專利名稱：一種雪崩光電二極管探測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種雪崩光電二極管(APD)探測電路。
背景技術(shù)：
在光纖通信、光纖傳感等系統(tǒng)中，光不論是作為信息傳輸?shù)妮d體還是作為某物理量的傳感媒質(zhì)，要想將信息或某物理量進行處理、記錄和顯示，必須把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而這一過程由光探測器來完成?；镜墓馓綔y器只能產(chǎn)生低量級的電信號，為實現(xiàn)進一步處理，必須對該電信號進行放大。一個光電探測器及其相應(yīng)的放大電路構(gòu)成光探測電路，即光接收器。在高靈敏度、高信噪比光探測電路應(yīng)用中，雪崩光電二極管(APD)提供了一個低噪聲增益結(jié)構(gòu)。它是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。APD的電流增益用倍增因子M表示，通常定義為倍增的光電流I1與不發(fā)生倍增效應(yīng)時的光電流L之比。倍增因子與PN結(jié)上所加的反向偏壓V和PN結(jié)的材料有關(guān),可以表為
M = I =——--(1)iO ( V 丫
I 一 -
V
\V B J式中，Vb為擊穿電壓…為外加反向偏壓；11為I 3，取決于半導(dǎo)體材料、摻雜分布以及輻射波長。所以，當(dāng)外加電壓V增加到接近Vb時，M將趨近于無窮大，此時PN結(jié)將發(fā)生擊穿。應(yīng)用中，最佳工作電壓不宜超過Vb，否則會不穩(wěn)定進入擊穿；也不宜太小，會無雪崩倍增效應(yīng)。由于注入APD的光信號本身很微弱，使得其輸出電流信號也很微弱，需要接入跨阻放大器進一步放大，如果采用放大集成芯片及電阻電容搭出跨阻放大器，其放大器等效的輸入電容會降低光電探測器的靈敏度和帶寬，增加放大器的輸出噪聲。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種靈敏度和信噪比高的APD探測電路。本實用新型包括如下技術(shù)方案一種雪崩光電二極管探測電路，包括依次連接的雪崩光電二極管電源、雪崩光電二極管集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極管電源產(chǎn)生的高壓加在雪崩光電二極管集成模塊兩端使雪崩光電二極管反偏；雪崩光電二極管集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極管和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉(zhuǎn)單端放大電路，其將雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經(jīng)過第二級放大電路放大輸出。第一級放大電路包括放大器ICl及其外圍電路，第二級放大電路包括放大器IC2及其外圍電路。APD電源的輸出電壓HV通過電阻R4與APD集成模塊的陰極相連，APD集成模塊的接地端接地，APD集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯(lián)的電阻R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，APD集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯(lián)的電阻R8、R9與放大器ICl的負(fù)輸入
端相連。放大器ICl的正輸入端通過電阻R7接地，放大器ICl的負(fù)輸入端通過并聯(lián)的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯(lián)的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連。放大器IC2的正輸入端通過電容C20接地；放大器IC2的負(fù)輸入端通過電阻R13接地，同時放大器IC2的負(fù)輸入端通過并聯(lián)的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連；放大器IC2的輸出端通過電阻R15輸出放大信號。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(I)該探測電路比由APD和跨阻放大器搭建的電路具有更高的靈敏度和信噪比，并已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程分布光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)中，使系統(tǒng)達(dá)到較高的溫度精度和空間分
