一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，利用APD-PIN二極管結(jié)電容平衡法、貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，對(duì)門控信號(hào)導(dǎo)致的微分噪聲進(jìn)行濾除，提取有用的雪崩信號(hào)。該提取電路可以很好地保持雪崩信號(hào)的形狀，并以較低的成本獲得了較高的信噪比。
【專利說明】一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用，屬于微弱光探測(cè)的

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 單光子探測(cè)器的目的是探測(cè)單光子量級(jí)的微弱光信號(hào)。一個(gè)單光子探測(cè)器通常包 含光電探測(cè)器件（光電倍增管，雪崩光電二極管等）、器件驅(qū)動(dòng)電路和輸出信號(hào)提取電路。 雪崩光電二極管（APD)由于工作速度高、體積小巧而被廣泛采用。由于單光子探測(cè)器中的 AH)工作于蓋革模式下，其產(chǎn)生的雪崩電流需要及時(shí)猝滅以保護(hù)APD，并使器件可以進(jìn)行下 一次探測(cè)。門控猝滅是目前普遍采用的方法，該方法使單光子探測(cè)器可以有很高的工作速 度和探測(cè)效率，同時(shí)可以降低暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率；然而門控信號(hào)自身會(huì)通過APD的結(jié)電 容耦合至輸出端，成為微分噪聲，且幅度通常大于所產(chǎn)生的雪崩信號(hào)。因此，自門控單光子 探測(cè)器出現(xiàn)以來，如何有效地從噪聲中提取出微弱的雪崩信號(hào)就成為了人們探究的重點(diǎn)。
[0003] 雪崩信號(hào)的提取通常分為兩部分，一是微分噪聲的濾除，二是雪崩信號(hào)的放大。目 前濾除微分噪聲的常見方法包括帶阻濾波、低通濾波、正弦門控相消法、自差分平衡法、電 容平衡法、雙AH)平衡法等多種方法。然而，這些方法均存在一些不足：帶阻濾波和低通濾 波可以很好地濾除微分噪聲，可以達(dá)到很好抑制效果，但滾降快、抑制比高的濾波器對(duì)雪崩 信號(hào)波形的破壞很大，拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重，且該方法在門控頻率低時(shí)幾乎不可用。正弦門控相消 法通常用于高頻，且限制了門控的波形形狀只能為正弦。自差分平衡法由于采用延遲線來 實(shí)現(xiàn)噪聲的自我抵消，只能用于單一門控頻率，對(duì)頻率變化非常敏感。電容平衡法由于采用 固定電容，與APD結(jié)電容在特性上存在差異，其噪聲抑制性能有限。雙APD平衡法是目前較 好的方法，然而該方法需要使用兩只特性近似的APD，但只有一個(gè)AH)能工作在最佳狀態(tài)， 成本高昂。在濾除微分噪聲的同時(shí)，需要將微弱的雪崩信號(hào)放大至高于背景噪聲，方可進(jìn)行 有效的鑒別。降低放大電路和噪聲消除電路自身的噪聲對(duì)提高信噪比同樣具有重要意義。 上述平衡法很多時(shí)候要使用差分放大器，而差分放大器的噪聲系數(shù)比單端射頻放大器高出 數(shù)dB。此外，在門控微分噪聲幅度很大時(shí)，即便是無源濾波器件也不可避免地會(huì)產(chǎn)生較大的 帶限白噪聲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，該電 路是基于APD-PIN二極管結(jié)電容平衡法、貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器的雪 崩信號(hào)提取電路，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較高的信噪比。其中AH)為雪崩光電二極管。
[0005] 本發(fā)明還提供上述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，包括APD-PIN結(jié)電容平衡電路，貝塞爾低 通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，ATO-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與貝塞爾濾波器的 輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入端相連，Aro產(chǎn)生 的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng)過寬帶射頻低噪 聲放大器被放大輸出。射頻變壓器存在約Γ的相位不均衡，導(dǎo)致上述平衡電路僅對(duì)低頻或 特定的高頻頻段抑制比較高，有時(shí)需要進(jìn)一步濾除殘余的噪聲。作為平衡電路的補(bǔ)充，貝塞 爾型無源LC低通濾波器是很好的選擇。無源的貝塞爾型低通濾波器具有和巴特沃斯型一 樣簡單的電路形式，雖然其阻帶滾降率較差，但其具有最平坦的群時(shí)延，對(duì)于頻譜較寬的雪 崩信號(hào)，該濾波器可以盡可能保持雪崩波形的形狀完好。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié) 電容平衡電路，一個(gè)或多個(gè)貝塞爾低通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器；
[0009] 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極 管D1和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光 電二極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN 二極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連 接至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩 信號(hào)。通過調(diào)整APD-PIN結(jié)電容平衡電路中PIN二極管D2的控制電壓Vb2,使其結(jié)電容與 雪崩光電二極管D1的結(jié)電容盡可能相同，D1和D2在T1初級(jí)繞組兩端產(chǎn)生相同的噪聲信 號(hào)。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在雪崩光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的 陽極處連接可調(diào)電阻R5。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，以提供直流通路和阻抗匹配，并對(duì)電路進(jìn)行 微調(diào)達(dá)到最佳效果。
