DE2632033C2

DE2632033C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für eine Avalanche-Photodiode

Info

Publication number: DE2632033C2
Application number: DE2632033A
Authority: DE
Inventors: Rodney I. Gresham Calif. Dahlinger
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1976-07-16
Publication date: 1982-09-02
Also published as: IL49979A; IT1068216B; US4001614A; SE411505B; GB1536048A; IL49979A0; FR2322403B1; JPS5227289A; SE7609321L; JPS535509B2; DE2632033A1; FR2322403A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für eine Avalanche-Photodiode, zu der im Nebenschluß ein Kondensator geschaltet ist.

Aus »radio fernsehen elektronik«. Band 18 (1969), H. 6, Seiten 188 und 189, ist ein Vorverstärker für Avalanche-Photodicden bekannt, zu dessen Photodiode im Nebenschluß ein Kondensator zwischen Speisespannung und Masse geschaltet ist. Es handelt sich dabei um einen Sieb-Kondensator, der für den Betrieb des Vorverstärkers keine Funktion hat. Zum Einstellen der Vorspannung und der Regulierung des Arbeitspunktes der Avalanche-Photodiode ist bei dem bekannten Vorverstärker ein besonderer Stromkreis vorgesehen, über dessen Aufbau jedoch nur offenbart ist, daß er eine Referenzdiode enthält, die bei Kühlung der Photodiode auf der gleichen Kühlfläche montiert sein muß.

Besondere Anforderungen an die Einstellung des Arbeitspunktes werden bei den Avalanche-Photodioden gestellt, die sich in den Empfängern von LADAR-Geräten befinden und denen das am Ziel reflektierte Licht eines Lasers zugeführt wird. Außer der vorstehend erwähnten Technik der Temperatur-Kompensation kann dabei auch eine Einstellung der Vorspannung in Abhängigkeit vom Rauschen erfolgen. Bei der Temperatur-Kompensation machen Unterschiede zwischen den Eigenschaften der einzelnen Dioden eine nur unvollkommene Anpassung möglich, was eine verminderte Leistungsfähigkeit zur Folge hat. Es ist nämlich erforderlich, den Vorspannungspegel ausreichend unterhalb der Durchbruchsspannung einzustellen, um Schwankungen in der Charakteristik der einzelnen Dioden zuzulassen, die in verschiedenen Empfängern benutzt werden.

Bei der rauschabhängigen Einstellung erfolgt im Empfänger eine automatische Überwachung des Dioden-Rauschens und eine Kompensation der Schwankungen zwischen den Eigenschaften der einzelnen Dioden, die in den Empfängern verwendet werden. Das Rauschen bei Kalt-Temperatur ist jedoch zum Betrieb eines solchen Systems nicht ausreichend, und es muß daher ein künstliches optisches Rauschen erzeugt werden. Die Technik der rauschabhängigen Einstellung ist daher kompliziert und es bedarf im Zeit- oder Frequenz-Multiplex betriebener Vorverstärker und Schwellenschaltungen, um die Regelung zu ermöglichen. Ferner hat ein solches System eine Einschwingzeit von mehreren Sekunden bis zum Erreichen des stabilisierten Zustandes.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für eine Avalanche-Photodiode zu schafft fen, die es ohne großen Schaltungsaufwand ermöglicht, die optimale Vorspannung schnell und sicher einzustellen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

gelöst, daß mit dem Kondensator ein Ladeteil gekoppelt ist, der bei Auftreten eines ersten Taktimpulses den Kondensator auf eine Spannung auflädt, die der Durchbruchsspannung der Photodiode gleich ist, und einen Bezugsspannungsteil umfaßt, der bei Auftreten eines zweiten Taktimpulses die am Kondensator anstehende Spannung um einen vorgegebenen Betrag unter die Durchbruchsspannung absenkt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird demnach die Durchbruchs-Charaktermik der in m dem jeweiligen Empfänger tatsächlich benutzien Photodiode selbst benutzt, um die der Diode zugeführte Vorspannung einzustellen. Dadurch werden die oben behandelten Schwierigkeiten überwunden. Insbesondere wird die Schaltungsanordnung zum Erzeugen der Vorspannung einfacher als diejenigen, die nach dem Stand der Technik verwendet wurden, und es wird trotzdem eine größere Präzision der Einstellung für die einzelnen Photodioden bei hoher Stabilität und Einstellgeschwindigkeit erzielt. Die Einstellung ist auch in einem großen Temperaturbereich stets optimal. Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in einigen hundert Mikrosekunden betriebsbereit, so daß keine langen Stabilisierungszeiten in der Größenordnung von Sekunden benötigt werden, wie es bei Schaltungsanord- _>-, nungen der Fall ist, die in Abhängigkeit vom Rauschpegel arbeiten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vorspannung in jeweils einem einzigen Zyklus mittels eines Transformators, insbesondere eines J₁, Zeilen-Transformators, erzeugt und ist im wesentlichen rauschfrei, wodurch ein Bedarf an Netzgerät-Filtern vermieden wird.

