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度，本文對(duì)噪聲進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的前置放大電路，實(shí)驗(yàn)表明該電路有效的提高了信噪比。將這些模塊用于激光測(cè)距的接受模塊，將會(huì)提高測(cè)量精度。

2 APD的工作原理

APD是一種P-N結(jié)型的光檢測(cè)二極管，其內(nèi)部利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來(lái)放大光信號(hào)。在P-N結(jié)上加高的反向偏壓，就可以加寬耗盡層并且在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，耗盡層中的光生電子空穴對(duì)就會(huì)被加速，被加速后的電子空穴獲得足夠的能量就能與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。這種過(guò)程是連鎖反應(yīng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的二次光電流，因此APD有較高的響應(yīng)度和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。

3 APD溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)和分析

3.1 溫度補(bǔ)償電路的原理分析

由于電子和空穴的電離速率取決于溫度，所以在高偏置電壓的條件下，一個(gè)小小的溫度變化就能引起增益很大的變化。為了保證溫度變化時(shí)增益變化較小，就需要變化PN結(jié)倍增區(qū)的電場(chǎng)，這樣就需要接入一個(gè)溫度補(bǔ)償電路，在溫度變化時(shí)調(diào)整光檢測(cè)器的偏置電壓。理論上可以證明，APD的增益是關(guān)于偏壓和溫度的函數(shù)，所以，當(dāng)APD的偏壓隨著溫度改變時(shí)，APD的增益就可以基本恒定，這就是APD溫度漂移的偏壓補(bǔ)償原理。

APD相應(yīng)的偏置電壓值就會(huì)隨溫度變化，為了保持最佳增益，需設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路來(lái)控制APD的偏置電壓，使APD在各種溫度下都能以最佳倍增增益工作，從而使接收系統(tǒng)獲得最大的信噪比。

APD放大電路輸出功率信噪比SNR為：

式中：M是APD的雪崩增益， 為M=1時(shí)的光電流，F(xiàn)為過(guò)剩噪聲系數(shù)。APD選擇適當(dāng)?shù)钠珘嚎梢允筍NR最大，此時(shí)APD對(duì)應(yīng)的增益為最佳雪崩增益，加在其上的偏壓為最佳偏壓。此時(shí)的最佳雪崩增益由下式確定：

式中，x為APD的過(guò)剩噪音指數(shù)，其大小取決于APD的結(jié)構(gòu)和材料。

3.2 偏壓溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

SPD-052型硅雪崩光電探測(cè)器是0.4～1.1 波長(zhǎng)光信號(hào)的優(yōu)良探測(cè)器，兼?zhèn)淞烁哽`敏度、高速響應(yīng)和低噪聲三大優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)可達(dá)到120倍以上。當(dāng)溫度升高10度，雪崩電壓升高2.2～2.6V，在其內(nèi)部有一個(gè)溫度補(bǔ)償二極管IN941，所以我們用該溫度二極管進(jìn)行偏壓補(bǔ)償，整個(gè)電路由三部分組成：溫度傳感、運(yùn)放和可控電壓源。

3.2.1溫度傳感部分

當(dāng)內(nèi)部溫度二極管工作在恒流狀態(tài)時(shí)，其兩端的電壓和溫度具有良好的線性關(guān)系和較高的靈敏度，恒流源電路如圖3，由于運(yùn)放A1的增益很高，近似有V2=V3，設(shè)穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為U，則RW和R1兩端的電壓等于U，所以有流經(jīng)溫度二極管的電流I為：

因此，通過(guò)調(diào)節(jié)RW的大小，可以得到不同的恒流。

圖3 恒流源電路

3.2.2運(yùn)放部分

A1構(gòu)成跟隨器，同向端以IN941的電壓作為輸入；A2是同相放大器，調(diào)整Rw1可以設(shè)定A2在某一溫度下的輸出電壓，Rw2來(lái)調(diào)整A2的增益，同時(shí)A2的輸出作為可控電壓源的控制輸入。如圖4：

圖4 運(yùn)放部分的原理圖

3.2.3可控電壓源部分

如圖5所示，可控電壓源采用高精度低溫漂可控高壓電源模塊，其中，+V為直流電壓輸入端；Control為調(diào)整端，接運(yùn)放A2的輸出端；V0為輸出端，為APD提供偏置電壓，大小為： ，其中K1，K2為倍壓常數(shù)，Vc為Control端輸入電壓。實(shí)驗(yàn)表明，該電源輸出范圍270～440V，輸出電壓穩(wěn)定性小于0.05%，溫度系數(shù)每攝氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。

圖5 可控電壓源工作原理框圖

4低紋波的反向偏置電壓的設(shè)計(jì)

穩(wěn)定電源一般包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分。整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但是其中仍然含有大量的交流電成分，此時(shí)加入濾波電路來(lái)濾掉交流部分，但是輸出電壓中仍然含有一定的脈動(dòng)交流成分，這種脈動(dòng)交流成分稱(chēng)為紋波電壓。