[0011] 如上述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，APD-PIN結(jié)電容平衡法抑制微分 噪聲的原理如下：將兩個(gè)直流偏置電壓分別施加在APD和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè) 門控信號(hào)分別施加在Aro和PIN二極管的陰極：當(dāng)Aro的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容 即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置電壓，使其結(jié)電容與APD的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出 的微分噪聲和PIN二極管輸出的微分噪聲具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻 變壓器的初級(jí)繞組，微分噪聲為共模信號(hào)，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞 組的一端接地，共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào)即雪崩信號(hào)得以成功提??；
[0012] 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充；
[0013] 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。雪崩信號(hào)的頻譜較寬，幅度 較小，對(duì)放大器的噪聲特性和頻率特性都有較高要求，而對(duì)放大器的精度和增益的平坦性 不敏感。因此，與運(yùn)算放大器和差分放大器相比，具有固定增益的寬帶射頻低噪聲放大器更 適合雪崩信號(hào)的放大。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0015] 1.本發(fā)明采用與Aro結(jié)構(gòu)和特性相似的射頻PIN二極管作為電容平衡器件，其性 能接近雙Aro平衡法的性能，且成本低廉。該平衡電容與濾波器同時(shí)使用時(shí)，降低了對(duì)濾波 器的性能的要求，減小了濾波器的噪聲輸入功率，從而降低了濾波器自身產(chǎn)生的熱噪聲。
[0016] 2.本發(fā)明采用射頻變壓器抑制共模的微分噪聲。射頻變壓器是無源器件，在保證 高抑制比的同時(shí)，幾乎不引入新的噪聲，與單端輸入的低噪聲寬帶射頻放大器一起使用，可 以得到低至ldB左右的噪聲系數(shù)；相比之下，差分放大器的噪聲系數(shù)通常高于6dB。
[0017] 3.本發(fā)明采用貝塞爾型無源LC低通濾波器可以很好地保持雪崩脈沖的形狀，不 產(chǎn)生拖尾振蕩，有利于減小后級(jí)鑒別器的判決門限，提高探測(cè)效率和計(jì)數(shù)速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中APD-PIN結(jié)電容平衡電路的電路原理圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中9階貝塞爾低通濾波器的電路原理圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中低噪聲寬帶射頻放大器的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不限于此。
[0023] 實(shí)施例1、
[0024] -種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，包括APD-PIN結(jié)電容平衡電路，貝塞爾低 通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，ATO-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與貝塞爾濾波器的 輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入端相連，AH)產(chǎn)生 的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng)過寬帶射頻低噪 聲放大器被放大輸出。
[0025] 所述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié)電容平衡電路，一個(gè) 或多個(gè)貝塞爾低通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器；
[0026] 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極 管D1和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光 電二極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN 二極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連 接至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩 信號(hào)。在雪崩光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的陽極處連接可調(diào)電阻 R5。
[0027] 實(shí)施例2、
[0028] 如實(shí)施例1所述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，將兩個(gè)直流偏置電壓分 別施加在Aro和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè)門控信號(hào)分別施加在Aro和PIN二極管的 陰極：當(dāng)Aro的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置電壓， 使其結(jié)電容與APD的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出的微分噪聲和PIN二極管輸出的微分噪聲 具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻變壓器的初級(jí)繞組，微分噪聲為共模信號(hào)， Aro產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞組的一端接地，共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào) 即雪崩信號(hào)得以成功提??；
[0029] 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充；
[0030] 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。
