CN113589129A - 一种用于光电雪崩二极管c-v曲线的测量装置及测量方法 - Google Patents

一种用于光电雪崩二极管c-v曲线的测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光电雪崩二极管C‑V曲线的测量装置，属于电器元件测试技术领域，利用该测量装置能够实现自动测试不同反向偏压条件下，光电雪崩二极管的结电容再输出光电雪崩二极管C‑V曲线，具有使用方便、成本低、测试精确的特点；包括人机接口、偏压模块、单片机、正弦波模块、双路峰值检测模块和电容电压转换模块，所述的单片机分别与人机接口、偏压模块、正弦波模块和双路峰值检测模块连接，所述正弦波模块的输出端与双路峰值检测模块输入端和电容电压转换模块的输入端连接，所述双路峰值检测模块的输入端和电容电压转换模块的输出端连接。发明还公开了该种用于光电雪崩二极管C‑V曲线的测量装置的测量方法。

Description

一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及电器元件测试技术领域，更具体地说，尤其涉及一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置；本发明还涉及该种测量装置的测量方法。
背景技术
APD(光电雪崩二极管)是一种利用半导体材料制作的光电传感器，具有高增益，高灵敏度等特点，与PIN(光电二极管)相比，具有更高的信噪比，被广泛应用于光学测距仪、空间光传输、闪烁侦检器、激光雷达等，在军事和国民经济各领域都有广泛的用途。
APD工作在不同偏置电压时，其结电容值也随偏置电压而变，因此在不同应用场合，后续处理电路设计必须考虑输入电容变化规律(也就是光电雪崩二极管的C-V曲线)，以充分发挥APD的性能。
由此可见，C-V曲线是APD的重要参数之一。但目前尚无APD C-V曲线的专用测试设备，市面上的C-V曲线测试仪器主要都是针对半导体器件特性设计的，无法提供高电压用于APD偏置，也无法在不同偏置电压下进行C-V曲线的扫描。一般测试APD时，需要多台仪器共同组合才能完成APD C-V特性的测量，而且还需要逐点测试，过程非常繁琐。因此，亟待设计一种能够方便测试光电雪崩二极管C-V曲线的测量设备，以便于人们掌握其输入电容的变化规律。
发明内容
本发明的前一目的在于提供一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，利用该测量装置能够实现自动测试不同反向偏压条件下，光电雪崩二极管的结电容再输出光电雪崩二极管C-V曲线，具有使用方便、成本低、测试精确的特点。本发明的另一目的在于提供一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置的测量方法，利用该方法能够自动测量出光电雪崩二极管在不同偏置电压时的电容值以获得其C-V曲线，具有操控方便、效率高的特点。
本发明前一技术方案如下：
一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，包括人机接口、偏压模块、单片机、正弦波模块、双路峰值检测模块和电容电压转换模块，所述的单片机分别与人机接口、偏压模块、正弦波模块和双路峰值检测模块连接，所述正弦波模块的输出端与双路峰值检测模块输入端和电容电压转换模块的输入端连接，所述双路峰值检测模块的输入端和电容电压转换模块的输出端连接。
进一步的，所述偏压模块的输出端与光电雪崩二极管的负端连接，所述正弦波模块的输出端与光电雪崩二极管的正端连接。
进一步的，所述光电雪崩二极管的正端还与电容电压转换模块的输入端连接。
进一步的，所述的电容电压转换模块包括第一运算放大器U1、电阻R1和电容C1，所述的电阻R1和电容C1并联，所述电阻R1和电容C1的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，所述电阻R1和电容C1的另一端与运算放大器U1的输出端连接，所述运算放大器U1的反相输入端还与光电雪崩二极管连接，所述正弦波模块的输入端与运算放大器U1的同相输入端连接。
进一步的，所述的正弦波模块由正弦震荡电路或者DDS直接数字式频率合成器构成。
进一步的，所述的双路峰值检测模块包括第一峰值检测单元和第二峰值检测单元，所述的第一峰值检测单元和第二峰值检测单元均依次设有一个第二运算放大器U2和二极管D1，所述电容电压转换模块的输出端与第一峰值检测单元的第二运算放大器U2同相输入端连接，所述第一峰值检测单元的二极管D1输出端与单片机的AD第一端口连接，所述正弦波模块的输出端与第二峰值检测单元的第二运算放大器U2同相输入端连接，所述第二峰值检测单元的二极管D1输出端与单片机的AD第二端口连接。
