DE2139001C - Verfahren zur Arbeitspunktregelung einer Avalanche Fotodiode - Google Patents

Description

dem Steuerei'gang der eigentlichen Regelschal- 30 einem vorgegegebenen Arbeitspunkl. der sich durch

tung (RG) zugeführt wird. einen maximalen Multiplikationsgrad der Fotodiode

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch bei wenigstens annähernd optimalem Signal-Rauschgekennzcichnet, daß die elektrische Hilfsgröße verhältnis ausgezeichnet, über eine eingeführte clek- lediglich während vorgegebener Pausen des Si- trische Hilfsgröße gemessen wird und die gemessene gnalempfangs in der Fotodiodenschaltung in Er- 35 Hilfsgröße als Regelkriterium zur Steuerung der den scheinung tritt und daß die geregelte elektrische Arbeitspunkt der Fotodiode festlegenden elektrischen Betriebsgröße während des Signalempfangs kon- Betriebsgröße im Sinn einer zeitlichen Konstanz des stant gehalten wird. dynamischen Innenwiderstands vorgesehen wird.

Der Erfindung liegt die neue Erkenntnis zu-40 gründe, daß sich der dynamische Innenwiderstand

der Fotodiode im gewünschten Arbeitspunkt in Abhängigkeit der Temperatur nahezu nicht ändert und somit ein ausgezeichnetes Kriterium für die Arbeits-Halbleiter-Fotodioden haben als Detektor in opti- punktregelung darstellt.

sehen Empfängern wesentliche Vorzüge gegenüber 45 Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Folomultipliern. Diese Vorzüge sind insbesondere der Erfindung ist die elektrische Hilfsgröße eine in ihren kleinen Abmessungen uwd in der relativ ein- Wechselspannung, deren Freqenz außerhalb des Sifachercn Spannungsversorgung zu sehen. Darüber gnalfrequenzbereiches des optischen Empfängers hinaus haben derartige Halbleiterdioden im nahen liegt. Hierbei wird die dem dynamischen Inneninfrarot einen um Größenanordnungen besseren 50 widerstand entsprechende Hilfsgröße frequenzselek-Quantenwirkungsgrad als Fotomultiplier. Besondere tiv an geeigneter Stelle der Fotodiodenschaltung abBedeutung haben in diesem Zusammenhang Ava- genommen und gegebenenfalls nach einer ausreichenlanchc-Fotodioden auf Grund ihrer Verstärkungs- den Verstärkung dem Steuereingang der eigentlichen eigenschaften erhalten. Regelschaltung zugeführt.

Der Multinlilntionsgrad wie auch das Signal- 55 Für manche Anwendungsfälle, in denen die Am- Rauschvcrhältnis sind bei einer solchen Avalanche- plitude der elektrischen Hilfsgröße nicht vernach- Fotodiode, im folgenden kurz Fotodiode genannt, in lässigbar klein gegenüber dem zu detektierenden

hohem Maße vom Arbeitspunkt abhängig, in dem die optischen Signal ist, ist es zweckmäßig, die elek-

Fotodiode betrieben wird. Im allgemeinen kann ge- trische Hilfsgröße lediglich während vorgegebener

sagt werden, daß der Arbeitspunkt dann richtig ge- 60 Pausen des Signalempfangs in der Fotodiodenschal-

wählt ist, wenn die Fotodiode bei einem möglichst tung in Erscheinung treten zu lassen und die geregelte

großen Multiplikationsgrad ein optimales Signal- elektrische Betriebsgröße während des Signalemp-

Rausthverhältnis aufweist. Da sowohl der Multipli- fangs konstant zu halten.

kationsgrad als auch das Signal-Rauschverhältnis An Hand eines Ausführtwigsbeispiels, das in der

stark von der Temperatur abhängig sind, besteht die 65 Zeichnung dargestellt ist, soll die Erfindung im fol-

