雪崩光电二极管在激光测距仪中的应用.pdf

电子测量技术 EL ECTRONI C ME AS URE M E NT TECHNOL OGY 第 3 O 卷 第 2期 2 0 0 7年 2月 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 孙 懋 珩丁燕 同济大学电子与信息工程学院上海2 0 0 0 9 2 摘要 雪崩光电二极管作为光敏接收器件， 特别适合用于微弱信号的接收检测， 它在相位式激光测距系统中用来接 收经过漫反射后微弱的激光信号。针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题， 本文设计和分析了一种高效的低 纹波偏压电路 ， 实验结果表明， 该方法有效抑制了纹波电压。针对雪崩二极管温度漂移的问题， 本文设计和分析一种 新型的温度补偿电路 ， 使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。针对雪崩二极管噪声问题 ， 分析了主要噪声源， 设计了一 个低噪声的前置放大电路 ， 实验结果表明， 该电路有效地提高了信噪比。综合实验结果表明， 这些电路设计对于提高 相位式激光测距仪的测量精度是有效的。 关键词雪崩光电二极管；相位式激光测距 ；纹波；温度补偿；前置放大电路 中图分类号TN 7 1 O ． 2 文献标识码A S t u dy o n a pp l i c a t i o n o f a v a l a nc h e ph o t o di o de i n p ha s e l a s e r di s t a n c e m e a s u r e me n t S u n Ma o h e n g Di n g Ya n S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，To n g j i Un iv e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 Ab s t r a c t As a l i g h t s e n s i t i v e d e v i c e ，a v a l a n c h e p h o t o d i o d e i s p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o r t h e r e c e i v i n g a n d d e t e c t i o n o f we a k s i g n a 1 ．Th e r e f o r e ，i t i s a l wa y s u s e d t o r e c e i v e we a k l a s e r s i g n a l i n t h e p h a s e l a s e r d i s t a n c e me a s u r i n g s y s t e m．To s o l v e t h e p r o b l e m o f h i g h r i p p l e i n t h e b i a s v o l t a g e c i r c u i t ，a h i g h e f f i c i e n t c i r c u i t wi t h l o w r i p p l e i s d e s ig n e d a n d a n a l y z e d wh i c h r e s t r a i n s t h e r i p p l e e f f e c t i v e l y ． To s o l v e t h e p r o b l e m o f t e mp e r a t u r e d r i f t ，a n e w c i r c u i t wi t h t e mp e r a t u r e c o mp e n s a t io n i s d e s i g n e d a n d a n a l y z e d wh i c h e n a b l e s APD t o r e a c h t h e o p t ima l a v a l a n c h e g a i n ．To s o l v e t h e p r o b l e m o f n o i s e ，t h e ma j o r n o i s e s o f AP D a r e a n a l y z e d a n d a p r e a mp l i f i e r c i r c u i t wi t h l o w n o i s e i s d e s i g n e d wh i c h r a i s e t h e s i g n a l t o - n o i s e r a t i o e f f e c t i v e l y ．