雪崩光電二極管APD在激光外差干涉測距中的作用

劉清燕 徐文玲

【摘 要】雪崩光電二極管APD是一種光伏探測器元件，一般用于接受檢測微弱信號，它在激光外差干涉測距系統中用來接收經過漫反射后的微弱信號。針對APD的一些常見問題，本文分析設計了一種溫度補償電路，來使雪崩二極管達到最佳增益，也介紹了降低紋波電壓的方法，同時本文也設計了低噪聲的前置放大電路。實驗表明，這些電路的設計應用對激光測距精度的提高是有效的。

【關鍵詞】雪崩光電二極管 外差干涉激光測距 溫度補償 紋波 前置放大電路

1 引言

在激光干涉測距中，雪崩二極管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它對精度的提高有很大的影響。在激光測距中，激光從發射到接受會經過被測目標的漫反射，同時也有路程等的損失，所以接受到的光信號非常弱，這使得檢測光信號相當困難，接受不當會影響到精度，所以綜合考慮，我們采用雪崩光電二極管APD。APD不同于傳統的光電二極管，它是建立在內光電效應基礎上的光電器件，它具有內部增益和放大作用，同時響應的速度也很快，但是要發揮它的優勢，需要加較大的反向偏置電壓（一般在幾十到幾百伏），這樣會伴隨著有相對較大的紋波電壓，電源的紋波電壓變化范圍越大，對雪崩二極管的影響就越大，所以本文設計了一種低紋波電壓的電路。對于APD而言，溫度的變化也會嚴重影響它的增益，所以需要接入溫度補償電路來改變PN結倍增區的電場。此外，APD在倍增的過程中產生的附加噪聲會嚴重影響測量精度，本文對噪聲進行了分析設計了一個有效的前置放大電路，實驗表明該電路有效的提高了信噪比。將這些模塊用于激光測距的接受模塊，將會提高測量精度。

2 APD的工作原理

APD是一種P-N結型的光檢測二極管，其內部利用載流子的雪崩倍增效應來放大光信號。在P-N結上加高的反向偏壓，就可以加寬耗盡層并且在結區產生一個強的內建電場，當電場強度增大到一定程度時，耗盡層中的光生電子空穴對就會被加速，被加速后的電子空穴獲得足夠的能量就能與晶格碰撞產生新的電子空穴對。這種過程是連鎖反應，這樣就會產生較大的二次光電流，因此APD有較高的響應度和內部增益，這種內部增益提高了器件的信噪比。

3 APD溫度補償電路的設計和分析

3.1 溫度補償電路的原理分析

由于電子和空穴的電離速率取決于溫度，所以在高偏置電壓的條件下，一個小小的溫度變化就能引起增益很大的變化。為了保證溫度變化時增益變化較小，就需要變化PN結倍增區的電場，這樣就需要接入一個溫度補償電路，在溫度變化時調整光檢測器的偏置電壓。理論上可以證明，APD的增益是關于偏壓和溫度的函數，所以，當APD的偏壓隨著溫度改變時，APD的增益就可以基本恒定，這就是APD溫度漂移的偏壓補償原理。

APD相應的偏置電壓值就會隨溫度變化，為了保持最佳增益，需設計溫度補償電路來控制APD的偏置電壓，使APD在各種溫度下都能以最佳倍增增益工作，從而使接收系統獲得最大的信噪比。

APD放大電路輸出功率信噪比SNR為：

式中：M是APD的雪崩增益， 為M=1時的光電流，F為過剩噪聲系數。APD選擇適當的偏壓可以使SNR最大，此時APD對應的增益為最佳雪崩增益，加在其上的偏壓為最佳偏壓。此時的最佳雪崩增益由下式確定：

式中，x為APD的過剩噪音指數，其大小取決于APD的結構和材料。

3.2 偏壓溫度補償電路的設計

SPD-052型硅雪崩光電探測器是0.4～1.1 波長光信號的優良探測器，兼備了高靈敏度、高速響應和低噪聲三大優點，內部的雪崩倍增效應可達到120倍以上。當溫度升高10度，雪崩電壓升高2.2～2.6V，在其內部有一個溫度補償二極管IN941，所以我們用該溫度二極管進行偏壓補償，整個電路由三部分組成：溫度傳感、運放和可控電壓源。

3.2.1溫度傳感部分

當內部溫度二極管工作在恒流狀態時，其兩端的電壓和溫度具有良好的線性關系和較高的靈敏度，恒流源電路如圖3，由于運放A1的增益很高，近似有V2=V3，設穩壓管D1的穩壓值為U，則RW和R1兩端的電壓等于U，所以有流經溫度二極管的電流I為：

因此，通過調節RW的大小，可以得到不同的恒流。

圖3 恒流源電路

3.2.2運放部分

A1構成跟隨器，同向端以IN941的電壓作為輸入；A2是同相放大器，調整Rw1可以設定A2在某一溫度下的輸出電壓，Rw2來調整A2的增益，同時A2的輸出作為可控電壓源的控制輸入。如圖4：

