基于APD的光電探測(cè)器電路研究與設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器電路用于對(duì)光電轉(zhuǎn)換器件輸出的微弱電壓或電流信號(hào)進(jìn)行放大、處理和整形輸出。對(duì)于不同探測(cè)用途而采用的光電轉(zhuǎn)換器件不同，與之配合使用的光電探測(cè)器電路性能也因此而不同。如果用來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，則重點(diǎn)考慮的是器件的光電轉(zhuǎn)換效能和匹配方式。這里介紹一種用雪崩光電二極管(APD)與光電探測(cè)器電路匹配使用的最佳方法。針對(duì)如何提高光電信號(hào)前置放大器信噪比這一關(guān)鍵問題，進(jìn)行了分析和實(shí)踐。在設(shè)計(jì)電路過程中，除了電路結(jié)構(gòu)的考慮外，對(duì)工藝的考慮也是必須的。由于電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)考慮周全，設(shè)計(jì)的光電探測(cè)器電路信噪比高。這里還介紹通過用自制的噪聲發(fā)生器對(duì)光電探測(cè)器電路進(jìn)行定量的分析，測(cè)算出探測(cè)器的增益和信噪比。該研究是設(shè)計(jì)滿足各種光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)重要步驟。

1 器件的選擇

1．1 提高APD的光電轉(zhuǎn)換效能

雪崩光電二極管(Aualanche Photo Diode，APD)的光電轉(zhuǎn)換效能主要是對(duì)信號(hào)有倍增作用，它比一般光電二極管的功率電平所產(chǎn)生的響應(yīng)高幾十或幾百倍。倍增與偏壓有關(guān)，反偏壓越大，倍增G也越大，如圖1所示。一旦電壓達(dá)到某個(gè)值，APD會(huì)被擊穿，此電壓就是雪崩電壓VB。設(shè)置APD的工作點(diǎn)一般略小于VB，如圖2所示。

未調(diào)制時(shí)，由平均光通量P0所產(chǎn)生的散粒噪聲引起的電流波動(dòng)Ic可表示為：

由于熱噪聲和放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲引起的電流波動(dòng)Ib為：

對(duì)噪聲源模型的特征和噪聲進(jìn)行分析。當(dāng)信號(hào)光強(qiáng)度取最大振幅值Pmax時(shí)，電流值Jsmax為：

利用這些公式可以計(jì)算由光信號(hào)變換成電信號(hào)時(shí)的信噪比為：

因?yàn)楣怆姍z測(cè)器內(nèi)部阻抗很大，可看作電流源，所以若檢測(cè)器的負(fù)載阻抗大的話，則Ib2就下降，結(jié)果使得SNR增加，所以一般負(fù)載電阻取得較大，但不能太大。若加大負(fù)載電阻，則放大器輸入端的時(shí)間常數(shù)CR對(duì)頻帶的限制增強(qiáng)，高頻信號(hào)成分受到抑制，而這兩方面的需求卻是互相制約，互相矛盾的。然而，Ib2的減小所引起SNR的增加與高頻信號(hào)衰減所引起SNR下降可得到補(bǔ)償。要放大頻率在10 MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，光電檢測(cè)器與APD配合使用的前置放大器件選用輸入阻抗大的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管較為有利，上述分析就為設(shè)計(jì)光電探測(cè)器電路系統(tǒng)奠定了選擇。

1．3 噪聲對(duì)光電探測(cè)器電路的影響

一般用作高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的光電探測(cè)器前置放大電路，噪聲系數(shù)要求很嚴(yán)格。因?yàn)樵诜糯笪⑷跣盘?hào)的場(chǎng)合，放大器自身對(duì)噪聲的放大和受噪聲信號(hào)的干擾可能很嚴(yán)重，光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(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，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，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。因此，希望減小噪聲以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常有幾種噪聲系數(shù)的影響。

考慮Johnson噪聲折合成起伏電流為：

以及結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管噪聲主要導(dǎo)電溝道的電阻所產(chǎn)生的溝道熱噪聲：

