CN104218917A - 用于消除apd雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消除APD雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分滤波装置，包括门电路、APD、第一运算放大器、相减电路、比较器甄别电路、偏置电路VDC1、第二运算放大器、二极管、四通道DAC电压控制电路和偏置电路VDC2；偏置电路VDC2用于调节二极管的结电容的大小，使二极管的结电容特性与APD的结电容特性一致；第二运算放大器放大二极管输出信号并滤除二极管输出信号中的高频成分；相减电路对APD输出信号和二极管输出信号进行相减处理后，输出相减后的信号给比较器甄别电路；比较器甄别电路输出探测信号。总之，本发明基本能够彻底地滤除尖峰噪声，而且成本低，使探测器的工作频率和线性度大大提高。

Description

用于消除APD雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分滤波装置

 

技术领域

    本发明是一种新型的用于消除单光子探测器雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分电路。

背景技术

目前的红外单光子探测器常选择INGaAsP/InP雪崩光电二极管(APD)，并使APD工作于击穿电压之上（盖革模式），以发挥其极限灵敏度，即所谓的盖革模式。在盖革模式下为保证探测器连续、正常工作，必须及时抑制雪崩。而门模技术能够有效的抑制雪崩，最大限度地提高APD的探测性能。然而门控抑制脉冲加在APD上时会产生尖峰噪声电压，这是由于APD本身也是二极管的一种，它与普通二极管一样具有结电容，这使得当门脉冲加到APD上时，APD会对门信号产生一种微分效应，从而形成上下对称的尖锋噪声（峰峰值上百毫伏），这样一来当光子激发APD雪崩时，输出的微弱的雪崩信号（峰峰值几个毫伏）将会湮没在这个庞大的尖峰噪声中。更可怕的是尖峰噪声和雪崩信号在频谱上并不是完全分开的，这使得雪崩信号的提取成为了一个普遍难题。

传统的雪崩信号提取的技术方案中也有很多搭建自差分电路的尝试。但往往没有达到较好的效果，其尖峰噪声只是在一定程度上被衰减，并没有真正被滤除，如图1，这种直接对雪崩输出信号做差分的方法并不能完全抵消尖峰噪声。目前也有很多是采用定制无源低通滤波器的方案，并在低通滤波器后面加上多级运算放大器，如图2，该方案也只能尽可能地分离尖峰噪声和雪崩信号。其最终效果是实现了在一个被衰减了的尖峰噪声的峰值上叠加了一个可被区分的雪崩信号。但由于低通滤波器无法实现输入阻抗在整个频谱上为一个恒定值，因此无法做到完美的阻抗匹配，这使得输出的尖峰噪声的波形会有几十ns的震荡拖尾，这将导致探测器触发频率改变时相应的尖峰噪声也会发生明显变形，从而随着频率变化探测器的探测效率也发生很大变化，探测器的线性度非常差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于消除APD雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分滤波装置。本用于消除APD雪崩信号输出端的尖峰噪声的自差分滤波装置能够消除尖峰噪声，从而方便地提取雪崩信号，并且没有无源低通滤波器方案带宽有限的缺点，而且成本比定制的无源低通滤波器低。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：用于红外单光子探测器的自差分滤波装置，包括依次串联的门电路、APD、第一运算放大器、相减电路、比较器甄别电路和偏置电路VDC1；其特征在于：还包括第二运算放大器、二极管、四通道DAC电压控制电路和偏置电路VDC2；所述门电路、APD、第一运算放大器、相减电路和比较器甄别电路依次串联；四通道DAC电压控制电路的第一输出端CH1与偏置电路VDC2电连接，偏置电路VDC2的输出端与二极管电连接，二极管的还分别与第二运算放大器的输入端以及门电路电连接，第二运算放大器的输出端与相减电路的输入端电连接；四通道DAC电压控制电路的第二输出端CH2与比较器甄别电路的输入端电连接，四通道DAC电压控制电路的第三输出端CH3与偏置电路VDC1的输入端电连接，偏置电路VDC1的输出端与APD的输入端电连接；所述偏置电路VDC2用于调节二极管的结电容的大小，使二极管的结电容特性与APD的结电容特性一致；所述第一运算放大器用于放大APD输出信号并滤除APD输出信号中的高频成分，所述第二运算放大器放大二极管输出信号并滤除二极管输出信号中的高频成分；所述相减电路对APD输出信号和二极管输出信号进行相减处理后，输出相减后的信号给比较器甄别电路；比较器甄别电路输出探测信号。

进一步的，还包括与比较器甄别电路电连接并且用于对探测信号进行整形的脉冲整形电路。

所述探测器工作的盖革模式是目前公认的比较通用的做法，其过程就是：首先使得APD管制冷到-50℃的低温下，该温度是APD能发生雪崩的条件之一，另外还需在APD管的阴极加上大概50V以上的高压偏置，这时还不足以使得APD雪崩二极管产生雪崩光电流，该电压只是一个预偏置电压。实际应用中是在光子到达APD的时刻再在APD的阳极加上一个下拉的电压脉冲，即门脉冲，相当于给光子“开门”，那么当光子达到APD管的时候APD上的阴极和阳极的电压差就等于高压偏置电压加上门脉冲电压，这两个电压叠加后才使得光子到达的时候APD管是具备雪崩条件的。四通道DAC电压控制电路用于设置偏置电路VDC1、VDC2的偏置电压，设置比较器输入端的甄别电压。偏置电路VDC2加在普通二极管的两端，二极管的结电容是随着偏压改变而改变的，通过调整该电压使得其结电容和APD管的结电容达到一致，从而达到输出波形的一致性。