本发明的后一技术方案如下：
上述一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置的测量方法，包括如下测试步骤：
(1)将光电雪崩二极管的负端与偏压模块的输出端连接，将光电雪崩二极管的正端与正弦波模块的输出端分别与正弦波模块的输出端和电容电压转换模块连接；
(2)偏压模块输出一个偏置电压至光电雪崩二极管和单片机，正弦波模块输出一个正弦波信息至光电雪崩二极管和双路峰值检测模块，光电雪崩二极管将当期偏置电压下的结电容和正弦波信息的叠加送入电容电压转换模块转换成正弦电压信息输出至双路峰值检测模块；
(3)双路峰值检测模块获得正弦波模块输出的正弦波信息和电容电压转换模块输出的正弦电压信息分别转换成对应的电压幅值并传送至单片机；
(4)单片机获取到正弦波模块和电容电压转换模块输出的电压幅值，计算后获得当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值；
(5)改变偏压模块输出的偏置电压值重复步骤(2)至(4)，获得不同偏置电压值下的光电雪崩二极管的电容值，即得光电雪崩二极管C-V曲线；
(6)将所得光电雪崩二极管C-V曲线通过人机接口输出。
进一步的，所述步骤(4)中，计算当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值公式为：
Figure BDA0003216922050000041
其中，AV为正弦波模块和电容电压转换模块输出的电压幅值的比值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.本发明的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置中，通过设置偏压模块，对光电雪崩二极管施加偏置电压，通过设置正弦波模块，对光电雪崩二极管叠加正弦波信息，通过电容电压转换模块和双路峰值检测模块的转换，获得电容电压转换模块和正弦波模块输出的电压幅值，从而计算出当前偏置电压下光电雪崩二极管的电容值，通过不断改变施加的偏置电压值，就可以获得光电雪崩二极管C-V曲线，使用方便，成本低，测试精确。
2.本发明的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置的测量方法，利用单片机控制偏压模块输出的偏压电压值及正弦波模块输出正弦波信息，并获取正弦波模块和电容电压转换模块输出的电压幅值，经过计算获得当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值，单片机控制偏压模块输出不同的偏压电压值获得不同的光电雪崩二极管的电容值，经过整理后得到光电雪崩二极管C-V曲线，整个测量过程由单片机控制完成，操作更方便，效率更高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的模块框图；
图2是本发明中电容电压转换模块的电路图；
图3是本发明中双路峰值检测模块的电路图。
附图标记说明：101-人机接口；102-偏压模块；103-单片机；104-正弦波模块；105-电容电压转换模块；107-双路峰值检测模块；U1-第一运算放大器；R1-电阻；C1-电容；U2-第二运算放大器；D1-二极管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，包括人机接口101、偏压模块102、单片机103、正弦波模块104、双路峰值检测模块107和电容电压转换模块105，所述的单片机103分别与人机接口101、偏压模块102、正弦波模块104和双路峰值检测模块107连接，所述正弦波模块104的输出端与双路峰值检测模块107输入端和电容电压转换模块105的输入端连接，所述双路峰值检测模块107的输入端和电容电压转换模块105的输出端连接。本发明的测量装置中，通过设置偏压模块102，对光电雪崩二极管施加偏置电压，通过设置正弦波模块104，对光电雪崩二极管叠加正弦波信息，将光电雪崩二极管的反偏结电容耦合入运放输出正弦波信息的幅值之中，通过电容电压转换模块105和双路峰值检测模块107的转换，经过开关相敏解调以及滤波，最后生成与光电雪崩二极管反偏结电容成比例的直流电压，单片机103获取电容电压转换模块107和正弦波模块104输出的电压幅值，从而计算出当前偏置电压下光电雪崩二极管的电容值，通过不断改变施加的偏置电压值，就可以获得光电雪崩二极管C-V曲线，使用方便，成本低，测试精确。