辨率；(2)該探測電路的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高；(3)該探測電路中的APD集成模塊采用差分輸出方式有效地抑制了電路的共模噪聲，提高了探測電路的信噪比。

圖I為本實用新型探測電路的構(gòu)成方框圖；圖2為本實用新型探測電路的電路圖。
具體實施方式
由于注入APD的光信號本身很微弱，使得其輸出電流信號也很微弱，需要接入跨阻放大器進一步放大，如果采用放大集成芯片及電阻電容搭出跨阻放大器，其放大器等效的輸入電容會降低光電探測器的靈敏度和帶寬，增加放大器的輸出噪聲。因此，減小放大器等效輸入電容是實現(xiàn)高靈敏度、高信噪比和寬帶Aro探測電路的關(guān)鍵。放大器的等效輸入電容包括APD的源電容、APD與放大器連接的PCB印制線寄生電容及放大器封裝寄生電容等，APD的源電容選定管子就確定了，可減小的是后兩項。通過將APD與跨阻放大器集成的方式可有效地減小后兩項的影響。帶前置跨阻放大器的Aro集成模塊為了獲得較低的噪聲和較大的帶寬，其增益不能太高。通常，單端輸出電壓大約為幾毫伏，幅值仍較小。因此，需要主放大電路進一步將信號放大至一定幅度的電壓信號以便后續(xù)電路的使用。如圖I所示，本實用新型的Aro探測電路主要由APD電源、帶前置跨阻放大器的InGaAs APD集成模塊和主放大電路三部分組成。APD電源通過PWM工作方式產(chǎn)生正40V左右的偏置電壓給帶前置跨阻放大器的InGaAs ATO集成模塊，通常，不同APD的最佳反向偏壓不同，帶前置跨阻放大器的InGaAs ATO模塊在微弱的脈沖光照下產(chǎn)生高速差分信號輸入到主放大電路，主放大電路經(jīng)過雙端到單端轉(zhuǎn)換并放大輸出一定幅度的電壓信號供后續(xù)電路使用。其中，APD電源電路會產(chǎn)生電磁輻射，為了消除其對APD探測電路的電磁干擾，將APD電源置于一小鋁殼體中；另外，APD探測電路屬于微弱信號探測，很容易受到外界電磁干擾，因此，將其置于一大招殼體中。參照圖2，本實用新型中的APD電源產(chǎn)生的電壓HV經(jīng)過低通濾波網(wǎng)絡(luò)輸出給APD集成模塊;APD集成模塊選用現(xiàn)有的集成模塊，能夠在微弱的光脈沖輸入下產(chǎn)生高速差分信號。該探測電路可探測到小于-60dBm的微弱光信號，經(jīng)APD集成模塊輸出的單端信號包含一直流分量和幾mV的交流小電壓信號。差分信號輸入到主放大電路，經(jīng)過差分到單端的轉(zhuǎn)換并放大到一定幅度的電壓信號。主放大電路由兩級放大電路組成，其中第一級為差分到單端轉(zhuǎn)換電路，由放大器ICl及其外圍的電阻電容組成；第二級是由放大器IC2及其外圍的電阻電容組成的正相放大電路，輸出信號達(dá)到百mV。為了避免輸出信號自激，分別在這兩級放大電路中的反饋回路上并聯(lián)補償電容C19和C21。如圖2所示，APD電源的輸出端輸出電壓HV，電壓HV通過電阻R4與APD集成模塊的陰極相連，APD集成模塊的接地端接地，APD集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯(lián)電阻 R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，放大器ICl的正輸入端同時通過電阻R7接地；APD集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯(lián)電阻R8、R9與放大器ICl的負(fù)輸入端相連；放大器ICl的負(fù)輸入端通過并聯(lián)的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯(lián)的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連；放大器IC2的正輸入端同時還通過電容C20接地。放大器IC2的負(fù)輸入端通過電阻R13接地，放大器IC2的負(fù)輸入端同時通過并聯(lián)的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連。放大器IC2的輸出端與電阻R15的一端相連；電阻R15的另一端作為APD探測電路的輸出端進行輸出。APD電源的電源輸入端與電阻Rl的一端相連，同時電阻Rl的一端通過并聯(lián)的電容C3、C4、C5接地，電阻Rl的另一端與+5V電源相連。APD電源的接地端接地。