本发明为一种自差分电路，其原理是引入一个二极管，所述二极管为普通二极管即可，将普通二极管并连在APD上，并且搭建一个与APD雪崩信号提取电路完全对称的电路，这两路对称电路组成一个自差分电路，APD的输出信号包括尖峰噪声和雪崩信号，普通二极管的输出信号为尖峰噪声，这样再通过相减电路彻底消除其中的尖峰噪声，使得真正的雪崩信号被提取出来。具体而言，本发明针对传统方案中的各种缺点做出了优化。首先是用普通二极管代替APD搭建匹配电路，并且单独使用了一路偏压控制电路，通过单独调节偏置电压来改变二极管的结电容大小，使二极管和APD的结电容特性达到一致；然后在进行相减之前用运算放大器本身的带宽特性来滤除APD和二极管输出信号中的高频成分，即用运算放大器发挥信号放大和信号滤波的作用。实验验证了经过该有源滤波电路后不再有各种杂乱的高频噪声，两路信号得到了很好的一致性，从而经过后续相减电路后尖峰噪声信号能够完全抵消，使得真正的雪崩信号被提取出来。这使得探测器在工作频率变化时探测效率依然保持优越的线性度。简言之，本发明使用了通用二极管搭建对称电路，并且使用单独偏置电路来调节二极管结电容，使之匹配APD结电容特性，使得输出信号对称性更优；本发明不直接对APD和二极管输出信号做相减，而是利用雪崩信号放大电路，即第一运算放大器，对APD输出信号做一次有源滤波，滤除高频杂波，得出理想的对称信号，从而使相减后的噪声信号非常小，基本能控制在15mv以内。

总之，本发明基本能够彻底地滤除尖峰噪声，另外,比定制的无源低通滤波器低很多，并且没有低通滤波的带宽限制，使探测器的工作频率和线性度大大提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的电路原理示意图。

图2为本发明实施例1的电路结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，本用于红外单光子探测器的自差分滤波装置，包括依次串联的门电路、APD、第一运算放大器、相减电路、比较器甄别电路和偏置电路VDC1；还包括第二运算放大器、二极管、四通道DAC电压控制电路和偏置电路VDC2；所述门电路、APD、第一运算放大器、相减电路和比较器甄别电路依次串联；四通道DAC电压控制电路的第一输出端CH1与偏置电路VDC2电连接，偏置电路VDC2的输出端与二极管电连接，二极管的还分别与第二运算放大器的输入端以及门电路电连接，第二运算放大器的输出端与相减电路的输入端电连接；四通道DAC电压控制电路的第二输出端CH2与比较器甄别电路的输入端电连接，四通道DAC电压控制电路的第三输出端CH3与偏置电路VDC1的输入端电连接，偏置电路VDC1的输出端与APD的输入端电连接；所述偏置电路VDC2用于调节二极管的结电容的大小，使二极管的结电容特性与APD的结电容特性一致；所述第一运算放大器用于放大APD输出信号并滤除APD输出信号中的高频成分，所述第二运算放大器放大二极管输出信号并滤除二极管输出信号中的高频成分；所述相减电路对APD输出信号和二极管输出信号进行相减处理后，输出相减后的信号给比较器甄别电路；比较器甄别电路输出探测信号。还包括与比较器甄别电路电连接并且用于对探测信号进行整形的脉冲整形电路。

Claims (2)

1.一种用于红外单光子探测器的自差分滤波装置，包括依次串联的门电路、APD、第一运算放大器、相减电路、比较器甄别电路和偏置电路VDC1；其特征在于：还包括第二运算放大器、二极管、四通道DAC电压控制电路和偏置电路VDC2；所述门电路、APD、第一运算放大器、相减电路和比较器甄别电路依次串联；四通道DAC电压控制电路的第一输出端CH1与偏置电路VDC2电连接，偏置电路VDC2的输出端与二极管电连接，二极管的还分别与第二运算放大器的输入端以及门电路电连接，第二运算放大器的输出端与相减电路的输入端电连接；四通道DAC电压控制电路的第二输出端CH2与比较器甄别电路的输入端电连接，四通道DAC电压控制电路的第三输出端CH3与偏置电路VDC1的输入端电连接，偏置电路VDC1的输出端与APD的输入端电连接；所述偏置电路VDC2用于调节二极管的结电容的大小，使二极管的结电容特性与APD的结电容特性一致；所述第一运算放大器用于放大APD输出信号并滤除APD输出信号中的高频成分，所述第二运算放大器放大二极管输出信号并滤除二极管输出信号中的高频成分；所述相减电路对APD输出信号和二极管输出信号进行相减处理后，输出相减后的信号给比较器甄别电路；比较器甄别电路输出探测信号。

2.根据权利要求1所述的用于红外单光子探测器的自差分滤波装置，其特征在于：还包括与比较器甄别电路电连接并且用于对探测信号进行整形的脉冲整形电路。