Alle diese Vorteile werden also mittels einer Schaltungsanordnung erzielt, durch die ein Kondensa- 3; tor in Abhängigkeit von einem ersten Taktimpuls auf die Durchbruchsspannung der Avalanche-Photodiode selbst aufgeladen und dann diese Spannung in Abhängigkeit von einem zweiten Taktimpuls um einen festen Betrag vermindert wird. w

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

Fig. 2 das Zeitdiagramm von Signalen, die in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftreten.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird ein Laser-Synchronisationsimpuls, der in F i g. 2 durch die Kurve 10 wiedergegeben ist, parallel den Eingängen zweier monostabiler Kippstufen zugeführt, die im folgenden kurz als Monoflops bezeichnet werden. Die Arbeits-Charakteristik des einen Monoflops ist derart, daß dieses Monoflop in Abhängigkeit vom Zuführen eines Synchronisationsimpulses 10 einen Ausgangsimpuls liefert, dessen Form durch die Kurve 13 in Fig.2 wiedergegeben ist. Wie ersichtlich, wird das Ausgangssignal des Monoflops U gleichzeitig mit der Vorderflanke des Synchronisationsimpulses 10 positiv und hat eine kürzere Dauer fi als der Synchronisationsimpuls 10. Die Arbeits-Charakteristik des zweiten bs Monoflops 12 ist derart, daß es in Abhängigkeit von dem Synchronisationsimpuls 10 ein Ausgangssignal erzeugt, das durch die Kurve 14 in Fig. 2 dargestellt ist. Wie ersichtlich, wird die ansteigende Vorderflanke des Signals 14 von der abfallenden Rückflanke des Synchronisationsimpulses 10 ausgelöst, so daß beide Flanken gleichzeitig erscheinen. Der Impuls 14 bleibt während einer Zeit fj positiv, die durch den Aufbau des Monoflops 12 in bekannter Weise bestimmt ist.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung wird die Zeit /ι, die durch den Impuls 13 definiert ist, dazu benutzt, Energie in der Primärwicklung eines Transformators Γι zu speichern, bei dem es sich vorzugsweise um einen Zeilen-Transformator (flyback transformer) handelt. Die Zeit ti zwischen dem Ende des Impulses 13 und dem Beginn des Impulses 14 dient dazu, diese Energie auf den zur Erzeugung der Vorspannung dienenden Kondensator 22 zu übertragen. Die durch die Dauer des Impulses 14 definierte Zeit /3 wird dazu benutzt, die Spannung am Kondensator 22 und an der Photodiode 19 von der Durchbruchsspannung Vbr der Photodiode 19 auf eine Spannung Vbr— V₂ zu senken, wenn Vi die Spannung einer Batterie 24 ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 wird das Ausgangssignal 13 des einen Monoflop fl der Basis eines ersten Transistors Ci zugeführt. Das Ausgangssignal 14 des zwei:en Monoflop 12 wird der Basis eines zweiten Transistors C2 zugeführt.

Der Emitter des Transistors Ci ist mit Masse verbunden, während dessen Kollektor mit einem Ende der Primärwicklung 15 eines Transformators Ti verbunden ist, deren anderes Ende mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 16 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators T\ ist mit einem Ende an Masse und mit dem anderen Ende über eine Diode 18 mit der Avalanche-Photodiode 19 verbunden, deren Ausgang wiederum mit dem Eingang eines Vorverstärkers 20 des Empfängers des LADAR-Gerätes verbunden ist. Einfallendes Licht oder ein Laser-Signal, das durch den Pfeil 21 angedeutet ist, wird von der Photodiode 19 in üblicher Weise empfangen. Es sei erwähnt, daß die Dioden 18 und 19 invers oder gegensinnig zueinander gepolt sind.

Eine Seite des zur Erzeugung der Vorspannung dienenden Kondensators 22 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 18 und der Avalanche-Photodiode 19 verbunden. Die andere Seite des Kondensator? 22 ist mit dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden, dessen Emitter mit Masse verbunden ist.