Notwendigkeit, den Arbeitspunkt — sollen optimale genden noch näher erläutert werden. In der Zeich- Empfangsverhältniss über die Zeit gewährleistet wer- nung bedeutet

den — in geeigneter Weise zu regeln. F i g. 1 ein Kennlinendiagramm einer Fotodiode,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel in schemaüscher Darstellung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist über der Spannung U in Volt der Strom I in μΑηιρ einer Fotodiode bei einer mittleren Temperatur um 25 ' aufgetragen. Der Arbeitspunkt A ist für 38 V bei einem Strom von 2Ou Amp festgelegt. Der dynamische Widerstand Rd im Arbeitspunkt A ist in Form der Tangente an die Kennlinie im Arbeitspunkt A zum Ausdruck gebracht. Wie das Diagramm nach Fig. 1 erkennen läßt, ist der Arbeitspunkt Λ oberhalb des Kennlinienknicks im steil ansteigenden Ast festgelegt. Dieser Arbeitspunkt entspricht einem Multiplikationsgrad, der knapp unterhalb des Maximums des Multiplikationsgrads der Fotodiode liegt. Mit einer Verschiebung des Arbeitspunkts A in Richtung des steil ansteigenden Astes würde der Multiplikationsgrad noch etwas zunehmen und anschließend wieder abfaMen. Die Wahl des Arbeitspunkts A unterhalb des Maximums des Multiplikationsgrads ist dadurch begründet, daß sich an dieser Stelle für die Fotodiode ein optimales Signal-Rauschverhältnis ergibt. Durch die erfindungsgemäße Regelung des Arbeitspunktes A über den dynamischen Innenwiderstand Rd läßt sich erreichen, daß in einem weiten Temperaturbereich ein möglichst großer Multiplikationsgrad bei optimalem Signal-Rauschverhältnis wenigstens annähernd erhalten bleibt.

Die Regelung des Arbeitspunktes über den dynamischen Innenwiderstand läßt sich, wie an Hand der F ig. 2 nunmehr gezeigt werden soll, in außerordentlich einfacher Weise durchführen.

In Fig. 2 bedeutet D die Fotodiode, der über den geregelten Gleichspannungserzeuger RG und den Vorwiderstand Rv die den Arbeitspunkt bestimmende Vorspannung zugeführt wird. Per Gleichstromkreis schließt sich über den auf der Ausgangsseite der Fotodiode D gegen Bezugspotential geschalteten Verbraucherwiderstand Rl. Die am Verbraucherwiderstand Rl abfallende Signalspannung wird über den selektiven Verstärker Vl am Ausgang α zur Verfügung gestellt. Der selektive Verstärker Vl beinhaltet praktisch einen Hochpaß, der die hochfrequenten detektieren Signale, beispielsweise oberhalb 1 MHz, durchläßt. Die Tür die Arbeitspunktregelung erforderliche elektrische Hilfsgröße erzeugt der Hilfsgenerator HG. der beispielsweise eine Schwingung mit einer Frequenz \on 1OkH/. liefen. Der Hilfsgenerator HG ist über den Koppelkondcnsator Cl auf Seilen des geregelten Gleichspanniins serzeuuers RCi an die Fotodiode /) angeschaltet. Der gemeinsame Verbindungspunkt, der Fotodiode /).

ίο des Vorwiderslands Rv und de> Koppelkondensators C i ist wechsclslrommäßig über den Koppelkondensator C 2 an Bezugspotential gelegt. Der Spannungsabfall der IÜ-kHz-Schwingung des Hilfsgenerators HG am Lastwiderstand Rl wird \om selektiven Verstärker VI abgenommen und dem Sieuereing;ing des geregelten Gleiehspannungier/eugers Rd zugeführt. Die Regelung arbeitet so. daß der Spannungsabfall der 10-kHz-Schwingung des Hilfsgenerators HG am Verbraucherwiderstand Rl . eitlich konstant gehalten wird, was einer Konstanz de¹" dynamischen Innenwiderstands der Fotodiode D entspricht.

