雪崩光电二极管APD在激光外差干涉测距中的作用

刘清燕 徐文玲

(西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安 710071)

雪崩光电二极管APD在激光外差干涉测距中的作用

刘清燕 徐文玲

(西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安 710071)

雪崩光电二极管APD是一种光伏探测器元件,一般用于接受检测微弱信号,它在激光外差干涉测距系统中用来接收经过漫反射后的微弱信号。针对APD的一些常见问题,本文分析设计了一种温度补偿电路,来使雪崩二极管达到最佳增益,也介绍了降低纹波电压的方法,同时本文也设计了低噪声的前置放大电路。实验表明,这些电路的设计应用对激光测距精度的提高是有效的。

雪崩光电二极管 外差干涉激光测距 温度补偿 纹波 前置放大电路

1 引言

在激光干涉测距中，雪崩二极管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它对精度的提高有很大的影响。在激光测距中，激光从发射到接受会经过被测目标的漫反射，同时也有路程等的损失，所以接受到的光信号非常弱，这使得检测光信号相当困难，接受不当会影响到精度，所以综合考虑，我们采用雪崩光电二极管APD。APD不同于传统的光电二极管，它是建立在内光电效应基础上的光电器件，它具有内部增益和放大作用，同时响应的速度也很快，但是要发挥它的优势，需要加较大的反向偏置电压(一般在几十到几百伏)，这样会伴随着有相对较大的纹波电压，电源的纹波电压变化范围越大，对雪崩二极管的影响就越大，所以本文设计了一种低纹波电压的电路。对于APD而言，温度的变化也会严重影响它的增益，所以需要接入温度补偿电路来改变PN结倍增区的电场。此外，APD在倍增的过程中产生的附加噪声会严重影响测量精度，本文对噪声进行了分析设计了一个有效的前置放大电路，实验表明该电路有效的提高了信噪比。将这些模块用于激光测距的接受模块，将会提高测量精度。

2 APD的工作原理

APD是一种P-N结型的光检测二极管，其内部利用载流子的雪崩倍增效应来放大光信号。在P-N结上加高的反向偏压，就可以加宽耗尽层并且在结区产生一个强的内建电场，当电场强度增大到一定程度时，耗尽层中的光生电子空穴对就会被加速，被加速后的电子空穴获得足够的能量就能与晶格碰撞产生新的电子空穴对。这种过程是连锁反应，这样就会产生较大的二次光电流，因此APD有较高的响应度和内部增益，这种内部增益提高了器件的信噪比。

3 APD温度补偿电路的设计和分析

3.1 温度补偿电路的原理分析

由于电子和空穴的电离速率取决于温度，所以在高偏置电压的条件下，一个小小的温度变化就能引起增益很大的变化。为了保证温度变化时增益变化较小，就需要变化PN结倍增区的电场，这样就需要接入一个温度补偿电路，在温度变化时调整光检测器的偏置电压。理论上可以证明，APD的增益是关于偏压和温度的函数，所以，当APD的偏压随着温度改变时，APD的增益就可以基本恒定，这就是APD温度漂移的偏压补偿原理。

APD相应的偏置电压值就会随温度变化，为了保持最佳增益，需设计温度补偿电路来控制APD的偏置电压，使APD在各种温度下都能以最佳倍增增益工作，从而使接收系统获得最大的信噪比。

APD放大电路输出功率信噪比SNR为：

式中：M是APD的雪崩增益，LI为M=1时的光电流，F为过剩噪声系数。APD选择适当的偏压可以使SNR最大，此时APD对应的增益为最佳雪崩增益，加在其上的偏压为最佳偏压。此时的最佳雪崩增益由下式确定：

式中，x为APD的过剩噪音指数，其大小取决于APD的结构和材料。

3.2 偏压温度补偿电路的设计

SPD-052型硅雪崩光电探测器是0.4～1.1mμ 波长光信号的优良探测器，兼备了高灵敏度、高速响应和低噪声三大优点，内部的雪崩倍增效应可达到120倍以上。当温度升高10度，雪崩电压升高2.2～2.6V，在其内部有一个温度补偿二极管IN941，所以我们用该温度二极管进行偏压补偿，整个电路由三部分组成：温度传感、运放和可控电压源。

3.2.1 温度传感部分

当内部温度二极管工作在恒流状态时，其两端的电压和温度具有良好的线性关系和较高的灵敏度，恒流源电路如图1，由于运放A1的增益很高，近似有V2=V3，设稳压管D1的稳压值为U，则RW和R1两端的电压等于U，所以有流经温度二极管的电流I为：

因此，通过调节RW的大小，可以得到不同的恒流。

3.2.2 运放部分

A1构成跟随器，同向端以IN941的电压作为输入；A2是同相放大器，调整Rw1可以设定A2在某一温度下的输出电压，Rw2来调整A2的增益，同时A2的输出作为可控电压源的控制输入。如图2：

3.2.3 可控电压源部分

如图3所示，可控电压源采用高精度低温漂可控高压电源模块，其中，+V为直流电压输入端；Control为调整端，接运放A2的输出端；V0为输出端，为APD提供偏置电压，大小为： VO=K1·(+V )+K2·VC，其中K1，K2为倍压常数，Vc为Control端输入电压。实验表明，该电源输出范围270～440V，输出电压稳定性小于0.05%，温度系数每摄氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。

