微弱光信号探测APD处理电路设计

Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ（ Ａ Ｐ Ｄ ） ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗ ｅ ａ ｋ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
从 图 ２中可 以看 出 ： Ａ Ｐ Ｄ为核 心器 件 ， Ａ Ｐ Ｄ探 测
器将 接收 到的微弱激 光 回波信 号转换 成 电信 号 ； Ａ Ｐ Ｄ
１ ０
左 侧 为前 期 信号 采集 部 分 ， 依据 Ａ Ｐ Ｄ探测 器 工作 原 理、 自身 特 性及 外 界影 响 因素分 别 设计 了该 部分 电 路； Ａ Ｐ Ｄ右侧 为后 期信 号处 理部分 ， 前 置放 大 电路 用
作者简介 ： 李天浩（ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 辽 宁锦 州人 ， 学 士， 主要研究方 向为光电技 术和光 学设计
光
电
技
术
应
用
第２ ９ 卷
Ａ Ｐ Ｄ的雪 崩增益 ， 又称 倍增 系数 ， 它定 义为
Ｍ ：／ Ｍ／ ／ Ｒ （ １ ）
雪 崩 抑制 电路 和计 时 电路 ， 使 雪 崩 发生 后 迅速 地 切 断雪 崩 ， 并通过 计 时电路重 置偏置 电压 ， 以使 Ａ Ｐ Ｄ恢
近似表示 为
Ａ Ｐ Ｄ相 关处 理 电路 可 以分 为 两 大部 分 ： 前 期 信 号采集 电路 和后 期信 号处 理 电路 。前 期信 号采 集 电 （ ２ ） 路 主要 为 Ａ Ｐ Ｄ在 复 杂 多 变 环境 下 正 常 工 作 提 供 保
障， 使Ａ Ｐ Ｄ处 于最 佳增益 状态 下 ， 以达到探测 微 弱光
李天浩 ， 包 维
（ 中国电子科技集团公司光 电研究院 ， 天津 ３ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ）
摘
要： 雪崩光 电二极管 （ Ａ Ｐ Ｄ） 具备微弱光信号探测性能 ， 其相关处理 电路 的设计直接关乎 Ａ Ｐ Ｄ探测能力 的大小 。分析 了
Ａ Ｐ Ｄ光 电探测器工作原理 、 自身特性及外 界影 响因素 ， 研究 了Ａ Ｐ Ｄ工作 电路 的组成与最佳 工作 电路 的设计问题。后期信号处理 阶段 ， 设计 了 Ａ Ｐ Ｄ信 号放 大处理 电路 ， 满足了低 噪声 、 带宽匹配， 微弱信号放大的要求 。在 Ａ Ｐ Ｄ微弱光信号探测 领域具有一定的
硒１
可 以看 出 ： 当 接 近 时 ， 迅 速 增大 ， 而 当
式 中， ， ｚ 是Ｐ Ⅳ结 的材 料和 结 构有 关 的常 数 。对 于硅 器件 ， ｎ ＝ １ ． ５ ～４ ； 对于锗 器件 ， ｎ ＝ ２ ． ５ ～８ 。从经 验公 式 时， Ｍ— ｏ 。 ， 此时Ａ Ｐ Ｄ工 作在盖 革模式 （ 反 向偏 压超过 击 穿 电压 ， 则 方 向偏 压越 大 ， 电流 增 长越 快 ， 即雪 崩
复 到接 收光子 的状 态 。Ａ Ｐ Ｄ击穿 电压受 外界 温度 影
式 中， 为Ａ Ｐ Ｄ器件 有 雪崩 增 益 时输 出的光 电流 ；
为无雪崩增益时光生电流的平均值（ 无光照时 ， 即 为二极 管 的反 向饱 和 电流 ） 。实 际上 ， 雪 崩增益 与Ｐ Ｎ结上所 加 的反 向偏压 、 Ｐ Ｎ结 的材料 和结构 等 因 素 有关 。实 验发 现 ， 在外加 电压略低 于击 穿 电压
１ ０ ０ １ ２ ０ １ ４ ０ ｌ ６ Ｏ １ ８ Ｏ
１ ８ Ｏ
反 向偏 压 ／ Ｖ
于将 Ａ Ｐ Ｄ输 出 的微 弱 电信 号进 行 放 大 、 滤波 处 理并 提供 给 后期 信 号处 理 电 路 。其 中 ， 时 刻 鉴别 电 路 的 作 用 是对 前 置 放 大 电路 的输 出信 号进 行 鉴别 ， 确定 激光 回波 的到达 时刻 ， 产 生脉 冲停止 信号 ， 完成 测距 任务 ； 峰值 保 持 电路 的 主要 作 用是 检 测前 置 放 大 电 路输 出电压 信 号 的峰 值 ， 该 峰值 代 表 激光 回波 信号
ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ＡＰ Ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ － ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｓ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ＡＰ Ｄ ａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ． Ｄｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｐ ｏ ｓ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｌ ａ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ — ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｏ ｆ ＡＰ Ｄ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ． Ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ， ｂ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｗｅ ａ ｋ ｓ ｉ ｇ ｎ ｌ ａ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ －
ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｍｅ ｔ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｈａ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｏ ｆ ｗｅ ａ ｋ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＡＰＤ．
意义 。
关键词： Ａ Ｐ Ｄ； 微弱光信号 ； 处理 电路 ； 带宽匹配 ； 信号放大