APD電源的輸出端通過并聯(lián)的電容C15、C16接地，同時與電阻R4的一端相連，電阻R4的另一端通過并聯(lián)的電容C17、C18接地。在+5V電壓和地之間并聯(lián)電容C1、C2、C9、C10和Cll ；+5V電源與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與AH)集成模塊的電源輸入端相連，同時電阻R2的另一端通過并聯(lián)的電容C6、C7、C8接地。+5V電壓與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與放大器IC2的正電源端相連，同時電阻R3的另一端通過并聯(lián)的電容C12、C13、C14接地。-5V電壓通過并聯(lián)的電容C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29和C30接地。+5V電壓與放大器ICl的正電源端相連，-5V電壓分別與放大器IC1、放大器IC2的負(fù)電源端相連。該探測電路已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程分布光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)中，使系統(tǒng)達(dá)到較高的溫度精度和空間分辨率。本實用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種雪崩光電二極管探測電路，其特征在于，包括依次連接的雪崩光電二極管電源、雪崩光電二極管集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極管電源產(chǎn)生的高壓加在雪崩光電二極管集成模塊兩端使雪崩光電二極管反偏；雪崩光電二極管集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極管和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉(zhuǎn)單端放大電路，其將雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經(jīng)過第二級放大電路放大輸出。
2.如權(quán)利要求I所述的雪崩光電二極管探測電路，其特征在于，第一級放大電路包括放大器ICl及其外圍電路，第二級放大電路包括放大器IC2及其外圍電路。
3.如權(quán)利要求2所述的雪崩光電二極管探測電路，其特征在于，雪崩光電二極管電源的輸出電壓HV通過電阻R4與雪崩光電二極管集成模塊的陰極相連，雪崩光電二極管集成模塊的接地端接地，雪崩光電二極管集成模塊的正相電壓輸出端通過串聯(lián)的電阻R5、R6與放大器ICl的正輸入端相連，雪崩光電二極管集成模塊的反相電壓輸出端通過串聯(lián)的電阻R8、R9與放大器ICl的負(fù)輸入端相連。
4.如權(quán)利要求3所述的雪崩光電二極管探測電路，其特征在于，放大器ICl的正輸入端通過電阻R7接地，放大器ICl的負(fù)輸入端通過并聯(lián)的電阻RlO和電容C19與放大器ICl的輸出端相連；放大器ICl的輸出端通過串聯(lián)的電阻R11、R12與放大器IC2的正輸入端相連。
5.如權(quán)利要求4所述的雪崩光電二極管探測電路，其特征在于，放大器IC2的正輸入端通過電容C20接地；放大器IC2的負(fù)輸入端通過電阻R13接地，同時放大器IC2的負(fù)輸入端通過并聯(lián)的電阻R14、電容C21與放大器IC2的輸出端相連；放大器IC2的輸出端通過電阻R15輸出放大信號。
專利摘要本實用新型公開了一種雪崩光電二極管探測電路，包括依次連接的雪崩光電二極管電源、雪崩光電二極管集成模塊和主放大電路；雪崩光電二極管電源產(chǎn)生的高壓加在雪崩光電二極管集成模塊兩端使雪崩光電二極管反偏；雪崩光電二極管集成模塊包括集成在一起的低噪聲雪崩光電二極管和低噪跨阻放大器，雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號進入主放大電路，主放大電路由兩級放大電路組成，其中，第一級放大電路為雙端轉(zhuǎn)單端放大電路，其將雪崩光電二極管集成模塊產(chǎn)生的差分信號相減放大輸出，第一級放大電路的輸出信號再經(jīng)過第二級放大電路放大輸出。本實用新型具有靈敏度和信噪比高，電路簡單，成本低廉，安全可靠等優(yōu)點。
文檔編號H03F1/26GK202550965SQ201220117880
公開日2012年11月21日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者張東旭, 李俊一, 楊瀟君 申請人:北京航天時代光電科技有限公司