Wie F i g. 2 erkennen läßt, ist in unterbrochener Linie im Verbindungsweg zwischen dem Koppel-Kondensator C1 und dem Hilfsgenerator HG ein steuerbarer Schalter S angeordnet, der von einem Steuerkontakt T betätigt wird. Damit soll eine Variante der Schaltung nach F i g. 2 angedeutet werden, derart, daß die 10-kHz-Schwingung des Hilfsgenerators HG lediglich zu bestimmten, durch den Takt T vorgegebenen Zeiten an der Fotodiode D wirksam werden kann. In diesem Fall weist der geregelte Gleichspannungserzeuger RG eingangsscitig einen Speicher auf, der die vom Verstärker V 2 empfangene Regelinformation so lange festhält, bis eine weitere Information eintrifft. Auf diese Weise ist es möglich, die Regelung auf solche Zeiträume zu beseht änkcn, in denen kein Signal empfangen wird. Handelt es sich bei der dargestellten Schaltung um den optischen Empfänger eines Laser-Entfernungsmessers, der im impulsbetrieb arbeitet, so kann als Steuertakt T für den Schalter 5 der Steuertakt für die Torschaltung auf der Sendeseite des Laser-Entfernungsmessers herangezogen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Durch die Literaturstelle »The Review of Scientific Patentansprüche: Instruments«, Vol. 41, Nr. 8, August 1970, S. 1 191 bis 1195, sind mehrere Möglichkeiten der Arbeitspunkt-

1. Verfahren zur Arbeitspunktregeluna einer regelung von Fotodioden bekanntgeworden. Die tem-Avalanche-Fotodiode als Detektor in einem opti- 5 pe"raturabhängige Arbeitspunktreglung ist genügend. sehen Empfänger, insbesondere eines optischen weil sie keine optimale Arbeitspunkteinstellung üher Empfängers für einen Laser-Entfernungsmesser. den Temperaturbereich hinweg gewährleistet. D_ic dadurch gekennzeichnet, daß der dyna- Verwendung einer Eichlichtquclle als Bezugssigna! mische Innenwiderstand der Fotodiode (D) bei für den optischen Empfänger führt ebemalls lüclv. einer mittleren Betriebstemperatur in einem vor- io zum Ziel, weil das optische Signal-Rauschverhültniv gegebenen Arbeitspunkt (A). der sich durch einen bezogen auf den von der Temperatur abhängigen jemaximalen Multiplikationsgrad der Fotodiode bei weils günstigsten Arbeitspunkt, nicht konstant im. wenigstens annähernd optimalem Signal-Rausch- Aucii die in der genannten Literaturstelle weiterhin verhältnis auszeichnet, über eine eingeführte elek- angegebene Arbeitspunktregelung in Abhängigkeit trnche Hilfsgröße gemessen wird und die gemes- 15 der Anzahl von auftretenden Rauschimpulsen in d:\ sene Hilfsgröße als Regelkriterium zur Steuerung Zeiteinheit am Ausgang des Empfängers ermöglich! der den Arbeitspunkt der Fotodiode festlegenden k^ne optimale Arbeitspunktregelung der Fotodiode, elektrischen Betriebsgröße im Sinne einer zeit- weil in eine solche Regelung Störgrößen (einfallenliehen Kon^rfanz des dynamischen Innenwider- des Streulicht) miteinbezogen sind, die mit der cigentstand \J) vorgesehen wird. 20 liehen Schaltung unmittelbar nicht zu tun haben.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch ge- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für kennzeichnet, daß die elektrische Hilfsgröße eine eine Fotodiode eine weitere Möglichkeit zur Arbeits- Wechselspannung ist, deren Frequnez außerhalb punktregelung aufzuzeigen, die bei geringem Auf- des Signalfrequenzbereiches des optischen Emp- wand für den Regelkreis eine über den Refolbereich fängers liegt und daß die dem dynamischen 25 wenigstens annähernd optimale Arbeitspunkteinstel-Innenwiderstand (Rd) entsprechende Meß-Hilfs- lung gewährleistet.

größe frequenzselektiv an geeigneter Stelle der - Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Fotodiodenschaltung abgenommen und gegebe- gelöst, daß der dynamische Innenwiderstand der

nenfalls nach einer ausreichenden Verstärkung Fotodiode bei einer mittleren Betriebstemperatur in