CN202550965U

CN202550965U - 一种雪崩光电二极管探测电路

Info

Publication number: CN202550965U
Application number: CN2012201178807U
Authority: CN
Inventors: 李俊一; 张东旭; 杨潇君
Original assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-03-26

Abstract

本实用新型公开了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、雪崩光电二极管集成模块和主放大电路；雪崩光电二极管电源产生的高压加在雪崩光电二极管集成模块两端使雪崩光电二极管反偏；雪崩光电二极管集成模块包括集成在一起的低噪声雪崩光电二极管和低噪跨阻放大器，雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号进入主放大电路，主放大电路由两级放大电路组成，其中，第一级放大电路为双端转单端放大电路，其将雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号相减放大输出，第一级放大电路的输出信号再经过第二级放大电路放大输出。本实用新型具有灵敏度和信噪比高，电路简单，成本低廉，安全可靠等优点。

Description

一种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(APD)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 - {(\frac{V}{V_{B}})}^{n}} - - - (1)

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。

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，需要接入跨阻放大器进一步放大，如果采用放大集成芯片及电阻电容搭出跨阻放大器，其放大器等效的输入电容会降低光电探测器的灵敏度和带宽，增加放大器的输出噪声。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种灵敏度和信噪比高的APD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、雪崩光电二极管集成模块和主放大电路；雪崩光电二极管电源产生的高压加在雪崩光电二极管集成模块两端使雪崩光电二极管反偏；雪崩光电二极管集成模块包括集成在一起的低噪声雪崩光电二极管和低噪跨阻放大器，雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号进入主放大电路，主放大电路由两级放大电路组成，其中，第一级放大电路为双端转单端放大电路，其将雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号相减放大输出，第一级放大电路的输出信号再经过第二级放大电路放大输出。

第一级放大电路包括放大器IC1及其外围电路，第二级放大电路包括放大器IC2及其外围电路。

APD电源的输出电压HV通过电阻R4与APD集成模块的阴极相连，APD集成模块的接地端接地，APD集成模块的正相电压输出端通过串联的电阻R5、R6与放大器IC1的正输入端相连，APD集成模块的反相电压输出端通过串联的电阻R8、R9与放大器IC1的负输入端相连。

放大器IC1的正输入端通过电阻R7接地，放大器IC1的负输入端通过并联的电阻R10和电容C19与放大器IC1的输出端相连；放大器IC1的输出端通过串联的电阻R11、R12与放大器IC2的正输入端相连。

放大器IC2的正输入端通过电容C20接地；放大器IC2的负输入端通过电阻R13接地，同时放大器IC2的负输入端通过并联的电阻R14、电容C21与放大器IC2的输出端相连；放大器IC2的输出端通过电阻R15输出放大信号。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

(1)该探测电路比由APD和跨阻放大器搭建的电路具有更高的灵敏度和信噪比，并已成功应用于远程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；

(2)该探测电路的结构简单，成本低廉，可靠性高；

(3)该探测电路中的APD集成模块采用差分输出方式有效地抑制了电路的共模噪声，提高了探测电路的信噪比。

附图说明

图1为本实用新型探测电路的构成方框图；

图2为本实用新型探测电路的电路图。

具体实施方式

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，需要接入跨阻放大器进一步放大，如果采用放大集成芯片及电阻电容搭出跨阻放大器，其放大器等效的输入电容会降低光电探测器的灵敏度和带宽，增加放大器的输出噪声。因此，减小放大器等效输入电容是实现高灵敏度、高信噪比和宽带APD探测电路的关键。放大器的等效输入电容包括：APD的源电容、APD与放大器连接的PCB印制线寄生电容及放大器封装寄生电容等，APD的源电容选定管子就确定了，可减小的是后两项。通过将APD与跨阻放大器集成的方式可有效地减小后两项的影响。

带前置跨阻放大器的APD集成模块为了获得较低的噪声和较大的带宽，其增益不能太高。通常，单端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的使用。

如图1所示，本实用新型的APD探测电路主要由APD电源、带前置跨阻放大器的InGaAs APD集成模块和主放大电路三部分组成。APD电源通过PWM工作方式产生正40V左右的偏置电压给带前置跨阻放大器的InGaAs APD集成模块，通常，不同APD的最佳反向偏压不同，带前置跨阻放大器的InGaAs APD模块在微弱的脉冲光照下产生高速差分信号输入到主放大电路，主放大电路经过双端到单端转换并放大输出一定幅度的电压信号供后续电路使用。其中，APD电源电路会产生电磁辐射，为了消除其对APD探测电路的电磁干扰，将APD电源置于一小铝壳体中；另外，APD探测电路属于微弱信号探测，很容易受到外界电磁干扰，因此，将其置于一大铝壳体中。