還有幾種柵極感應(yīng)噪聲、柵極散粒噪聲、1／f噪聲。由于高頻等因素，在一般情況下可以忽略不計(jì)。

由此，得到了圖4相應(yīng)的簡(jiǎn)化噪聲等效電路，如圖5所示。同樣可以將式(2)寫成電流表示形式：

由圖5可知：

由于實(shí)際電路中1／R2≤ω2(Co+Ci)2，所以1／R2可以不計(jì)。將|Y|2=ω2(Co+Ci)2代入式(3)，并將式(2)代入式(3)，得：

若輸入端信號(hào)電流為Is，則信噪比為：

2 光電探測(cè)器電路設(shè)計(jì)

綜上所述，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高增益的光電探測(cè)器電路。為了使光電探測(cè)器能高精度地檢測(cè)及傳送微弱信號(hào)，一個(gè)重要的措施就是選擇具有抗強(qiáng)干擾的低噪聲前置放大器。該前級(jí)部分由雪崩光電二極管(APD)與前置放大器組成，這也是光電探測(cè)器電路的核心部分，其器件選用高性能、低噪聲放大器來實(shí)現(xiàn)電路匹配，并將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。理論上看，前置放大器倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但由于會(huì)引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前置信號(hào)也不能放得過大。在前置放大器后再加人運(yùn)算放大器，這樣就不會(huì)造成信噪比下降，并保證了光電探測(cè)器電路的放大倍數(shù)。其中，低噪聲放大器對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)出性能好的放大器可以帶來10 dB的噪聲改善。為降低放大器的噪聲，應(yīng)選用高跨導(dǎo)(gm)低噪聲結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。由于選用APD作為光電轉(zhuǎn)換器，要克服噪聲的影響，應(yīng)注意減少寄生效應(yīng)，如寄生電容效應(yīng)等。要最大限度地降低極間電容的影響，應(yīng)注意裝配工藝設(shè)計(jì)，減小APD的輸出電容Co和放大器的輸入電容Ci。其優(yōu)點(diǎn)是適合高速應(yīng)用，并能大大降低探測(cè)器的極間電容C，極間電容的降低對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路噪聲的降低將有重大的意義。

負(fù)載電阻要取得較大，這樣SNR會(huì)高一些，但R也不能取得過高，因R過高SNR增加并不顯著，反而使高頻校正困難。將前置放大器電路第一級(jí)T，組成共源放大器，這樣電路不僅有電流放大，而且有電壓放大作用，因此功率增益比較高，而且電路容易實(shí)現(xiàn)，調(diào)整也很方便。電路的版圖設(shè)計(jì)也十分重要，版圖設(shè)計(jì)時(shí)將電路中相對(duì)應(yīng)的部分按照對(duì)稱分布布局，相應(yīng)的管腳也按照對(duì)稱布局。經(jīng)過綜合處理后，使電路SNR得到進(jìn)一步提高。

3 電路測(cè)試

3．1 光電探測(cè)器輸出頻率特性和增益的測(cè)試

測(cè)量時(shí)，信號(hào)發(fā)生器送出一個(gè)20 mV的模擬信號(hào)，用一個(gè)22 kΩ和一個(gè)50Ω的電阻分壓，將其20 mV信號(hào)衰減4 400倍后為4．5μV，送到被測(cè)放大器輸入端。將信號(hào)發(fā)生器的頻率從10 kHz～3 MHz逐級(jí)變化，同時(shí)記錄被測(cè)波形幅度的大小，將測(cè)量的每個(gè)點(diǎn)連接起來，繪出放大器輸出頻率特性。再測(cè)放大器增益，以頻率f=1 MHz時(shí)為例，示波器測(cè)得輸出波形幅度約為1．8 mV。

輸出／輸入△1．8 mV／4．5μV=400

3．2 光電探測(cè)器等效輸入噪聲的測(cè)試

利用噪聲發(fā)生器法測(cè)量前置放大器等效輸入噪聲。用自制的簡(jiǎn)易噪聲源電路產(chǎn)生0～1 V電壓為帶寬白噪聲。校準(zhǔn)噪聲源表示成一個(gè)與APD內(nèi)阻Rs串聯(lián)的噪聲發(fā)生器，一般取Rs=100 kΩ左右。系統(tǒng)的等效輸入噪聲相加為Eni，放大器和發(fā)生器的噪聲測(cè)得為Eno。

