CN212843636U - 一种高灵敏度的大面元光电探测器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，包括依次连接的探测器组件、前置放大电路和求和放大器，所述探测器组件包括至少两个光电探测器，每一光电探测器对应连接一个前置放大电路，所述光电探测器探测光信号并将该光信号转换成电信号后传输给对应的前置放大电路，前置放大电路将接收的电流信号转换成电压信号并放大后传输给求和放大器，所述求和放大器用于将各前置放大电路传输的电压信号进行求和后输出至后级电路进行处理，以提高整个大面元光电探测器的响应速度和接收灵敏度，填补了大面元光电探测器在激光测距、激光引信以及激光通信应用中的空缺。

Description

一种高灵敏度的大面元光电探测器组件

技术领域

本实用新型涉及光电探测器技术领域，特别是涉及一种高灵敏度的大面元光电探测器组件。

背景技术

光电探测器是将光信号转换为电流信号的核心传感器，然后经过后续的放大电路将电流信号转换为电压信号并放大后输出，以满足后续电路的处理要求，可广泛应用于军用以及民用光电转换装置等领域。

针对大面元光电探测器，其具有接收视场大，整机光学装置设计相对简单，应用方便，但是目前使用的大面元光电探测器，其结电容正比于光电探测器的光敏面的面积，同时其结电容又反比于光电探测器的带宽和灵敏度，由此可以得出光电探测器组件的光敏面面积是反比于光电探测器的带宽和灵敏度，这使得光电探测器组件在激光测距、激光引信以及激光通信等需要距离信息或要求信号上升时间较快、灵敏度要求较高的应用领域中收到了限制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种宽带宽、高灵敏度的大面元光电探测器组件，以解决现有技术中增加光电探测器光敏面积光电探测器带宽和灵敏度下降的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，所述探测器组件包括依次连接的光电探测器组件、前置放大电路和求和放大器，所述光电探测器组件包括至少两个光电探测器，每一光电探测器对应连接一个前置放大电路，所述前置放大电路的数量与所述光电探测器的数量一一对应，所述光电探测器用于探测光信号并将该光信号转换成电信号后传输给对应的前置放大电路，所述前置放大电路用于将接收的电流信号转换成电压信号并放大后传输给求和放大器，所述求和放大器用于将各前置放大电路传输的电压信号进行求和后输出。

进一步的，每一所述前置放大电路均包括运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容，所述运算放大器的反相输入端与对应的光电探测器的输出端连接，所述运算放大器的反相输入端还通过所述第一电阻与其输出端连接，所述运算放大器的同相输入端分别通过所述第二电阻和第一电容接地。

进一步的，所述求和放大器的同相输入端或反相输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述求和放大器的反相输入端或同相输入端接地。

进一步的，每一所述光电探测器的光敏面的面积相等，所述光敏面的形状为圆形、扇形、长条形、正方形、多边形以及异形中的一种或多种。

进一步的，所述光电探测器的衬底由Si、GaN、GaAs或InGaAs材料制成。

进一步的，所述探测器组件采用金属管壳气密封装方式进行封装，其形式为TO圆形封装或蝶形封装。

本实用新型的有益效果：设置具有多个光电探测器的光电探测器组件，每一光电探测器对应连接一个前置放大电路，每个光电探测器分别对光信号进行探测，然后前置放大电路对信号进行放大，最后由求和放大器求和输出，以提高整个大面元光电探测器的响应速度和接收灵敏度，且该响应速度和灵敏度提高的倍数正比于所述光电探测器的个数，避免了因光电探测器的光敏面面积增加导致的大面元光电探测器的带宽和灵敏度降低，进而填补了大面元光电探测器在激光测距、激光引信以及激光通信应用中的空缺。

附图说明

图1为本实用新型一种高灵敏度的大面元光电探测器组件的较佳的实施方式的结构示意图。

图2为前置放大电路和求和放大器的电路示意图。

图3为光电探测器和前置放大电路的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-2所示，为本实用新型一种高灵敏度的大面元光电探测器组件的较佳的实施方式的结构示意图。所述大面元光电探测器组件包括依次连接的光电探测器组件10、前置放大电路201和求和放大器A_S，所述光电探测器组件10用于探测光信号并输出电信号，所述前置放大电路20用于放大电信号，所述求和放大器A_S用于将电信号求和后输出，以供后级系统处理。所述光电探测器组件10采用金属管壳气密封装方式进行封装，在本实施方式中，为了保证芯片的散热性能，所述封装形式为TO圆形封装或蝶形封装。

所述光电探测器组件10包括至少两个光电探测器101，所述光电探测器的数量根据光敏面的大小以及所述探测器组件的技术要求确定。所述光电探测器101的衬底由Si、GaN、GaAs或InGaAs材料制成，使得所述光电探测器101的波长的响应范围为200nm～1700nm。每一所述光电探测器101上均具有等面积的光敏面，每一所述光电探测器101的光敏面面积均相等；每一光敏面可探测相同大小的光功率。所述光敏面的形状可以是圆形、扇形、长条形、正方形、多边形以及异形中的一种或多种，在本实施方式中，所述光敏面的形状为扇形。每一所述光电探测101均连接有一个前置放大电路201。所述光电探测器101探测光信号，并将该光信号转换成电流信号后传输给对应的前置放大电路201，所述前置放大电路201将接收的电流信号转换成电压信号并将放大后传输给求和放大器A_S，所述求和放大器A_S将各前置放大电路201传输的电压信号进行求和后输出。