所述偏压模块102的输出端与光电雪崩二极管的负端连接，所述正弦波模块104的输出端与光电雪崩二极管的正端连接，以便对光电雪崩二极管施加偏置电压和叠加正弦波信息。
所述光电雪崩二极管的正端还与电容电压转换模块105的输入端连接。
所述的电容电压转换模块105包括第一运算放大器U1、电阻R1和电容C1，所述的电阻R1和电容C1并联，所述电阻R1和电容C1的一端与运算放大器U1的反相输入端连接，所述电阻R1和电容C1的另一端与运算放大器U1的输出端连接，所述运算放大器U1的反相输入端还与光电雪崩二极管连接，所述正弦波模块104的输入端与运算放大器U1的同相输入端连接。第一运算放大器U1的型号为AD795，电阻R1的阻值为1M欧姆，电容C1取值20pF。
所述的正弦波模块104由正弦震荡电路或者DDS直接数字式频率合成器构成。
所述的双路峰值检测模块107包括第一峰值检测单元和第二峰值检测单元，所述的第一峰值检测单元和第二峰值检测单元均依次设有一个第二运算放大器U2和二极管D1，所述电容电压转换模块105的输出端与第一峰值检测单元的第二运算放大器U2同相输入端连接，所述第一峰值检测单元的二极管D1输出端与单片机103的AD第一端口连接，所述正弦波模块104的输出端与第二峰值检测单元的第二运算放大器U2同相输入端连接，所述第二峰值检测单元的二极管D1输出端与单片机103的AD第二端口连接。利用第一峰值检测单元和第二峰值检测单元将电容电压转换模块105输出的正弦波信息转换成电压幅值，利用第二峰值检测单元正弦波模块104输出的正弦波信息转换成电压幅值。
本发明的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置的测量方法，包括如下测试步骤：
(1)将光电雪崩二极管的负端与偏压模块102的输出端连接，将光电雪崩二极管的正端分别与正弦波模块104的输出端和电容电压转换模块105连接。
(2)偏压模块102输出一个偏置电压至光电雪崩二极管和单片机103，正弦波模块104输出一个正弦波信息至光电雪崩二极管和双路峰值检测模块107，光电雪崩二极管将当期偏置电压下的结电容和正弦波信息的叠加送入电容电压转换模块105转换成正弦电压信息输出至双路峰值检测模块107。
(3)双路峰值检测模块107获得正弦波模块104输出的正弦波信息和电容电压转换模块105输出的正弦电压信息分别转换成对应的电压幅值并传送至单片机103。
其中，正弦波模块104输出的正弦波信息为Vinsin(2πf)，正弦波模块104输出的正弦波信息分别传送至电容电压转换模块105的第一运算放大器U1的同相端和双路峰值检测模块107的一个输入端，此时，由于运放的虚短，第一运算放大器U1的反向端的交流电压也为Vinsin(2πf)，因此，电容电压转换模块105输出的交流电压即为：
Figure BDA0003216922050000071
这个交流电压送入双路峰值检测模块107检测峰值电压，即可得到放大后的正弦电压幅值，电容电压转换模块105输出的放大后的电压幅值与正弦波模块104输出的电压幅值，一同送至单片机103的AD第一端口和AD第二端口。
(4)单片机103获取到正弦波模块104和电容电压转换模块105输出的电压幅值，计算后获得当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值。
其中，计算当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值公式为：
Figure BDA0003216922050000081
其中，AV为正弦波模块104和电容电压转换模块105输出的电压幅值的比值，C1为电容电压转换模块105中电容C1的电容值。
(5)改变偏压模块102输出的偏置电压值重复步骤(2)至(4)，获得不同偏置电压值下的光电雪崩二极管的电容值，即得光电雪崩二极管C-V曲线。
(6)将所得光电雪崩二极管C-V曲线通过人机接口101输出。
