CN202548286U - 雪崩光电二极管探测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了雪崩光电二极管探测电路，包括依次连接的雪崩光电二极管电源、雪崩光电二极管、跨阻放大电路和主放大电路，雪崩光电二极管在微弱脉冲光照及雪崩光电二极管电源的作用下产生高速微弱的光电流进入跨阻放大电路，跨阻放大电路输出小电压信号进入主放大电路，主放大电路对该信号进行两级放大并输出一定幅度的电压信号；所述跨阻放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC1；所述主放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC2和IC3。本实用新型具有更高的灵敏度和信噪比，并且具有电路简单，成本低廉，安全可靠等优点，适合光通信、光纤传感等多领域。

Description

雪崩光电二极管探测电路

技术领域

本实用新型涉及一种雪崩光电二极管探测电路。

背景技术

在光纤通信、光纤传感等系统中，光不论是作为信息传输的载体还是作为某物理量的传感媒质，要想将信息或某物理量进行处理、记录和显示，必须把光信号转变为电信号，而这一过程由光探测器来完成。基本的光探测器只能产生低量级的电信号，为实现进一步处理，必须对该电信号进行放大。一个光电探测器及其相应的放大电路构成光探测电路，即光接收器。

在高灵敏度、高信噪比光探测电路应用中，雪崩光电二极管(APD)提供了一个低噪声增益结构。它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，具有灵敏度高、响应快等优点。APD的电流增益用倍增因子M表示，通常定义为倍增的光电流i₁与不发生倍增效应时的光电流i₀之比。倍增因子与PN结上所加的反向偏压V和PN结的材料有关，可以表示为：

$M=\frac{i_1}{i_0}=\frac{1}{1-{\left(\frac{V}{V_B}\right)}^n}---\left(1\right)$

式中，V_B为击穿电压；V为外加反向偏压；n为1～3，取决于半导体材料、掺杂分布以及辐射波长。所以，当外加电压V增加到接近V_B时，M将趋近于无穷大，此时PN结将发生击穿。应用中，最佳工作电压不宜超过V_B，否则会不稳定进入击穿；也不宜太小，会无雪崩倍增效应。

虽然APD具有较大的增益，但其输出仍然非常微弱，需要进一步对信号进行放大，所需的放大器一般为宽带放大器，而放大器不但不能提高信号的信噪比，反而在放大信号过程中还会引入噪声。目前，在光通信中采用的APD探测电路虽然已具有较高的信噪比，但是其信噪比、灵敏度难以满足实际的光纤传感需要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高灵敏度、高信噪比、宽带雪崩光电二极管探测电路。

本实用新型包括如下技术方案：

一种雪崩光电二极管探测电路，包括依次连接的雪崩光电二极管电源、雪崩光电二极管、跨阻放大电路和主放大电路，雪崩光电二极管在微弱脉冲光照及雪崩光电二极管电源的作用下产生高速微弱的光电流进入跨阻放大电路，跨阻放大电路输出小电压信号进入主放大电路，主放大电路对该信号进行两级放大并输出一定幅度的电压信号；跨阻放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC1；主放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC2和IC3。

本实用新型的优点是：

(1)该电路具有比光通信中常用的APD探测电路更高的灵敏度和信噪比；

(2)该电路的结构简单，成本低廉，可靠性高；适合光通信、光纤传感等多领域，并已成功应用于10km分布光纤拉曼温度传感系统中，使系统达到较高的温度精度和空间分辨率。

附图说明

图1为本实用新型雪崩光电二极管探测电路构成方框图；

图2为本实用新型中跨阻放大器原理图；

图3为本实用新型探测电路具体电路图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的高灵敏度、高信噪比、宽带APD探测电路5主要由APD电源1、APD 2、跨阻放大电路3和主放大电路4四部分组成。APD电源1通过PWM工作方式产生正40V左右的偏置电压给APD 2，通常，不同APD2的最佳反向偏压不同，APD 2在微弱的脉冲光照下产生高速微弱的光电流信号输入到跨阻放大电路3，产生几mV的小电压信号，再经过主放大电路4输出一定幅度的电压信号供后续电路使用。其中，APD电源1电路会产生电磁辐射，为了消除其对探测电路的电磁干扰，将APD电源1置于小铝壳体中；因为APD探测电路5属于微弱信号探测，极易受到外界的电磁干扰，所以将整个电路置于一个大的铝壳体中。