輸出電壓與輸出電容的關(guān)系為：

可見(jiàn)，當(dāng)適當(dāng)加大輸出電容的值時(shí)，可以減小輸出紋波電壓，或者采用多個(gè)電容并聯(lián)的方式來(lái)減少ERS值，但是電源體積是有限的，所以不可能無(wú)限制地增大輸出電容的值，這樣設(shè)計(jì)一個(gè)低紋波的反向偏置電路來(lái)增大增益很重要。

在本文中我們用的是共模濾波法來(lái)降低紋波電壓，在電源的輸出端加共模扼流圈，和Y電容去耦，可衰減掉電源的共模噪聲，共模扼流圈內(nèi)的寄生電感形成LC濾波，可濾掉差模紋波。共模電感連補(bǔ)償電路，在確保良好的濾波效果的同時(shí)，還增加了電源的穩(wěn)定性。共模扼流圈是在一個(gè)閉合磁環(huán)上，對(duì)稱(chēng)繞制方向相反，匝數(shù)相同的線圈，這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻影響，當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同相性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同相的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，一次衰減共模電流，達(dá)到濾波目的。如圖6所示。

圖6

實(shí)驗(yàn)表明這種濾波方法得到的紋波電壓約為6.5mv左右，與之前未經(jīng)濾波的紋波電壓（大約為幾百毫伏）相比，紋波得到了很好的抑制。

5 前置放大電路設(shè)計(jì)

為提高干涉式激光測(cè)距儀的測(cè)量精度，達(dá)到最大信噪比。需要將微弱信號(hào)中的有用信號(hào)從強(qiáng)噪聲中提取出來(lái)， 同時(shí)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。但是光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱， 而且光電探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中。 因此， 要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理， 一般先進(jìn)行預(yù)處理， 以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。需要前置放大電路、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。

5.1 主放大電路

由于所得到的信號(hào)是小信號(hào)，所以一般不能直接用于采樣處理。前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用， 但后續(xù)電路一般為A/D轉(zhuǎn)換電路， 所需電壓幅值一般為2V。然而，輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍， 因此需應(yīng)用主放大電路。如圖7：

圖7

A=1+R1/R2為該主放大器的放大倍數(shù)，R1和R2的值在后續(xù)的研究設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)一定具有合理性的比例和大小的參數(shù)值。R2為反饋電阻。

為了讓電路設(shè)計(jì)能夠更簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比，設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器（由低通濾波器和高通濾波器組成）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。在前置放大電路之后加入帶通濾波電路來(lái)保證測(cè)量的精確性，然后通過(guò)設(shè)置合適的工作點(diǎn)及原件參數(shù)且確定最好的帶寬和上下線截止頻率，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲， 包括環(huán)境噪聲、儀器噪聲。并且在濾波器的負(fù)輸入端設(shè)置調(diào)零電路，保證放大電路工作在線性區(qū)。

圖8

如圖8，濾波器的帶寬B= = ，Q值越大，增益衰減越快。在f0不變的時(shí)候，Q越大，帶寬越窄，電路的選擇性也就越好。

本濾波電路為有源濾波電路，相對(duì)于無(wú)緣濾波電路來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)多，包括結(jié)構(gòu)牢固、可以集成、價(jià)格便宜、重量輕巧等等。電路中采用集成運(yùn)算放大器、二極管等有源器件。如圖9所示：

圖9

帶通濾波器由前低通濾波器和后高通濾波器組成。C1=C2=C，R1=R2=R，則通帶的放大倍數(shù)A=1+R3/R4，通帶為

帶通濾波器的幅頻特性如圖10：

圖10

5.2 完整電路

用雪崩二極管與前置放大電路組成前級(jí)放大電路。如圖11：

圖11

圖中R9和R11為等效電路中的R1和R2。注意，信號(hào)不能無(wú)限放大，因?yàn)殡娐分写嬖陔娮?、運(yùn)算放大器等器件的本身的固有噪聲，所以不能無(wú)限放大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出端的噪聲得到了明顯的改善。

6 結(jié)論展望

在低紋波電路的設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出高壓的紋波可以控制在約6.5mv左右，與未經(jīng)低紋波設(shè)計(jì)的高壓電路（通常為幾百毫伏）相比，紋波電壓得到了很好的抑制。在溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)公式計(jì)算，該電源輸出范圍是270～440V，輸出電壓穩(wěn)定性小于0.05%，溫度系數(shù)每攝氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。電路的前置放大部分，也得到低噪聲的輸出，提高了電路的信噪比。

雪崩光電二極管APD作為一種應(yīng)用廣泛的光敏接收器件，一般用于接受檢測(cè)微弱信號(hào)，它在激光外差干涉測(cè)距系統(tǒng)中接收經(jīng)過(guò)漫反射后的微弱信號(hào)。恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)可以發(fā)揮APD的最佳功效，同時(shí)對(duì)提高激光外差干涉測(cè)距信噪比也有十分重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：劉清燕（1993—），女，西安電子科技大學(xué)，本科大三，研究方向：精密激光測(cè)距系統(tǒng)研究。