每一所述前置放大电路201均包括运算放大器A₁、第一电阻R_f1、第二电阻R_b1和第一电容C_b1，所述运算放大器A₁的反相输入端与对应的光电探测器101的输出端连接，所述运算放大器A₁的反相输入端还通过所述第一电阻R_f1与其输出端连接，所述第一电阻R_f1作为反馈电阻跨接在所述运算放大器A₁的反相输入端和输出端之间，用于将光电探测器101输出的电流信号转换成电压信号输出。所述运算放大器A₁的同相输入端分别通过所述第二电阻R_b1和第一电容C_b1接地，所述第二电阻R_b1作为平衡电阻用于抑制电路的零点漂移，所述第一电容C_b1用于抑制信号的干扰，消除寄生电容的影响。

所述求和放大器A_S的同相输入端或反相输入端与所述运算放大器A₁的输出端连接，所述求和放大器A_S的反相输入端或同相输入端接地，以用于将各个运算放大器A₁传输的电压信号同相求和或反相求和，然后将求和后的电压输出，使得输出的电压能够满足后续电路处理的要求。在本实施方式中，所述运算放大器A₁、A₂…A_N的反相输入端分别接入各光电探测器101、102…N输出的电流信号I_O1、I_O2…I_ON，运算放大器A₁、A₂…A_N将电流信号I_O1、I_O2…I_ON分别转换成对应的电压信号U_O1、U_O2…U_ON后输入求和放大器A_S的同相输入端，所述求和放大器A_S对其同相输入端接入的电压信号U_O1、U_O2…U_ON进行同相求和后输入，即得到所述探测器组件最终的输出电压U_O为：

U_O＝U_O1+U_O2+…+U_ON (1)

本实用新型的工作原理：

如图3所示，为光电探测器101与前置放大电路201的等效电路图，通过恒流源S的输出等效成光电探测器101输出的电流信号，第二电容C_D等效为光电探测器101内部的结电容，图中流过M点的电流即为光电探测器101输入运算放大器A₁的电流信号I_O。在第一电阻R_f1的两端并联一个第三电容C_f1，第三电容C_f1为外接电容，通过第一电阻R_f1和第三电容C_f1实现信号的转换和放大，当电流信号I_O流经第一电阻R_f1时，此时对第一电阻R_f1使用欧姆定律，可以得出电压信号V_O＝I_O×R_f1，同时通过第三电容C_f1对该电压信号V_O进行积分放大，以完成电流信号I_O向电压信号V_O的转换以及电压信号V_O的放大。

由于光电探测器101的结电容的大小和其光敏面的面积大小成正比，当光敏面的面积越大，对应的结电容就越大，而结电容的大小是影响光电探测器响应速度的主要因素。对于光电探测器而言，其电容与整个电路带宽的关系可以表示为：

其中：f_-3dB为电路带宽；GBP为运算放大器的增益带宽积(当运算放大器选型确定之后，该值即为固定值)；C为光电探测器结电容与跨阻电容等效到运算放大器反相输入端的和(即第二电容C_D和第三电容C_f1的和)。

由上述式(2)可知，光电探测器101的结电容与整个电路带宽成反比，因此当结电容越大，带宽越低，对应的响应速度就越慢，加之带宽较低将直接导致光电探测器101的灵敏度降低，这使得光电探测器无法实现对频率较高的光信号的探测。因此，在光敏面总面积不变的情况下将光电探测器组件10分成多个光电探测器101，以减小每一光电探测器101部分的光敏面的面积来减小光电探测器101内部的结电容的大小，进而提高光电探测器101的带宽和灵敏度，同时该带宽和灵敏度提高的倍数与光电探测器101的个数成正比，即光电探测器101数量越多，即每一光敏面的面积越小，则光电探测器101的带宽和灵敏度越高，以使得整个大面元光电探测器能够适用于激光测距、激光引信等领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：包括依次连接的光电探测器组件、前置放大电路和求和放大器，所述光电探测器组件包括至少两个光电探测器，每一光电探测器对应连接一个前置放大电路，所述前置放大电路的数量与所述光电探测器的数量一一对应，所述光电探测器用于探测光信号并将该光信号转换成电信号后传输给对应的前置放大电路，所述前置放大电路用于将接收的电流信号转换成电压信号并放大后传输给求和放大器，所述求和放大器用于将各前置放大电路传输的电压信号进行求和后输出。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：每一所述前置放大电路均包括运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容，所述运算放大器的反相输入端与对应的光电探测器的输出端连接，所述运算放大器的反相输入端还通过所述第一电阻与其输出端连接，所述运算放大器的同相输入端分别通过所述第二电阻和第一电容接地。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：所述求和放大器的同相输入端或反相输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述求和放大器的反相输入端或同相输入端接地。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：每一所述光电探测器的光敏面的面积相等，所述光敏面的形状为圆形、扇形、长条形、正方形、多边形以及异形中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：所述光电探测器的衬底由Si、GaN、GaAs或InGaAs材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的大面元光电探测器组件，其特征在于：所述探测器组件采用金属管壳气密封装方式进行封装，其形式为TO圆形封装或蝶形封装。

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