圖4 運放部分的原理圖

3.2.3可控電壓源部分

如圖5所示，可控電壓源采用高精度低溫漂可控高壓電源模塊，其中，+V為直流電壓輸入端；Control為調整端，接運放A2的輸出端；V0為輸出端，為APD提供偏置電壓，大小為： ，其中K1，K2為倍壓常數，Vc為Control端輸入電壓。實驗表明，該電源輸出范圍270～440V，輸出電壓穩定性小于0.05%，溫度系數每攝氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。

圖5 可控電壓源工作原理框圖

4低紋波的反向偏置電壓的設計

穩定電源一般包括整流電路、濾波電路和穩壓電路三部分。整流電路將交流電轉化為直流電，但是其中仍然含有大量的交流電成分，此時加入濾波電路來濾掉交流部分，但是輸出電壓中仍然含有一定的脈動交流成分，這種脈動交流成分稱為紋波電壓。

輸出電壓與輸出電容的關系為：

可見，當適當加大輸出電容的值時，可以減小輸出紋波電壓，或者采用多個電容并聯的方式來減少ERS值，但是電源體積是有限的，所以不可能無限制地增大輸出電容的值，這樣設計一個低紋波的反向偏置電路來增大增益很重要。

在本文中我們用的是共模濾波法來降低紋波電壓，在電源的輸出端加共模扼流圈，和Y電容去耦，可衰減掉電源的共模噪聲，共模扼流圈內的寄生電感形成LC濾波，可濾掉差模紋波。共模電感連補償電路，在確保良好的濾波效果的同時，還增加了電源的穩定性。共模扼流圈是在一個閉合磁環上，對稱繞制方向相反，匝數相同的線圈，這樣，當電路中的正常電流流經共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻影響，當有共模電流流經線圈時，由于共模電流的同相性，會在線圈內產生同相的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現為高阻抗，產生較強的阻尼效果，一次衰減共模電流，達到濾波目的。如圖6所示。

圖6

實驗表明這種濾波方法得到的紋波電壓約為6.5mv左右，與之前未經濾波的紋波電壓（大約為幾百毫伏）相比，紋波得到了很好的抑制。

5 前置放大電路設計

為提高干涉式激光測距儀的測量精度，達到最大信噪比。需要將微弱信號中的有用信號從強噪聲中提取出來， 同時提高檢測系統輸出信號的信噪比。但是光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱， 而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。 因此， 要對這樣的微弱信號進行處理， 一般先進行預處理， 以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續處理器所要求的電壓幅度。需要前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。

5.1 主放大電路

由于所得到的信號是小信號，所以一般不能直接用于采樣處理。前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用， 但后續電路一般為A/D轉換電路， 所需電壓幅值一般為2V。然而，輸出的電壓信號一般還需要繼續放大幾百倍， 因此需應用主放大電路。如圖7：

圖7

A=1+R1/R2為該主放大器的放大倍數，R1和R2的值在后續的研究設計中需要設計一定具有合理性的比例和大小的參數值。R2為反饋電阻。

為了讓電路設計能夠更簡潔并具有良好的信噪比，設計時還需要用帶通濾波器（由低通濾波器和高通濾波器組成）對信號進行處理。在前置放大電路之后加入帶通濾波電路來保證測量的精確性，然后通過設置合適的工作點及原件參數且確定最好的帶寬和上下線截止頻率，以除去有用信號頻帶以外的噪聲， 包括環境噪聲、儀器噪聲。并且在濾波器的負輸入端設置調零電路，保證放大電路工作在線性區。

圖8

如圖8，濾波器的帶寬B= = ，Q值越大，增益衰減越快。在f0不變的時候，Q越大，帶寬越窄，電路的選擇性也就越好。

本濾波電路為有源濾波電路，相對于無緣濾波電路來說，其優點多，包括結構牢固、可以集成、價格便宜、重量輕巧等等。電路中采用集成運算放大器、二極管等有源器件。如圖9所示：

圖9

帶通濾波器由前低通濾波器和后高通濾波器組成。C1=C2=C，R1=R2=R，則通帶的放大倍數A=1+R3/R4，通帶為

帶通濾波器的幅頻特性如圖10：

圖10

5.2 完整電路

用雪崩二極管與前置放大電路組成前級放大電路。如圖11：

圖11

圖中R9和R11為等效電路中的R1和R2。注意，信號不能無限放大，因為電路中存在電阻、運算放大器等器件的本身的固有噪聲，所以不能無限放大。

實驗結果表明，輸出端的噪聲得到了明顯的改善。

6 結論展望

在低紋波電路的設計中，實驗結果表明，輸出高壓的紋波可以控制在約6.5mv左右，與未經低紋波設計的高壓電路（通常為幾百毫伏）相比，紋波電壓得到了很好的抑制。在溫度補償電路設計中，實驗結果證明，通過公式計算，該電源輸出范圍是270～440V，輸出電壓穩定性小于0.05%，溫度系數每攝氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。電路的前置放大部分，也得到低噪聲的輸出，提高了電路的信噪比。

雪崩光電二極管APD作為一種應用廣泛的光敏接收器件，一般用于接受檢測微弱信號，它在激光外差干涉測距系統中接收經過漫反射后的微弱信號。恰當的電路設計可以發揮APD的最佳功效，同時對提高激光外差干涉測距信噪比也有十分重要的作用。

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作者簡介：劉清燕（1993—），女，西安電子科技大學，本科大三，研究方向：精密激光測距系統研究。