Th e r e s u l t s o f t h e e x p e r i me n t i n d i c a t e t h a t t h e s e c i r c u i t d e s i g n s r a i s e t h e me a s u r i n g a c c u r a c y o f t h e p h a s e l a s e r d i s t a n c e me a s u r i n g s y s t e m e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r d s a v a l a n c h e p h o t o d i o d e ； p h a s e l a s e r d i s t a n c e me a s u r e me n t ；r i p p l e t e mp e r a t u r e c o mp e n s a t i o n p r e a mp l i f i e r 0引 言 在相位式激光测距仪 的激光接收部分 中， 雪崩二极管 作用非常关键。在激光测距仪 中， 激光从发射到接收 ， 由 于经过 目 标 的漫反射以及衰减， 接收到的激光信号非常微 弱 ， 使得接收检测相对较为困难 ， 所 以一般都用雪崩光电 二极管作为光敏接 收器件[ 1 。雪崩二极 管具有很 高的内 部增益 ， 响应速度非常快， 但要使雪崩二极 管发挥其优异 的特性 ， 必须给它提供一个较高的反向偏置 电压 一 般在 几十伏 以上甚至几百伏。一般的开关 电源可以达到这么 高的电压要求 ， 但伴随着会有相对较大纹波 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 ， 它 会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。针对这一情况 ， 本 文提出的一种高效的低纹波偏 压电路是通过从 高压输 出 端引出一个反馈 电路 ， 直接反馈 到高压 电路的电源端 ， 通 过改变电源电压来改变高压输 出。在实验 中测得 的输出 高压的纹波与之前未经低纹波设计 的高压电路相 比， 纹波 电压得到了很好 的抑制。对于雪崩二极管来说 ， 一个小小 的温度变化就能引起增益 的很大变化 ， 为了保证温度变化 时增益值不变 ， 就必须改变 P N结倍增区的电场， 因此必须 接入一个温度补偿电路， 在温度变化时来调整光检测器的 偏置电压。本文设计了一个新 型的温度补偿电路 ， 用一个 模拟温度传感器及一个运放， 通过简单的计算公式进行参 数配置， 最终得出一 条与 A P D最佳增益非常匹配的反向 高压输出曲线 。雪崩二极管在倍增过程中产生的附加 噪 声会大大降低测量的性能， 为达到最大信 噪比， 提高相位 式激光测距仪 的测量精度， 本文对其 噪声进行了分析并且 设计了一个有效的前置放大电路 。实验结果表明， 该电路 有效地提高 了信噪 比。将这些电路在相位式激光测距仪 接收模块 中应用 ， 结果表 明， 它们对于提高相位式激光测 】 2] 维普资讯 第 3 O 卷 电子测量技术 距仪的精度是有效 的。 1 A P D工作原理 A P D内部具有雪崩倍增效应 。在 A P D的 P N结上加 高反向偏压 ， 就可以加宽耗尽层并且在结 区产生一强 内建 电场 。在强 内建电场作用下 ， 光生载流子被加速， 获得 能 高的动能 ， 它们 与半导体晶格碰撞 ， 使束缚在价带 的电子 得到能量 ， 越迁到导带 ， 产 生新的电子一空穴对 ， 即发生碰 撞 电离。这种碰撞 电离现象循环发生， 像雪崩一样 ， 它使 得耗尽层中的载流子数量急剧增长 ， 从 而使光 电流在其 内 部进行倍增 。 2 低纹波的反向偏置电压设计 开关型稳压电路的纹波电压计算公式为 渡一 式中 J 。 为高压输出端的直流输出电流 ； t o n 为开关管的导 通时间 ； △ 为高频输出端的纹波 电压 ； c 滤 渡 为滤波电容。 由式 1 可以看 出， 只要适 当加大滤 波电容 的电容量 就可 以大大降低纹波 ， 但 由于开关 电源体积的限制， 不可 能无限制加大滤波电容的值， 所 以设计一个低纹波 的反向 偏置电压 电路对 于雪崩 二极管 发挥最 佳增 益是极 为重 要的。 高压发生器 由一个 5 5 5振荡器、 开关三极管 、 储能 电 感、 滤波电容以及 隔离二极管组成。5 5 5 振荡器是用于产 生一定频率的方波信号来控制三极管的导通和截止， 再经 过由电感电容组成的滤波电容， 从而产生高的输 出电压。 本 电路 中由运放组成的一个反馈 电路一端连接高压 输 出端 ， 另一端直接 连接到高压发生 电路 的 电源端 。