由于注入APD的光信号本身很微弱，使得其输出电流信号也很微弱，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身会引入较大噪声，后一级放大器对前一级放大器输出的信号和引入的噪声同时进行放大，信噪比不会得到改善。除此之外，放大器还要达到一定的带宽。因此，需要选用低噪、宽带放大集成芯片。采用跨阻放大电路拓扑结构，其特点是：有较高的跨阻增益，以避免由于后接的主放大电路噪声影响而引起的信噪比下降；有适当的带宽，带宽不是越宽越好，应该与系统要求相匹配，过宽的频带会引入额外的噪声，反而会引起光接收器噪声性能的恶化；较低的等效输入电流噪声和等效输入电压噪声。

跨阻放大电路为了与光探测器进行良好的匹配并获得较低的噪声和较大的带宽，其增益不能太高。通常，跨阻放大电路的输出电压大约为几毫伏，幅值仍较小。因此，需要主放大电路进一步将信号放大至一定幅度的电压信号以便后续电路使用。

如图2所示，考虑到APD的寄生电容、高速放大器的输入寄生电容，为了使得跨阻放大电路输出满足最大平坦化的二阶巴特沃斯频率响应，需要在跨阻放大器的反馈回路上加入补偿电容，且按等式(2)来设置反馈极点，此时，放大器输出的-3dB带宽满足等式(3)。此外，为了减小输入偏置电流对输出偏置电压的贡献，应使等式(4)成立。输出的小电压信号再经过低噪、宽带、一定增益的主放大电路输出一定幅度的电压信号供后续电路使用。

$\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_F{C}_F}=\sqrt{\frac{\mathrm{GBP}}{4\mathrm{\π}{R}_F{C}_T}}---\left(2\right)$

$f_{-3\mathrm{dB}}=\sqrt{\frac{\mathrm{GBP}}{2\mathrm{\π}{R}_F{C}_T}}\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(3\right)$

R_F＝R₁||R₂+R_P    (4)

式中，GBP为放大器的增益带宽积(一般为GHz量级)；

R_F为反馈电阻；

C_F为补偿电容；

C_T为APD的寄生电容与放大器的输入寄生电容的总和(一般为几个pF)；

R_P为可变电阻器。

参照图3，本实用新型中的APD电源产生的HV经过低通滤波网络输出给APD，APD在微弱的光脉冲输入下产生高速微弱的光电流信号。该探测电路可探测到-50dBm的微弱光信号，输出的光电流信号在nA量级，后经第一级跨阻放大电路输出几个mV的小电压信号。跨阻放大电路由放大集成芯片IC1及其外围的电阻电容组成，通过调节其正输入端的电阻可消除输入偏置电流对输出偏置电压的贡献。输出的小电压信号再经过主放大电路放大到一定幅度的电压信号，主放大电路由放大集成芯片IC2、IC3及其外围的电阻电容组成两级正相放大电路，输出信号达到百mV。整个探测电路采用直流耦合的方式输出信号。本实用新型通过调节APD电源使得APD工作于最佳偏压，并合理选取低噪宽带放大芯片和反馈补偿电容值，使其在满足平坦的宽频带下可探测-60dBm的光信号，