4 低纹波的反向偏置电压的设计

稳定电源一般包括整流电路、滤波电路和稳压电路三部分。整流电路将交流电转化为直流电，但是其中仍然含有大量的交流电成分，此时加入滤波电路来滤掉交流部分，但是输出电压中仍然含有一定的脉动交流成分，这种脉动交流成分称为纹波电压。

输出电压与输出电容的关系为：

可见，当适当加大输出电容的值时，可以减小输出纹波电压，或者采用多个电容并联的方式来减少ERS值，但是电源体积是有限的，所以不可能无限制地增大输出电容的值，这样设计一个低纹波的反向偏置电路来增大增益很重要。

在本文中我们用的是共模滤波法来降低纹波电压，在电源的输出端加共模扼流圈，和Y电容去耦，可衰减掉电源的共模噪声，共模扼流圈内的寄生电感形成LC滤波，可滤掉差模纹波。共模电感连补偿电路，在确保良好的滤波效果的同时，还增加了电源的稳定性。共模扼流圈是在一个闭合磁环上，对称绕制方向相反，匝数相同的线圈，这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻影响，当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同相性，会在线圈内产生同相的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，一次衰减共模电流，达到滤波目的。如图4所示。

实验表明这种滤波方法得到的纹波电压约为6.5mv左右，与之前未经滤波的纹波电压(大约为几百毫伏)相比，纹波得到了很好的抑制。

5 前置放大电路设计

为提高干涉式激光测距仪的测量精度，达到最大信噪比。需要将微弱信号中的有用信号从强噪声中提取出来， 同时提高检测系统输出信号的信噪比。但是光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱， 而且光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。 因此，要对这样的微弱信号进行处理， 一般先进行预处理， 以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。需要前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。

5.1 主放大电路

由于所得到的信号是小信号，所以一般不能直接用于采样处理。前置放大电路主要起到电流转电压的作用， 但后续电路一般为A/D转换电路， 所需电压幅值一般为2V。然而，输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍， 因此需应用主放大电路。如图5：

A=1+R1/R2为该主放大器的放大倍数，R1和R2的值在后续的研究设计中需要设计一定具有合理性的比例和大小的参数值。R2为反馈电阻。

为了让电路设计能够更简洁并具有良好的信噪比，设计时还需要用带通滤波器(由低通滤波器和高通滤波器组成)对信号进行处理。在前置放大电路之后加入带通滤波电路来保证测量的精确性，然后通过设置合适的工作点及原件参数且确定最好的带宽和上下线截止频率，以除去有用信号频带以外的噪声， 包括环境噪声、仪器噪声。并且在滤波器的负输入端设置调零电路，保证放大电路工作在线性区。

如图6，滤波器的带宽B= 12f f-= Q/0f，Q值越大，增益衰减越快。在f0不变的时候，Q越大，带宽越窄，电路的选择性也就越好。

本滤波电路为有源滤波电路，相对于无缘滤波电路来说，其优点多，包括结构牢固、可以集成、价格便宜、重量轻巧等等。电路中采用集成运算放大器、二极管等有源器件。如图7所示：

带通滤波器由前低通滤波器和后高通滤波器组成。C1=C2=C，R1=R2=R，则通带的放大倍数A=1+R3/R4，通带为

带通滤波器的幅频特性如图8：

5.2 完整电路

用雪崩二极管与前置放大电路组成前级放大电路。如图9：

图中R9和R11为等效电路中的R1和R2。注意，信号不能无限放大，因为电路中存在电阻、运算放大器等器件的本身的固有噪声，所以不能无限放大。

实验结果表明，输出端的噪声得到了明显的改善。

6 结论展望

在低纹波电路的设计中，实验结果表明，输出高压的纹波可以控制在约6.5mv左右，与未经低纹波设计的高压电路(通常为几百毫伏)相比，纹波电压得到了很好的抑制。在温度补偿电路设计中，实验结果证明，通过公式计算，该电源输出范围是270～440V，输出电压稳定性小于0.05%，温度系数每摄氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。电路的前置放大部分，也得到低噪声的输出，提高了电路的信噪比。

雪崩光电二极管APD作为一种应用广泛的光敏接收器件，一般用于接受检测微弱信号，它在激光外差干涉测距系统中接收经过漫反射后的微弱信号。恰当的电路设计可以发挥APD的最佳功效，同时对提高激光外差干涉测距信噪比也有十分重要的作用。

[1]同金,马煜峰.直流电源输出的纹波和噪声的测量[J].电子测试, 2010(2):88-90.

[2]远坂俊昭.彭军,译.测量电子电路设计[M].北京:科学出版社,2006: 179-189.

[3]李适民,黄维玲.激光器件原理与设计[M].北京:国防工业出版社, 2005.

[4]邹建.雪崩光电二极管温漂特性的实验研究.压电与声光,1999年第21卷第2期.

[5][美]赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计(第3版)[M].西安:西安交通大学出版社,2004.

[6]于洪珍.通信电子电路[M].北京:清华大学出版社,2005.

刘清燕(1993—),女,西安电子科技大学,本科大三,研究方向:精密激光测距系统研究。