参照图2，本实用新型中的APD电源产生的电压HV经过低通滤波网络输出给APD集成模块；APD集成模块选用现有的集成模块，能够在微弱的光脉冲输入下产生高速差分信号。该探测电路可探测到小于-60dBm的微弱光信号，经APD集成模块输出的单端信号包含一直流分量和几mV的交流小电压信号。差分信号输入到主放大电路，经过差分到单端的转换并放大到一定幅度的电压信号。主放大电路由两级放大电路组成，其中第一级为差分到单端转换电路，由放大器IC1及其外围的电阻电容组成；第二级是由放大器IC2及其外围的电阻电容组成的正相放大电路，输出信号达到百mV。为了避免输出信号自激，分别在这两级放大电路中的反馈回路上并联补偿电容C19和C21。

如图2所示，APD电源的输出端输出电压HV，电压HV通过电阻R4与APD集成模块的阴极相连，APD集成模块的接地端接地，APD集成模块的正相电压输出端通过串联电阻R5、R6与放大器IC1的正输入端相连，放大器IC1的正输入端同时通过电阻R7接地；APD集成模块的反相电压输出端通过串联电阻R8、R9与放大器IC1的负输入端相连；放大器IC1的负输入端通过并联的电阻R10和电容C19与放大器IC1的输出端相连；放大器IC1的输出端通过串联的电阻R11、R12与放大器IC2的正输入端相连；放大器IC2的正输入端同时还通过电容C20接地。放大器IC2的负输入端通过电阻R13接地，放大器IC2的负输入端同时通过并联的电阻R14、电容C21与放大器IC2的输出端相连。放大器IC2的输出端与电阻R15的一端相连；电阻R15的另一端作为APD探测电路的输出端进行输出。

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，同时与电阻R4的一端相连，电阻R4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、C9、C10和C11；+5V电源与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与APD集成模块的电源输入端相连，同时电阻R2的另一端通过并联的电容C6、C7、C8接地。+5V电压与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与放大器IC2的正电源端相连，同时电阻R3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C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29和C30接地。+5V电压与放大器IC1的正电源端相连，-5V电压分别与放大器IC1、放大器IC2的负电源端相连。

该探测电路已成功应用于远程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

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、雪崩光电二极管集成模块和主放大电路；雪崩光电二极管电源产生的高压加在雪崩光电二极管集成模块两端使雪崩光电二极管反偏；雪崩光电二极管集成模块包括集成在一起的低噪声雪崩光电二极管和低噪跨阻放大器，雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号进入主放大电路，主放大电路由两级放大电路组成，其中，第一级放大电路为双端转单端放大电路，其将雪崩光电二极管集成模块产生的差分信号相减放大输出，第一级放大电路的输出信号再经过第二级放大电路放大输出。

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，第一级放大电路包括放大器IC1及其外围电路，第二级放大电路包括放大器IC2及其外围电路。

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，雪崩光电二极管电源的输出电压HV通过电阻R4与雪崩光电二极管集成模块的阴极相连，雪崩光电二极管集成模块的接地端接地，雪崩光电二极管集成模块的正相电压输出端通过串联的电阻R5、R6与放大器IC1的正输入端相连，雪崩光电二极管集成模块的反相电压输出端通过串联的电阻R8、R9与放大器IC1的负输入端相连。

4.如权利要求3所述的雪崩光电二极管探测电路，其特征在于，放大器IC1的正输入端通过电阻R7接地，放大器IC1的负输入端通过并联的电阻R10和电容C19与放大器IC1的输出端相连；放大器IC1的输出端通过串联的电阻R11、R12与放大器IC2的正输入端相连。

5.如权利要求4所述的雪崩光电二极管探测电路，其特征在于，放大器IC2的正输入端通过电容C20接地；放大器IC2的负输入端通过电阻R13接地，同时放大器IC2的负输入端通过并联的电阻R14、电容C21与放大器IC2的输出端相连；放大器IC2的输出端通过电阻R15输出放大信号。