[0031] 實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，包含APD-PIN結(jié)電容平衡電路1，三級(jí)貝塞 爾濾波器2和兩級(jí)寬帶射頻低噪聲放大器3級(jí)聯(lián)。各電路模塊間使用50歐姆同軸電纜相 連。本實(shí)施例外部連接的直流偏置電壓源為線性穩(wěn)壓電源，門控信號(hào)為重復(fù)頻率0. 1MHz至 200MHz的脈沖信號(hào)。
[0032] 以下為各部分電路的詳細(xì)說明：
[0033] APD-PIN結(jié)電容平衡電路如圖2所示。1GHz的門控信號(hào)通過50歐姆同軸電纜接 入電路，在50歐姆電阻R3處終端匹配。該門控信號(hào)通過電容C1耦合至雪崩光電二極管D1 陰極處，通過C2耦合至PIN二極管D2陰極處，C1與C2相等。APD通過R1連接至偏置電 壓Vbl，PIN二極管通過R2連接至偏置電壓Vb2。電阻R4和可調(diào)電阻R5為AH)和PIN二 極管提供直流通路，并使射頻變壓器阻抗匹配。由于PIN二極管和AH)的RC特性不可避免 地存在細(xì)微的差別，除調(diào)整電壓Vb2外，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5可獲得最佳的噪聲抑制效果。 門控信號(hào)通過兩只二極管的結(jié)電容耦合至陽極，分別加在射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端， 其中Aro端可能含有光子引發(fā)的雪崩信號(hào)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用結(jié)電容和Aro工作時(shí)的 結(jié)電容相近的PIN二極管，同時(shí)保持Aro側(cè)和PIN側(cè)的走線對(duì)稱，以保證到達(dá)T1兩端的噪 聲信號(hào)相同。射頻變壓器的次級(jí)繞組一端接地，另一端通過同軸電纜連接至貝塞爾濾波器。 本實(shí)施例中，APD為工作在近紅外波段的InGaAs/InPAPD，型號(hào)為PGA-300 ;PIN二極管的型 號(hào)為HSMP-389B ;射頻變壓器為工作頻率2. 3MHz至2700MHz的寬帶射頻變壓器CX2156NL。 電路工作時(shí)，通過調(diào)整PIN二極管的偏置電壓Vb2,使其結(jié)電容接近AH)正常工作的結(jié)電容。 此時(shí)，T1兩端的噪聲信號(hào)基本相同，為共模信號(hào)，不會(huì)在初級(jí)繞組上產(chǎn)生電流；而雪崩信號(hào) 電流會(huì)作為差模信號(hào)流過T1的初級(jí)繞組，并使次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流輸出。
[0034] 實(shí)施例中使用9階無源LC貝塞爾型低通濾波器，如圖3所示，其在1. 25GHz處的 抑制比為18dB，-3dB點(diǎn)為550MHz，插入損耗小于2dB。該濾波器在本實(shí)施例中使用了三級(jí)， 1. 25GHz以上頻率的總抑制比大于54dB。
[0035] 實(shí)施例中使用型號(hào)為SGA4563Z的寬帶射頻低噪聲放大器，如圖4所示，它可以工 作在DC至2500MHz的寬帶范圍，具有25. 6dB的典型增益，噪聲系數(shù)1. 9dB。該放大器在本 實(shí)施例中使用了兩級(jí)，總放大倍數(shù)為50dB。
【權(quán)利要求】
1. 一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，該電路包括APD-PIN結(jié)電容平 衡電路，貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，APD-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與 貝塞爾濾波器的輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入 端相連，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng) 過寬帶射頻低噪聲放大器被放大輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，所述單 光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié)電容平衡電路，一個(gè)或多個(gè)貝塞爾低 通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器； 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極管D1 和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光電二 極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN二 極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連接 至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩信 號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，在雪崩 光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的陽極處連接可調(diào)電阻R5。
4. 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，將兩個(gè)直流 偏置電壓分別施加在APD和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè)門控信號(hào)分別施加在AH)和 PIN二極管的陰極：當(dāng)APD的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極 管的偏置電壓，使其結(jié)電容與AH)的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出的微分噪聲和PIN二極管輸 出的微分噪聲具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻變壓器的初級(jí)繞組，微分噪 聲為共模信號(hào)，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞組的一端接地，共模信號(hào)被 抑制，差模信號(hào)即雪崩信號(hào)得以成功提??； 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充； 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK104062018SQ201410323288
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】劉俊良, 李永富, 張春芳 申請(qǐng)人:山東大學(xué)