反 馈 电路通过改变高压发生电路 的电源电压相应改变高压 输出 ， 有效地抑制了纹波电压。电路图如图 1 所示。 C 4 图 1 低纹波偏置高压电路 根据图 1 ， 实验结果得 到的输 出高压的纹波可控制在 2 O m v 以内， 与之前未经低纹波设计 的高压 电路 通常纹 波为几百毫伏 相比， 纹波电压得到了很好的抑制 。 1 2 2 3 A P D温度补偿 电路设计 A P D的内部增益对温度非常敏感 ， 这是因为电子和空 穴的电离速率取 决于温度 。而这种对温度 的依赖性在高 偏置电压条件下尤其明显 ， 一个小小 的温度变化就能引起 增益的很大变化 。为了保证温度变化 时增益值不变 ， 就必 须改变 P N结倍增 区的电场 ， 则必须接入一个温度补偿 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 A P D的增益是关于其偏压和温度的 函数 ， 二者共同决定了 AP D工作时增益 的大小。因此 ， 让 AP D的偏压随温度的改变而改变就可以维持 A P D增益基 本恒定 ， 保证其 正常工作。这就是对 A P D的温度漂移的 偏压补偿原理 。 A P D倍增增益称为最佳雪崩增益 ， 公式为 ， 1 1 2 h 一 q I p I , x ．R L ‘ 式中 为过剩噪音系数 ， 其值取决于 A P D 的制作材料及 工艺 。 由式 2 可知， A P D的最佳倍增增益取决于入射光功 率、 暗电流、 环境温度以及光电响应度等因素 。 某种型号 AP D的温度一响应度一偏压关系曲线如 图 2所示 。 图 2 AP D温度一响应度～偏压关系曲线图 由图 2 可以看 出， 如果要保持最佳增益 ， 随着温度 的 变化 ， A P D相应 的偏置 电压值就会 发生变化。因此， 必须 设计温度补偿电路来控制 A P D的偏置电压 ， 使 A P D在各 种温度条件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。 光接收机输出端的信噪比 S ／ N[ 2 定义为 S 光电流信号功率 一N 一 固 器噪声_ 功率f蔽大器噪声功率 则 S N 丝 2 q I 。 M2 F M B 2 q I B 4 k B t B／ RL 3 式 中 J 是未倍增时的初级光电流 ； 是未倍增过的光检 测器体的暗电流 ； 是表面漏 电流 ； F M 是噪声系数 ， 它 和雪崩过程的随机特性有关 。 维普资讯 型 箜 重塑 三垫．量 垒 垡式激光测距仪中的应用 第2 期 4 温度补偿电路设计与分析 实验室所用雪崩二极管 的高压偏置 电压与温度变化 的关系式 VA P D D C t一 1 4 5 ． 6 1 3 0 ． 6 8 1 t 5 为了便 于运算 ， 在电路中设置了一个参考电压 V ， 如 图 3所 示 ， V 与 温 度传 感器 的输 出端 作 为运 放 L M6 1 5 2 的同相输入。L M6 1 5 2的输出端 作为高压 电 路的电源输入端 ， 如图 4 所示。 图 3 电压变换电路 图4 高压电路 V 值可通过式 5 计算 V 一 D／ C ⋯ A B 3 ． 7 7 6 6 由图 3 可知， R 4 与R 的比值由 一R ／ R s R 4 V 决 定， 则 R4 ／ RO ． 3 2 4 。 输出端 的电压为 V 。 一 ～ 一 R 3 一 笼 7 由式 4 ～式 7 可知， 定义 V 是为了使 与VA P D 相 差整数倍， 便于下面对于 的值进行计算 。 由图 4 可知， 高偏置电压部分电路的输入输出电压关 系式如下 V o h f _t on - - t off 1 V 一 8 由于实验室所用 A P D的反 向偏置电压为 1 6 0 V， 电源 电压为 5 V， 则 E一3 2 。 此处， V Vo ， 则由式 7 、 式 8 可变为 Y o h 一 E f R s ／ R E 9 令 一V P D ， 由于 V f 、 E、 V P D 已知， 则可很容易 地计算 出 ／ R 一1 ． 0 8 9 。 实验结果证明， 由此得 出的高偏置电压部分 的输出电 压 曲线与 A P D获得最佳增益时温度一偏压的曲线非常吻 和 ， 从而实现了 A P D的温度补偿 。 5 低噪声前置运放设计 雪崩二极管在倍增过程 中产生 的附加噪声会大大降 低测量的性能。因此为达到最大信噪比， 提高相位式激光 测距仪 的测量精度， 必须对其噪声进行分析。 AP D噪声主要 由电阻热噪声 、 散弹噪声和前置放大器 噪声组成。 1 电阻热噪声 电阻热噪声来 源于导体 内部 自由电 子的不规则热运动， 具有平坦的噪声谱 ， 在一般的电子 电 路工作频率范围内， 可以认为是 白噪声。在负载电阻和放 大电路中都会产生这种热 噪声 。