An einen Verbindungspunkt zwischen den Kondensator 22 und den Kollektor des Transistors O2 ist ein zur Erzeugung einer Bezugsspannung dienender Zweig der Schaltungsanordnung angeschlossen, der aus einem Widerstand 23, einer Spannungsquelle 24 und einer Klemmdiode 25 besteht, die parallel zum Widerstand 23 und in Serie zur Spannungsquelle 24 geschaltet ist. Das andere Ende dieses Zweiges ist mit Masse verbunden. Dieser Zweig liefert eine Bezugsspannung, deren Wirkung noch beschrieben wird. Die Spannungsquelle 24 kann von einer festen oder einstellbaren Batterie oder einer anderen geeigneten Anordnung gebildet werden.

Wenn im Betrieb der Laser-Synchronisationsimpuls 10 das erste Monoflop 11 auslöst, wird dessen Ausgangsimpuls 13 der Basis des Transistors Ci zugeführt, wodurch dieser Transistor für die Dauer t\ des Impulses 13 leitend wird. Während der Zeil, wählend der der Transistor Ci leitend ist, fließt Strom von der Spannungsquelle 16 durch die Primärwicklung 15 des Zeilen-Transformators Tj und dann über den leitenden Transistor Ci zur Masse. Es entsteht demnach

ein Stromimpuls, während dessen Dauer Energie in der Primärwicklung 15 des Transformators Ti gespeichert wird. Nach Ende des Impulses 13, also mit Beginn der Zeit /₂, beginnt eine Übertragung der in der Primärwicklung 15 gespeicherten Energie auf den Kondensator 22. Infolge der induktiven Kopplung fließt durch die Sekundärwicklung 17 und die Diode 18 ein Strom, der zu einem Aufladen des Kondensators 22 führt. Wenn die am Kondensator 22 ansteigende Spannung die Durchbruchs-Spannung der Avalanche-Photodiode 19 erreicht, übernimmt die Photodiode den von der Sekundärwicklung 17 gelieferten restlichen Strom. Auf diese Weise wird die Avalanche-Photodiode 19 automatisch auf die Durchbruchsspannung vorgespannt. Wenn jedoch die Photodiode 19 genau mit der Durchbruchsspannung V_Br betrieben wird, hat sie einen tür die Verwendung in LADAR-Empfängern zu höhen Rauschpegel. Daher ist es erforderlich, die Vorspannung um einen vorbestimmten Betrag unter die Durchbruchsspannung abzusenken. Diese Reduktion erfolgt in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 mittels des Bezugsspannungszweiges, der aus dem Widerstand 23, der Spannungsquelle 24 und der Diode 25 besteht.

Der Ausgangsimpuls 14 des zweiten Monoflops 12, der die Zeit f3 definiert und am Ende des Synchronisationsimpulses 10 beginnt, wird der Basis des Transistors Q₂ zugeführt und dazu benutzt, den Transistor Q₂ einzuschalten. Der Kondensator 22 ist während der Zeit t₂ auf eine Spannung aufgeladen worden, die genau gleich der Durchbruchsspannung V_Br abzüglich der Spannung V₂ der Batterie 24 ist. Wenn der Transistor Q₂ leitend wird, werden dessen Kollektor und die damit verbundene Seite des Kondensators 22 an Masse gelegt. Auf diese Weise wird die Spannung an der Photodiode 19 von der Durchbruchsspannung Vbr auf die Spannung Vbr- V₂ reduziert. Der Widerstand 23 und die Diode 25 sind demnach so geschaltet, daß sie eine positive Bezugsspannung für die untere Seite des Kondensators 22 liefern und auf diese Weise den Betrag bestimmen, um den die Vorspannung für die Photodiode gegenüber der Durchbruchsspannung vermindert wird. Der Leckstrom der Photodiode 19 ist so gering, daß der Kondensator 22 während der Zeit I₃ nicht entladen wird. Der Ausgang der Avalanche-Photodiode ist mit dem Vorverstärker 20 in üblicher Weise verbunden, wie es

Vl

oben angegeben wurde.

Es ist demnach ersichtlich, daß die Schaltungsanordnung die Durchbruchs-Charakteristik der jeweils vorhandenen Avalanche-Photodiode 19 selbst zum Einstellen der Vorspannung benutzt, die gegenüber der tatsächlichen Durchbruchsspannung Vbr um einen vorbestimmten Betrag V₂ vermindert ist, der während des Betriebes der Avalanche-Photodiode durch die Spannungsquelle 24 bestimmt ist. Diese Technik führt zu einer einfachen Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Vorspannung für die Avalanche-Photodiode über große Temperaturbereiche, die selbständig Toleranzen oder Schwankungen in den Eigenschaften der Avalanche-Photodioden verschiedener Empfänger dank ihrer selbstregelnden Eigenschaften ausgleicht. Die Photodiode 19 erhält die richtige Vorspannung und ist daher betriebsbereit in einigen hundert Mikrosekunden, so daß keine größeren Stabilisationszeiten benötigt werden, die in der Größenordnung von einigen Sekunden liegen, wie es bei bekannten Schaltungsanordnungen der Fall ist. Die in einem einzigen Zyklus nach Art einer Rücklaufspannung erhaltene Vorspannung ist praktisch rauschfrei, so daß keine Notwendigkeit besteht, im Netzgerät Filter einzusetzen.

