CN108362393A - 一种低噪声apd光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低噪声APD光电转换装置，包括：APD模块、APD偏压供电与温度补偿电路、多级放大电路。其中，APD模块包括：APD探测器、温度传感器以及跨阻放大器，APD探测器将输入的光信号转换成电流信号，经跨阻放大器转换成电压信号传给多级放大电路，同时，温度传感器会根据APD模块的温度输出对应的感温电流，偏压供电与温度补偿电路根据感温电流的大小为APD探测器提供经过温度补偿的偏置电压。本发明设计了一种APD光电转换装置，将跨阻放大器封装在APD模块内，降低了跨组放大器耦合的环境噪声水平；并且，基于LT3571升压芯片设计了一种简单的温度补偿电路。

Description

一种低噪声APD光电转换装置
技术领域
本发明涉及一种光电转换装置，特别是一种适用于拉曼分布式光纤温度传感器的低噪声APD光电转换装置。
背景技术
拉曼分布式光纤温度传感器是基于光纤拉曼散射效应的一种分布式光纤传感器，目前已经较广泛地应用于火警监控、石油管道监控等大空间范围的温度测量。测温光纤周围温度的变化会引起拉曼散射光信号的强度变化，通过探测散射光强的变化便可获得待测温度值。
由于光纤拉曼散射信号极弱，需要一种高增益且低噪声的光电转换装置将光信号转换成电信号，传给信号解调电路进行数据解算，拉曼分布式光纤温度传感器一般使用雪崩光电二极管APD将光信号转换为电流信号，并在放大电路中设计一级跨组放大器将APD输出的电流信号再转化为电压信号，再进行放大。由于跨组放大器容易耦合空间中的环境噪声，这种设计的光电转换装置很难达到理想信噪比。
同时，APD的增益受环境温度的影响，需要采取适当控制措施。其中一种方法是将热电制冷器(TEC)和热敏电阻同APD封装在一起，对APD进行温度控制。该方案的封装工艺复杂，制作成本高。另一种方法是根据温度的变化调节APD的偏置电压，以补偿因环境温度变化引起的APD增益变化，但使用该方案的现有电路设计较为复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种低噪声APD光电转换装置，解决了光信号转换成电信号过程中噪声过大，无法达到理想信噪比的问题。
本发明的技术方案是：
一种低噪声APD光电转换装置，包括：APD模块、偏压供电与温度补偿电路；
APD模块接收外部输入的光信号，将光信号转换为电信号向外部输出；同时，APD模块产生感温电流，将感温电流发送给偏压供电与温度补偿电路，并接收偏压供电与温度补偿电路返回的的偏置电压；
偏压供电与温度补偿电路接收APD模块发送的感温电流，根据感温电流发送偏置电压给APD模块。
所述APD模块包括温度传感器、跨组放大器、APD探测器、电阻R1、电阻RF、电容CF；
APD探测器的正极连接跨组放大器的反向输入端，APD探测器的负极接收偏压供电与温度补偿电路输入的偏置电压；温度传感器的一端连接+5V，温度传感器的另一端向偏压供电与温度补偿电路输出感温电流；电容CF的一端连接电阻RF的一端，共同连接跨组放大器的反向输入端，电容CF的另一端连接电阻RF的另一端，共同连接跨组放大器的输出端；电阻R1的一端连接跨组放大器的正向输入端，另一端作为接地端；跨组放大器的正向供电端连接+5V，跨组放大器负向供电端连接-5V，跨组放大器的输出端向外部输出信号电压。
所述偏压供电与温度补偿电路包括升压芯片、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻RS、电阻RT、变阻器RW1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C16、以及电感L1；
电容C1的一端与电阻R5的一端共同连接5V供电，电容C1的另一端接地，电阻R5的另一端与电容C7的一端共同连接升压芯片的12引脚；电容C7的另一端接地；电容C16的一端和R6的一端共同连接升压芯片的14引脚，该引脚接收APD模块发送的感温电流，电容C16的另一端和电阻R6的另一端共同接地；电阻RT的一端连接升压芯片的9引脚，电阻RT的另一端接地；电感L1的一端连接升压芯片的11引脚，电感L1的另一端连接升压芯片的6引脚和5引脚；升压芯片的17引脚与7引脚共同接地，电容C5的一端与电阻R3的一端共同连接升压芯片的16引脚，电容C5的另一端与电阻R3的另一端共同接地；电阻R4的一端连接升压芯片的2引脚，电阻R4的另一端作为偏置电压输出端；电容C4的一端与电容C6的一端并并向APD模块输出偏置电压，电容C4的另一端与电容C6的另一端共同接地；电容C3的一端连接升压芯片的3引脚，电容C3的一端连接升压芯片的15引脚；电阻R2的一端连接升压芯片的15引脚，电阻R2的另一端接地；电阻RS的一端连接升压芯片的4引脚，电阻RS的另一端连接升压芯片的3引脚；电容C2的一端连接升压芯片的4引脚，电容C2的另一端接地；变阻器RW1的1引脚连接升压芯片的15引脚，变阻器RW1的2引脚连接变阻器RW1的3引脚，共同连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接升压芯片的3引脚；电阻R7的一端连接变阻器RW1的1引脚，电阻R7的另一端连接变阻器RW1的引脚3。
