雪崩光電二極管APD在激光外差干涉測距中的作用

劉清燕 徐文玲

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

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

1 引言

在激光干涉測距中，雪崩二極管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它對精度的提高有很大的影響。在激光測距中，激光從發(fā)射到接受會經(jīng)過被測目標(biāo)的漫反射，同時也有路程等的損失，所以接受到的光信號非常弱，這使得檢測光信號相當(dāng)困難，接受不當(dāng)會影響到精度，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，同時響應(yīng)的速度也很快，但是要發(fā)揮它的優(yōu)勢，需要加較大的反向偏置電壓（一般在幾十到幾百伏），這樣會伴隨著有相對較大的紋波電壓，電源的紋波電壓變化范圍越大，對雪崩二極管的影響就越大，所以本文設(shè)計了一種低紋波電壓的電路。對于APD而言，溫度的變化也會嚴(yán)重影響它的增益，所以需要接入溫度補(bǔ)償電路來改變PN結(jié)倍增區(qū)的電場。此外，APD在倍增的過程中產(chǎn)生的附加噪聲會嚴(yán)重影響測量精度，本文對噪聲進(jìn)行了分析設(shè)計了一個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距的接受模塊，將會提高測量精度。

2 APD的工作原理

APD是一種P-N結(jié)型的光檢測二極管，其內(nèi)部利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光信號。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)生一個強(qiáng)的內(nèi)建電場，當(dāng)電場強(qiáng)度增大到一定程度時，耗盡層中的光生電子空穴對就會被加速，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。這種過程是連鎖反應(yīng)，這樣就會產(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增益變化較小，就需要變化PN結(jié)倍增區(qū)的電場，這樣就需要接入一個溫度補(bǔ)償電路，在溫度變化時調(diào)整光檢測器的偏置電壓。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，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)的偏置電壓值就會隨溫度變化，為了保持最佳增益，需設(shè)計溫度補(bǔ)償電路來控制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時的光電流，F(xiàn)為過剩噪聲系數(shù)。APD選擇適當(dāng)?shù)钠珘嚎梢允筍NR最大，此時APD對應(yīng)的增益為最佳雪崩增益，加在其上的偏壓為最佳偏壓。此時的最佳雪崩增益由下式確定：

式中，x為APD的過剩噪音指數(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

SPD-052型硅雪崩光電探測器是0.4～1.1 波長光信號的優(yōu)良探測器，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，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來調(diào)整A2的增益，同時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

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，此時加入濾波電路來濾掉交流部分，但是輸出電壓中仍然含有一定的脈動交流成分，這種脈動交流成分稱為紋波電壓。

輸出電壓與輸出電容的關(guān)系為：

可見，當(dāng)適當(dāng)加大輸出電容的值時，可以減小輸出紋波電壓，或者采用多個電容并聯(lián)的方式來減少ERS值，但是電源體積是有限的，所以不可能無限制地增大輸出電容的值，這樣設(shè)計一個低紋波的反向偏置電路來增大增益很重要。

在本文中我們用的是共模濾波法來降低紋波電壓，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，還增加了電源的穩(wěn)定性。共模扼流圈是在一個閉合磁環(huán)上，對稱繞制方向相反，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，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻影響，當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同相性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同相的磁場而增大線圈的感抗，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

為提高干涉式激光測距儀的測量精度，達(dá)到最大信噪比。需要將微弱信號中的有用信號從強(qiáng)噪聲中提取出來， 同時提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比。但是光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱， 而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。 因此， 要對這樣的微弱信號進(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輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。

5.1 主放大電路

由于所得到的信號是小信號，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)計中需要設(shè)計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)計能夠更簡潔并具有良好的信噪比，設(shè)計時還需要用帶通濾波器（由低通濾波器和高通濾波器組成）對信號進(jìn)行處理。在前置放大電路之后加入帶通濾波電路來保證測量的精確性，然后通過設(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，相對于無緣濾波電路來說，其優(yōu)點(diǎn)多，包括結(jié)構(gòu)牢固、可以集成、價格便宜、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，信號不能無限放大，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)計中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過公式計算，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，一般用于接受檢測微弱信號，它在激光外差干涉測距系統(tǒng)中接收經(jīng)過漫反射后的微弱信號。恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計可以發(fā)揮APD的最佳功效，同時對提高激光外差干涉測距信噪比也有十分重要的作用。

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