提高噪聲發(fā)生器電壓Eng，使輸出噪聲功率增大一倍所必須的噪聲發(fā)生器噪聲電壓等于放大器等效輸入噪聲，用這種方法來測(cè)量光電探測(cè)器的等效輸入噪聲，按照下列步驟進(jìn)行測(cè)量：

(1)不加輸入噪聲發(fā)生器，用均方根值表測(cè)量被測(cè)放大器總輸出Eno；

(2)加噪聲發(fā)生器，調(diào)節(jié)電位使被測(cè)光電探測(cè)器前置放大器總輸出為原來的2倍噪聲電壓，即2Eno，也就是提高了3 dB；

(3)此時(shí)測(cè)得的噪聲發(fā)生器產(chǎn)生的電壓就等于放大器的等效輸入電壓Eni。

噪聲發(fā)生器法測(cè)噪聲，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，且能測(cè)定多種混雜的隨機(jī)噪聲，又克服了示波器波形觀察峰一峰值讀取容易因人而異出錯(cuò)的缺點(diǎn)。此外，由于自制簡(jiǎn)易噪聲發(fā)生器電路容易實(shí)現(xiàn)，所用儀器少，且測(cè)量較為準(zhǔn)確。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4．1 光電探測(cè)器輸入信噪比

表1為用噪聲發(fā)生器法測(cè)得的一組噪聲電壓數(shù)據(jù)。

由表1中測(cè)量數(shù)據(jù)可觀察到，測(cè)得的噪聲仍可能受到外界的影響。這里要特別強(qiáng)調(diào)的是，由于所測(cè)試的地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室比較集中，干擾源也有可能會(huì)相對(duì)多一些，要盡量排除各種干擾因素的存在。盡管電路已采取了屏蔽，而且對(duì)噪聲發(fā)生器和放大器間的連接也采取了短線近連等措施，但為了排除外界干擾，要使得測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，在測(cè)量時(shí)間上還是采用了午夜測(cè)量。

測(cè)量數(shù)據(jù)選用平均值，將測(cè)得的Eni=0．45μV作為APD探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器的等效輸入噪聲。其結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器輸入信噪比，以及做APD的有關(guān)噪聲實(shí)驗(yàn)提供了十分重要的參數(shù)。

通常信號(hào)電流為0．001μA，在負(fù)載電阻上信號(hào)電壓近似為0．001μA×100 kΩ=0．000 1 V。

4．2 光電探測(cè)器輸出幅頻特性

使用5020示波器測(cè)量前置放大器在0．01～3 MHz的輸出頻率特性，曲線較為平坦，如表2所示。

將XDll多用信號(hào)發(fā)生器送4．5μV信號(hào)，以頻率f=1 MHz為例測(cè)得的輸出波形幅度為1．8 mV。

如果APD的可得增益范圍從最佳增益80 dB至最小容許增益6 dB，相當(dāng)于電信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍22．5 dB，那么整個(gè)APD探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器總的動(dòng)態(tài)范圍電信號(hào)應(yīng)為73．8 dB。

5 結(jié) 語

本文以光電器件與光電探測(cè)器前級(jí)的最佳匹配，降低光電探測(cè)器前級(jí)的噪聲系數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，介紹了在要求較高的光探測(cè)場(chǎng)合，前置放大器第一級(jí)選用低噪聲的分體器件設(shè)計(jì)的方法。還介紹了通過自制的噪聲發(fā)生器，對(duì)光電探測(cè)器前置放大器的等效輸入噪聲進(jìn)行了測(cè)試，從而獲得了信噪比這個(gè)重要參數(shù)。通過對(duì)APD光電探測(cè)器的上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，該APD光電探測(cè)電路具有噪聲系數(shù)小，信噪比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。為設(shè)計(jì)其他要求較高的低噪聲光電探測(cè)電路系統(tǒng)提供了經(jīng)驗(yàn)。