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  • 浅谈雪崩光电二极管在测距起到的作用

  • 2021-01-12 17:08 39
1.引言

在激光干涉测距中,雪崩二极管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用,它对精度的提高有很大的影响。在激光测距中,激光从发射到接受会经过被测目标的漫反射,同时也有路程等的损失,所以接受到的光信号非常弱,这使得检测光信号相当困难,接受不当会影响到精度,所以综合考虑,我们采用雪崩光电二极管APD。APD不同于传统的光电二极管,它是建立在内光电效应基础上的光电器件,它具有内部增益和放大作用,同时响应的速度也很快,但是要发挥它的优势,需要加较大的反向偏置电压(一般在几十到几百伏),这样会伴随着有相对较大的纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,所以本文设计了一种低纹波电压的电路。对于APD而言,温度的变化也会严重影响它的增益,所以需要接入温度补偿电路来改变PN结倍增区的电场。此外,APD在倍增的过程中产生的附加噪声会严重影响测量精度,本文对噪声进行了分析设计了一个有效的前置放大电路,实验表明该电路有效的提高了信噪比。将这些模块用于激光测距的接受模块,将会提高测量精度。


  

 
2.APD的工作原理

APD是一种P-N结型的光检测二极管,其内部利用载流子的雪崩倍增效应来放大光信号。在P-N结上加高的反向偏压,就可以加宽耗尽层并且在结区产生一个强的内建电场,当电场强度增大到一定程度时,耗尽层中的光生电子空穴对就会被加速,被加速后的电子空穴获得足够的能量就能与晶格碰撞产生新的电子空穴对。这种过程是连锁反应,这样就会产生较大的二次光电流,因此APD有较高的响应度和内部增益,这种内部增益提高了器件的信噪比。
 
3.APD温度补偿电路的设计和分析

3.1.温度补偿电路的原理分析

由于电子和空穴的电离速率取决于温度,所以在高偏置电压的条件下,一个小小的温度变化就能引起增益很大的变化。为了保证温度变化时增益变化较小,就需要变化PN结倍增区的电场,这样就需要接入一个温度补偿电路,在温度变化时调整光检测器的偏置电压。理论上可以证明,APD的增益是关于偏压和温度的函数,所以,当APD的偏压随着温度改变时,APD的增益就可以基本恒定,这就是APD温度漂移的偏压补偿原理。
 
APD相应的偏置电压值就会随温度变化,为了保持最佳增益,需设计温度补偿电路来控制APD的偏置电压,使APD在各种温度下都能以最佳倍增增益工作,从而使接收系统获得最大的信噪比。+APD放大电路输出功率信噪比SNR为:
 
式中:M是APD的雪崩增益,为光电流,F为过剩噪声系数。APD选择适当的偏压可以使SNR最大,此时APD对应的增益为最佳雪崩增益,加在其上的偏压为最佳偏压。此时的最佳雪崩增益由下式确定:+式中,x为APD的过剩噪音指数,其大小取决于APD的结构和材料。
 
3.2.偏压温度补偿电路的设计

SPD-052型硅雪崩光电探测器是0.4~1.1+波长光信号的优良探测器,兼备了高灵敏度、高速响应和低噪声三大优点,内部的雪崩倍增效应可达到120倍以上。当温度升高10度,雪崩电压升高2.2~2.6V,在其内部有一个温度补偿二极管IN941,所以我们用该温度二极管进行偏压补偿,整个电路由三部分组成:温度传感、运放和可控电压源。
 
3.2.1温度传感部分

当内部温度二极管工作在恒流状态时,其两端的电压和温度具有良好的线性关系和较高的灵敏度,恒流源电路如图3,由于运放A1的增益很高,近似有V2%3DV3,设稳压管D1的稳压值为U,则RW和R1两端的电压等于U,所以有流经温度二极管的电流I为:+因此,通过调节RW的大小,可以得到不同的恒流。
 
3.2.2运放部分

A1构成跟随器,同向端以IN941的电压作为输入;A2是同相放大器,调整Rw1可以设定A2在某一温度下的输出电压,Rw2来调整A2的增益,同时A2的输出作为可控电压源的控制输入。
 
3.2.3可控电压源部分

可控电压源采用高精度低温漂可控高压电源模块,其中,%2BV为直流电压输入端;Control为调整端,接运放A2的输出端;V0为输出端,为APD提供偏置电压,其中K1,K2为倍压常数,Vc为Control端输入电压。实验表明,该电源输出范围270~440V,输出电压稳定性小于0.05%25,温度系数每摄氏度小于0.02%25,符合APD的使用要求
 
4.低纹波的反向偏置电压的设计

稳定电源一般包括整流电路、滤波电路和稳压电路三部分。整流电路将交流电转化为直流电,但是其中仍然含有大量的交流电成分,此时加入滤波电路来滤掉交流部分,但是输出电压中仍然含有一定的脉动交流成分,这种脉动交流成分称为纹波电压。
 

可见,当适当加大输出电容的值时,可以减小输出纹波电压,或者采用多个电容并联的方式来减少ERS值,但是电源体积是有限的,所以不可能无限制地增大输出电容的值,这样设计一个低纹波的反向偏置电路来增大增益很重要。


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