所述转换装置还包括多级放大电路，多级放大电路连接APD模块的信号电压输出端，用于放大APD模块产生的电压信号，并将放大后的电信号发送给外部信号采集设备。
所述升压芯片的型号为LT3571。
所述温度传感器的型号为AD590。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明设计了一种低噪声APD光电转换装置，将跨组放大器和温度传感器AD590封装在APD模块内，对跨组放大器起到一定屏蔽作用，减少了跨组放大器耦合的环境噪声，利于提高光电转换装置的信噪比；
2)本发明基于LT3571升压芯片设计了一种温度补偿电路，可根据温度传感器AD590输出的感温电流改变APD偏置电压，以补偿因环境温度变化引起的APD增益变化，该电路结构简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明的低噪声APD光电转换装置示意图；
图2为本发明APD模块内部结构示意图；
图3为偏压供电与补偿电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，一种低噪声APD光电转换装置，包括：APD模块1、偏压供电与温度补偿电路2，多级放大电路3。
所述偏压供电与温度补偿电路2用于产生直流偏置电压传给APD模块1，接收感温电流，并根据感温电流的大小对直流偏置电压进行调节；
所述APD模块1是一种集成电路模块，用于将输入的微弱光信号转化为电压信号，并根据环境温度产生对应的感温电流。
所述多级放大电路3用于放大电压信号；
如图2所示，APD模块内部包括温度传感器AD590、跨组放大器、APD探测器、电阻R1、电阻RF、电容CF；
APD探测器的正极连接跨组放大器的反向输入端，APD探测器的负极作为偏置电压输入端；AD590的一端连接+5V，AD590的另一端作为感温电流输出端；电容CF的一端连接电阻RF的一端，共同连接跨组放大器的反向输入端，电容CF的另一端连接电阻RF的另一端，共同连接跨组放大器的输出端；电阻R1的一端连接跨组放大器的正向输入端，另一端作为接地端；跨组放大器的正向供电端连接+5V，跨组放大器负向供电端连接-5V，跨组放大器的输出端作为信号电压输出端。
偏置供电与补偿电路2产生的偏置电压输入给APD探测器，从而使APD探测器反向偏置，APD探测器将输入光信号转换为电流信号传给跨阻放大器，跨阻放大器再将电流信号转换为电压信号传给多级放大电路3；APD探测器为InGaAs雪崩光电二极管APD光谱响应范围为1000～1680nm，光谱响应度Re优于10A/W，倍增因子M为10～20；跨阻放大器的跨阻RF值为100KΩ～400KΩ。
当输入光信号的功率为2nW时，通过调节偏置电压使APD倍增因子为10，光谱响应度Re为10A/W，跨阻RF设置为400KΩ，则APD模块的输出电压为8mV，经过27倍多级放大，信号电压值为216mV。APD模块的输出噪声峰峰值为3mV,经过27倍多级放大后，为81mV。
如图3所示，偏压供电与温度补偿电路2包括LT3571升压芯片、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻RS、电阻RT、变阻器RW1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C16、以及电感L1；
连接方式为：电容C1的一端连接电阻R5的一端，共同连接5V供电，电容C1的另一端接地，电阻R5的另一端与电容C7的一端连接，共同连接LT3571升压芯片的12引脚；电容C7的另一端接地，电容C16的一端和R6的一端共同连接LT3571升压芯片的14引脚，该引脚作为感温电流的输入端，电容C16的另一端和电阻R6的另一端共同接地；电阻RT的一端连接LT3571升压芯片的9引脚，电阻RT的另一端接地；电感L1的一端连接LT3571升压芯片的11引脚，电感L1的另一端连接LT3571升压芯片的6引脚和5引脚；LT3571升压芯片的17引脚与7引脚共同接地，电容C5的一端连接电阻R3的一端，共同连接LT3571升压芯片的16引脚，电容C5的另一端与电阻R3的另一端共同接地；电阻R4的一端连接LT3571升压芯片的2引脚，电阻R4的另一端作为偏置电压输出端；电容C4的一端连接电容C6的一端，共同连接偏置电压输出端，电容C4的另一端与电容C6的另一端共同接地；电容C3的一端连接LT3571升压芯片的3引脚，电容C3的一端连接LT3571升压芯片的15引脚；电阻R2的一端连接LT3571升压芯片的15引脚，电阻R2的另一端接地；电阻Rs的一端连接LT3571升压芯片的4引脚，电阻Rs的另一端连接LT3571升压芯片的3引脚；电容C2的一端连接LT3571升压芯片的4引脚，电容C2的另一端接地；变阻器RW1的1引脚连接LT3571升压芯片的15引脚，变阻器RW1的2引脚连接变阻器RW1的3引脚，共同连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接LT3571升压芯片的3引脚；电阻R7的一端连接变阻器RW1的1引脚，电阻R7的另一端连接变阻器RW1的引脚3。
偏压供电与补偿电路2是基于LT3571升压芯片设计的，当LT3571的14引脚输入电压值为0-1V之间时，有如下关系计算公式。