流过光 电二极管负载电 阻 R 『| 的电流其均方值为 一 1 0 式中 KB 是 B o l t z m a n n 常数； T是绝对 K e l v i n温度； R L 是 负载阻抗 ； B是探测器带宽 。 由式 1 0 可见 ， 降低温度可以减小热噪声的影响。 2 散弹噪声 电流是 由带 电粒子 如 电子 的运动形 成的。如果这些带电粒子的产生和运动是随机 的， 贝 0 电流 就会随机波动， 这就给信号带来 了叠加性 的噪声 。这种 由 带电粒子产生和运动的随机性 而引起 的噪声称为散弹噪 声。它是一种均匀频谱的白噪声， 散弹噪声 电流的均方值 可表示为 一 2 q I p B 1 1 式中 q 为电子电荷； I p为平均 电流， 等于平均 暗电流和平 均光电流之和； B为探测器带宽。在暗电流 比较小的情况 下， 散粒噪声可以忽略。 3 前置放大器噪声 在进行单光子探测时， A P D的输 出电流信号非常微弱 ， 必须进行高增益放大。然而 由于是 小信号测量， 电阻热噪声对微弱 的信号电流有很大影响， 在放大器输入端极容易引入额外噪声 。 常见 的前置放大电路有低阻抗前置放大电路 、 高阻抗 前置放大电路和互越阻抗前置放大电路 3 种类型。低噪 声前置放大电路比较简单， 但噪声性能差 。高阻抗前置放 大器可能获得最大的信噪比， 然而该放大器的一个缺点是 它需要一个均衡 器来减 小信 号失真 。互阻 前置放大器是 1 2 3 维普资讯 第 3 O 卷 电子测量技术 在高阻抗前置放大器的基础上加上负反馈电阻， 具有相对 较低的噪声和相对较宽的带宽。 由于相位式激光测距仪要达到一个 比较高的精度时 ， 必须提高频率 ， 所以此处选择 了 O N E T 2 5 1 1 T A高速宽带 宽跨导运放 来作 为 A P D 的前 置运 放。电路 实现 如图 5 所示。 图 5 低噪声前置运放电路 O N E T 2 5 l l T A把由雪崩二极管输出的电流转换成差 分电压输出。F i l t e r 输入端给 A P D提供一 直流偏置电压， 由 1 个 内部 7 5 0 Q电阻和一个内部电容的组合对其进行低 通滤波。 图 5 的电路有效地降低了输 出端的噪声， 提高 了信噪 比， 从而提高 了相位式激光测距仪的精度。 6 结论与展望 在低纹波的反向偏置电压电路设计 中， 实验结果得到 的输出高压 的纹波可控制在 2 0 m V以内， 与之前未经低纹 波设计 的高压电路 通常纹波为几百毫伏 相 比， 纹波电压 得到了很好 的抑制。在温度补偿 电路设计 中， 实验结果证 明， 通 过简单 的计算 公式进行计算， 随后对 电路进行参数 配置 ， 由此得出的高偏置电压部分的输出电压曲线与 A P D 1 2 4 获得最佳增益时温度一 偏压的曲线非常吻合， 有效地实现了 AP D的温度补偿。本文对雪崩二极管的噪声 以及信噪比 进行了分析 ， 并对低噪声的前置放大电路的输 出信号进行 分析， 结果表 明， 该 电路 降低 了输 出端的噪声 ， 提 高 了信 噪比。 A P D作为光电探测器 ， 它 的高灵敏度和高带宽受到 了 设计者的广泛应用和认可 。但要使 A P D在相位式激光测 距系统中达到最佳的光电探测转换性能， 必须考虑很多因 素。适 当的电路设计不仅使得雪崩二极管发挥 了它的最 佳效能， 而且大大提高了相位式激光测距仪 的信噪比， 具 有十分重要的意义。 参 考 文 献 E l i 陈永莆．红外辐射红外器件与典型应用E M] ．北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4． [ 2 ] KE I S E R G．光纤通信E M] ．3版． 北京电子工业 出 版社 ， 2 0 0 2． E 3 ] 李适民，黄维玲．激光器件原理与设计E M]．北京 国防工业 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 4 ] 李宏．浅谈开关直流电源的纹波抑制问题[ J ] ．电力电 子技术 ， 2 0 0 0 ，3 4 6 2 8 3 O ． [ 5 ] 陈才和． 光纤通信[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 4 ． E 6 ] 郭冠军， 李树楷．利用硅雪崩二极管检测激光脉冲信 号[ J ] ．中国激光，2 0 0 2 ，2 9 6 5 4 1 5 4 4 ． [ 7 ] F R ANZ J H， J AI N V K．光通信器件与系统E M] ．北 京电子工业出版社，2 0 0 2 ． E g J GR OT E N， VE NGHAUS H．光纤通信器件[ M] ．北 京国防工业出版社，2 0 0 3 ． 作 者 简 介 孙懋珩 ， 男 ， 1 9 5 7 年出生， 博士， 副教授， 主要研究方 向 为光电测量及信号处理。 维普资讯