中图分 类 号 ： Ｔ Ｎ ７ １ ０ ． ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ６ ７ ３ － １ ２ ５ ５ （ ２ ０ １ ４ ） 一 叭一 ０ ０ ５ ５ － ０ ６
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ａｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ Ｐｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｗｅ ａ ｋ Ｌｉ ｇ ｈ ｔ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ＡＰＤ ｉ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｄ ｅ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｒ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｓ ． Ｔ ｈｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｒ ｉ ｎｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ａ ｎｄ
信 号 的 目的 ； 后 期信 号 处理 电路 主要 用 于提 取 Ａ Ｐ Ｄ 接收 到 的微 弱信 号 ， 经过放 大 、 滤波 等处理 后送 人后 期 信 号 处 理 电路 ， 进 而完 成 相应 的测 量 任务 。Ａ Ｐ Ｄ
处理 电路 的原理 如图 ２ 所示 。
后期信号处 理部 分
号， 不仅 能够 获取 目标 的距 离信 息 ， 还能 探测 目标 的
１ ＡＰ Ｄ光 电探 测器
雪 崩光 电二 极管 Ａ Ｐ Ｄ是具 有雪 崩倍 增效应 的光
方 位信 息 ， 且具 有较 高的测距 精 度和 角分 辨率 ， 实 现 对非合 作 目标 的准 确定 位 ， 在 目标识别 ， 空 间对 抗 等 领域 有着 广 阔 的应 用前 景 。Ａ Ｐ Ｄ微 弱光信 号探 测 技
计 直 接 影 响微 弱 信 号 的检 测 能力 ， 具 有 重要 的研究
价值 。基 于 Ａ Ｐ Ｄ微 弱 光信 号 探测 技 术 ， 从Ａ Ｐ Ｄ光 电
足 够 的增 益 ， 所 加 的反 向偏 压 应 接 近 其击 穿 电压 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ． １ １ － １ ３
ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ａ Ｐ Ｄ微 弱光 信 号 探 测技 术 在 激 光 测距 、 激 光 通
探测 器 的工作 原理 、 自身特 性及 外界 环境 因素 出发 ，
研究 了 Ａ Ｐ Ｄ处理 电路 的设计 。
信、 激 光雷 达 等领 域 有 着广 泛 的应 用 。基 于 Ａ Ｐ Ｄ雪 崩 光 电二 极 管 的光 电探 测 系统 接 收 目标 的 回 波 信
术是 激 光 探 测领 域 的关 键 技 术 之一 ， 处 理 电路 的设
电探测 器 件 ［ １ ＿ 。 当在 Ｐ Ｎ结 上加 高 反 向偏 置 电压 （ 一 般为 ５ ０ ｖ以上 ， 甚 至 几百 伏 ） 时， 具 备微 弱光 信 号探
测 性 能 。Ａ Ｐ Ｄ是 具 有 内增 益 的光 伏 电池 ， 为 了获得
时， 也 会发 生雪 崩倍增 现象 ， 只 是雪崩 增益 小些 。雪
响较大 ， 进 而影 响到雪 崩增 益 的大小 ， 设 计温 度 补偿
电路 ， 随环境 温度变化 时刻调整 反 向偏压 大小 。
２ ＡＰ Ｄ处 理 电路
２ ． １ Ａ Ｐ Ｄ处理 电路组成及框 图
崩 增 益 随外 加 电压 的变 化可 以用 下 面经验 公式
效应 ） 下， 具备单光子探测能力 ， 但会导致 Ｐ Ｎ结 击
穿， 管 子将被烧 坏 。 Ａ Ｐ Ｄ的击 穿 电压对温度 变化 相 当敏 感 ， 如图 １ 所
采集部分 隆堡
｛强度时 ， Ａ Ｐ Ｄ的雪 崩增 益也 随之 发
生较大 变化 。
（ Ｔ ｙ ｐ ． ＝ ８ ０ ０ １ ３ １ １ ７ １ ）
第２ ９ 卷第 １ 期
２ ０ １ ４ 年２ 月
光 电技 术应 用
ＥＬ ＥＣＴ Ｒ０— ０Ｐ ＴＩ Ｃ Ｔ ＥＣＨＮ０Ｌ ０ＧＹ ＡＰ Ｐ ＬＩ ＣＡＴ１ ０Ｎ
ＶＯ１ ． ２９． Ｎｏ． １
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ， ２ ０ １ ４
・
电路 与 控 制 ・
微 弱光 信 号探 测 ＡＰ Ｄ处 理 电路 设 计
Ｌ Ｉ Ｔ ｉ ａ ｎ — ｈ ａ ｏ ， Ｂ ＡＯ Ｗｅ ｉ
ｌ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ＠ ｔ ｏ ・ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｇｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ Ａ Ｏ Ｅ Ｃ Ｅ Ｔ Ｃ ） ． Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ０ ０ ０ ）
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 ｓ（ Ａ Ｐ Ｄ ） ； ｗ ｅ ａ ｋ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ； ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ； ｂ ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ； ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ
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时 刻 鉴 别 电 路 ｌ
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图２ Ａ Ｐ Ｄ处 理 电路 原理 图
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