VCTRL＝IcR6 2
式中VMONIM为3引脚的输出电压，VCTRL是14引脚的输入电压，Ic为AD590根据APD温度输出的电流值，25℃时为298.2uA，变化率为1uA/℃。
电阻R6取为2K，25℃时，VCTRL＝0.5964V，当温度上升到50℃时，Ic＝323.2uA，VCTRL＝0.6464V，所以在50℃以内，VCTRL在0-1V之间，变化率为2mV/℃，满足公式1的条件。
2引脚输出的电压经电阻R4后输出偏置电压给APD模块1，偏置电压VHV＝VMONIM-5V。电路中电阻R2＝12K，该阻值与LT3571的开关频率有关，固定不变，取电阻R1为976K加上50K的电位器，电阻R1的阻值范围为976K-1026K，所以25℃时VHV的电压范围为44.1-46.6V，随温度变化率为0.165-0.173V/℃。
电阻Rs为限流电阻，用于限制输出给APD的最大电流IAPD，计算公式为：
当Rs为20Ω时，IAPD＝8.1mA。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于包括：APD模块(1)、偏压供电与温度补偿电路(2)；
APD模块(1)接收外部输入的光信号，将光信号转换为电信号向外部输出；同时，APD模块(1)产生感温电流，将感温电流发送给偏压供电与温度补偿电路(2)，并接收偏压供电与温度补偿电路(2)返回的的偏置电压；
偏压供电与温度补偿电路(2)接收APD模块(1)发送的感温电流，根据感温电流发送偏置电压给APD模块(1)。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于：所述APD模块(1)包括温度传感器、跨组放大器、APD探测器、电阻R1、电阻RF、电容CF；
APD探测器的正极连接跨组放大器的反向输入端，APD探测器的负极接收偏压供电与温度补偿电路(2)输入的偏置电压；温度传感器的一端连接+5V，温度传感器的另一端向偏压供电与温度补偿电路(2)输出感温电流；电容CF的一端连接电阻RF的一端，共同连接跨组放大器的反向输入端，电容CF的另一端连接电阻RF的另一端，共同连接跨组放大器的输出端；电阻R1的一端连接跨组放大器的正向输入端，另一端作为接地端；跨组放大器的正向供电端连接+5V，跨组放大器负向供电端连接-5V，跨组放大器的输出端向外部输出信号电压。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于：所述偏压供电与温度补偿电路(2)包括升压芯片、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻RS、电阻RT、变阻器RW1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C16、以及电感L1；
电容C1的一端与电阻R5的一端共同连接5V供电，电容C1的另一端接地，电阻R5的另一端与电容C7的一端共同连接升压芯片的12引脚；电容C7的另一端接地；电容C16的一端和R6的一端共同连接升压芯片的14引脚，该引脚接收APD模块(1)发送的感温电流，电容C16的另一端和电阻R6的另一端共同接地；电阻RT的一端连接升压芯片的9引脚，电阻RT的另一端接地；电感L1的一端连接升压芯片的11引脚，电感L1的另一端连接升压芯片的6引脚和5引脚；升压芯片的17引脚与7引脚共同接地，电容C5的一端与电阻R3的一端共同连接升压芯片的16引脚，电容C5的另一端与电阻R3的另一端共同接地；电阻R4的一端连接升压芯片的2引脚，电阻R4的另一端作为偏置电压输出端；电容C4的一端与电容C6的一端并并向APD模块(1)输出偏置电压，电容C4的另一端与电容C6的另一端共同接地；电容C3的一端连接升压芯片的3引脚，电容C3的一端连接升压芯片的15引脚；电阻R2的一端连接升压芯片的15引脚，电阻R2的另一端接地；电阻RS的一端连接升压芯片的4引脚，电阻RS的另一端连接升压芯片的3引脚；电容C2的一端连接升压芯片的4引脚，电容C2的另一端接地；变阻器RW1的1引脚连接升压芯片的15引脚，变阻器RW1的2引脚连接变阻器RW1的3引脚，共同连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接升压芯片的3引脚；电阻R7的一端连接变阻器RW1的1引脚，电阻R7的另一端连接变阻器RW1的引脚3。
4.根据权利要求1-3任意所述的一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于：所述转换装置还包括多级放大电路(3)，多级放大电路(3)连接APD模块(1)的信号电压输出端，用于放大APD模块(1)产生的电压信号，并将放大后的电信号发送给外部信号采集设备。
5.根据权利要求5所述的一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于：所述升压芯片的型号为LT3571。
6.根据权利要求6所述的一种低噪声APD光电转换装置，其特征在于：所述温度传感器的型号为AD590。
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