如图3所示，本实用新型的具体电路结构如下：APD电源输出电压HV与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与APD的阴极相连，APD的阳极与放大集成芯片IC1的负输入端相连，同时放大集成芯片IC1的负输入端通过并联的电容C19、电阻R4与放大集成芯片IC1的输出端相连；放大集成芯片IC1的正输入端与电容C20的一端相连，放大集成芯片IC1的正输入端分别与电阻R5、R6的一端相连，电阻R5、R6并联并与可调电阻R7的一端相连，可调电阻R7的另一端接地；放大集成芯片IC1的输出端通过串联的电阻R8、R9与放大集成芯片IC2的正输入端相连，同时放大集成芯片IC2的正输入端通过电容C21接地；放大集成芯片IC2的负输入端通过电阻R10接地；放大集成芯片IC2的负输入端通过并联的电阻R11和电容C22与放大集成芯片IC2的输出端相连，放大集成芯片IC2的输出端通过串联的电阻R12和R13与放大集成芯片IC3的正输入端相连，放大集成芯片IC3的正输入端同时通过电容C23接地；放大集成芯片IC3的负输入端通过电阻R14接地，同时放大集成芯片IC3的负输入端通过并联的电阻R15、电容C24与放大集成芯片IC3的输出端相连；放大集成芯片IC3的输出端通过电阻R16输出信号。

APD电源的电源输入端与电阻R1的一端相连，同时电阻R1的一端通过并联的电容C3、C4、C5接地，电阻R1的另一端与+5V电源相连。APD电源的接地端接地。APD电源的输出端通过并联的电容C15、C16接地，APD电源的一端与电阻R3相连，电阻R3的另一端通过并联的电容C17、C18接地。在+5V电压和地之间并联电容C1、C2、C6-C8、C9-C11；+5V电源与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与放大集成芯片IC3的正电源端相连，同时电阻R2的另一端通过并联的电容C12、C13、C14接地。-5V电压通过并联的电容C25、C26、C27-C29、C30-C32、C33-C35接地。+5V电压分别与放大集成芯片IC1、IC2的正电源端相连，-5V电压分别与放大集成芯片IC1、IC2、IC3的负电源端相连。

该探测电路已成功应用于10km分布光纤拉曼温度传感系统中，使系统达到较高的温度精度和空间分辨率。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种雪崩光电二极管探测电路，其特征在于，包括依次连接的雪崩光电二极管电源、雪崩光电二极管、跨阻放大电路和主放大电路，雪崩光电二极管在微弱脉冲光照及雪崩光电二极管电源的作用下产生高速微弱的光电流进入跨阻放大电路，跨阻放大电路输出小电压信号进入主放大电路，主放大电路对该信号进行两级放大并输出一定幅度的电压信号；所述跨阻放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC1；所述主放大电路包括宽带低噪放大集成芯片IC2和IC3。

2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管探测电路，其特征在于，雪崩光电二极管电源输出电压HV与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与雪崩光电二极管的阴极相连，雪崩光电二极管的阳极与宽带低噪放大集成芯片IC1的负输入端相连，同时放大集成芯片IC1的负输入端通过并联的电容C19、电阻R4与放大集成芯片IC1的输出端相连；放大集成芯片IC1的正输入端与电容C20的一端相连，同时放大集成芯片IC1的正输入端分别与电阻R5、R6的一端相连，电阻R5、R6并联后与可调电阻R7的一端相连，可调电阻R7的另一端接地。

3.如权利要求2所述的雪崩光电二极管探测电路，其特征在于，放大集成芯片IC1的输出端通过串联的电阻R8、R9与放大集成芯片IC2的正输入端相连，同时放大集成芯片IC2的正输入端通过电容C21接地；放大集成芯片IC2的负输入端通过电阻R10接地，放大集成芯片IC2的负输入端通过并联的电阻R11、电容C22与放大集成芯片IC2的输出端相连，放大集成芯片IC2的输出端通过串联的电阻R12、R13与放大集成芯片IC3的正输入端相连，放大集成芯片IC3的正输入端同时通过电容C23接地；放大集成芯片IC3的负输入端通过电阻R14接地，同时放大集成芯片IC3的负输入端通过并联的电阻R15、电容C24与放大集成芯片IC3的输出端相连；放大集成芯片IC3的输出端通过电阻R16输出信号。

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