Bei einer praktisch verwirklichten Ausführungsform einer solchen Schaltungsanordnung wurden Bauteile folgenden Typs bzw. mit folgenden Werten verwendet:

Diode 18	1N4946
Photodiode 19	C30872
Diode 25	1N4150
Kondensator 22	1nF
Transformator Ti	Coast Coil 9161
Transistor Q\	2N3019
Transistor Q₂	2N2222
Widerstand 23	10 000 Ohm
Batterie 24	15V
Zeit f,	50 μ$
Zeit t₂	200 μβ
Zeit t₃	200 us

Die Durchbruchsspannung Vbr der oben angegebenen Photodiode C30S72 schwankt in Abhängigkeit von der Temperatur von 250 bis 500 V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Vorspannung für eine Avalanche-Photodiode, zu der im Nebenschluß ein Kondensator geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kondensator ein Ladeteil gekoppelt ist, der bei Auftreten eines ersten Taktimpulses (13) den Kondensator (22) auf eine Spannung auflädt, die der Durchbruchsspannung der Photodiode (19) gleich ist, und einen Bezugsspannungsteil umfaßt, der bei Auftreten eines zweiten Taktimpulses (14) die am Kondensator (22) anstehende Spannung um einen vorgegebenen Betrag unter die Durchbruchsspannung absenkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeteil einen Transformator (T\) enthält, dessen Primärwicklung (J5) an einem Ende über eine Spannungsquelle (16) und am anderen Ende über die Kollektor-Emitter-Strecke eines normalerweise nichtleitenden Transistors (Q₁) mit Masse und dessen Sekundärwicklung (17) an einem Ende über eine Diode (18) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (22) und der Avalanche-Photodiode (19) und am anderen Ende unmittelbar mit Masse verbunden ist, und daß der erste Taktimpuls (13) der Basis des Transistors (Os) in der Weise zugeführt wird, daß dieser Transistor (Q\) leitend wird und von der Spannungsquelle (16) Strom zieht, so daß in der Primärwicklung (15) des Transformators (Γι) Energie gespeichert wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsspannungsteil einen Widerstand (23) und eine Klemmdiode (25) umfaßt, die parallel zueinander und beide in Serie zu einer Spannungsquelle (24) geschaltet sind und zusammen mit der Spannungsquelle (24) einen zwischen die der Avalanche-Pnotodiode (19) abgewandten Seite des Kondensators (22) und Masse geschalteten Serien-Parallel-Zweig bilden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsspannungsteil außerdem einen weiteren, normalerweise nichtleitenden Transistor (Q₂) umfaßt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke ebenfalls zwischen die der Avalanche-Photodiode (19) abgewandte Seite des Kondensators (22) und Masse geschaltet ist, und daß der zweite Taktimpuls (14) der Basis des weiteren Transistors (Qt) in der Weise zugeführt wird, daß dieser Transistor (Qi) leitend wird und dadurch die Spannung am Kondensator (22) von einem Wert, der der Durchbruchsspannung der Avalanche-Photodiode (19) gleich ist und auf die der Kondensator (22) nach dem ersten Taktimpuls (13) von dem Transformator (T\) aufgeladen wurde, auf einen Wert reduziert, der gleich dem Wert der Durchbruchsspannung abzüglich der Spannung der Bezugsspannungsquelle is..

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des ersten Taktimpulses (13) ein erstes Monoflop (11) und zur Erzeugung des zweiten Taktimpulses (14) ein zweites Monoflop (12) vorhanden ist und beide Monoflops (11, 12) von einem Laser-Synchronisationsimpuls (10) ausgelöst werden und dabei das erste Monoflop (11), dessen Impuls (13) eine kürzere Dauer hat als der . Synchronisationsimpuls (10), von der Vorderflanke des Synchronisationsimpulses, und das zweite Monoflop (12) von der Rückflanke des Synchronisationsimpulses ausgelöst wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (T\) ein Zeilen-Transformator ist