本发明的测量方法，利用单片机控制偏压模块输出的偏压电压值及正弦波模块输出正弦波信息，并获取正弦波模块和电容电压转换模块输出的电压幅值，经过计算获得当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值，单片机控制偏压模块输出不同的偏压电压值获得不同的光电雪崩二极管的电容值，经过整理后得到光电雪崩二极管C-V曲线，整个测量过程由单片机控制完成，操作更方便，效率更高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，包括人机接口(101)、偏压模块(102)、单片机(103)、正弦波模块(104)、双路峰值检测模块(107)和电容电压转换模块(105)，所述的单片机(103)分别与人机接口(101)、偏压模块(102)、正弦波模块(104)和双路峰值检测模块(107)连接，所述正弦波模块(104)的输出端与双路峰值检测模块(107)输入端和电容电压转换模块(105)的输入端连接，所述双路峰值检测模块(107)的输入端和电容电压转换模块(105)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，所述偏压模块(102)的输出端与光电雪崩二极管的负端连接，所述正弦波模块(104)的输出端与光电雪崩二极管的正端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，所述光电雪崩二极管的正端还与电容电压转换模块(105)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，所述的电容电压转换模块(105)包括第一运算放大器(U1)、电阻(R1)和电容(C1)，所述的电阻(R1)和电容(C1)并联，所述电阻(R1)和电容(C1)的一端与运算放大器(U1)的反相输入端连接，所述电阻(R1)和电容(C1)的另一端与运算放大器(U1)的输出端连接，所述运算放大器(U1)的反相输入端还与光电雪崩二极管连接，所述正弦波模块(104)的输入端与运算放大器(U1)的同相输入端连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，所述的正弦波模块(104)由正弦震荡电路或者DDS直接数字式频率合成器构成。
6.根据权利要求1所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置，其特征在于，所述的双路峰值检测模块(107)包括第一峰值检测单元和第二峰值检测单元，所述的第一峰值检测单元和第二峰值检测单元均依次设有一个第二运算放大器(U2)和二极管(D1)，所述电容电压转换模块(105)的输出端与第一峰值检测单元的第二运算放大器(U2)同相输入端连接，所述第一峰值检测单元的二极管(D1)输出端与单片机(103)的AD第一端口连接，所述正弦波模块(104)的输出端与第二峰值检测单元的第二运算放大器(U2)同相输入端连接，所述第二峰值检测单元的二极管(D1)输出端与单片机(103)的AD第二端口连接。
7.利用权利要求1所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下测试步骤：
(1)将光电雪崩二极管的负端与偏压模块(102)的输出端连接，将光电雪崩二极管的正端分别与正弦波模块(104)的输出端和电容电压转换模块(105)连接；
(2)偏压模块(102)输出一个偏置电压至光电雪崩二极管和单片机(103)，正弦波模块(104)输出一个正弦波信息至光电雪崩二极管和双路峰值检测模块(107)，光电雪崩二极管将当期偏置电压下的结电容和正弦波信息的叠加送入电容电压转换模块(105)转换成正弦电压信息输出至双路峰值检测模块(107)；
(3)双路峰值检测模块(107)获得正弦波模块(104)输出的正弦波信息和电容电压转换模块(105)输出的正弦电压信息分别转换成对应的电压幅值并传送至单片机(103)；
(4)单片机(103)获取到正弦波模块(104)和电容电压转换模块(105)输出的电压幅值，计算后获得当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值；
(5)改变偏压模块(102)输出的偏置电压值重复步骤(2)至(4)，获得不同偏置电压值下的光电雪崩二极管的电容值，即得光电雪崩二极管C-V曲线；
(6)将所得光电雪崩二极管C-V曲线通过人机接口(101)输出。
8.根据权利要求7所述的一种用于光电雪崩二极管C-V曲线的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算当前偏置电压值的光电雪崩二极管的电容值公式为：
Figure FDA0003216922040000031
其中，AV为正弦波模块(104)和电容电压转换模块(105)输出的电压幅值的比值。
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