APD偏压电路的最佳设计 - 外文翻译

APD偏压电路的最佳设计 - 外文翻译

APD偏压电路的最佳设计

孙纯生，秦世桥，王兴书，朱冬华

1 .国防科技大学光电科学与技术学院，中国长沙410073

2 . 海军工程大学装备工程部，中国武汉430033

提出了一种基于温度补偿和负载电阻补偿的雪崩光电二极管反向偏压控制方法，并详细的分析了背景光和负载电阻对雪崩光电二极管检测电路的影响。为雪崩光电二极管偏置电路的设计建立了一种理想的温度补偿和负载电阻补偿模型。据预测，这种控制方法特别适用于车辆使用的激光测距仪。实验结果证实，提出的设计可以很大程度的改善测距仪的性能。

雪崩光电二极管的特点是具有很高的量子效率和教大的内部增益，这可以很大程度的降低对前置放大电路性能的要求，并能提高检测电路的信噪比(SNR)。因此，它具有很广泛的用途，如光纤通信、激光测距仪、微弱信号探测器等。为了使检测电路能获得最佳检测性能，APD的外部电压需要接近最佳倍增因子时的电压。于最佳倍增因子是许多因数的复函数，如:外部温度、背景光通量、放大器噪声和系统带宽，因此需要设计一个复杂的反馈控制电路及时的调整雪崩光电二极管的偏压。当然这就增加了开销。介绍了一种简单

的、避免高开销的方式，就是确保温度补偿的同时给APD偏置电路选择一个合适的负载电阻。通过这种方式，背景光对雪崩光电二极管检测电路造成的不良影响可在一定程度上得到补偿，并且检测电路抗背景光能力得到了改善。在这种方法基础上为汽车防撞设计的激光测距仪能很好地满足系统的要求。

APD激光检测电路的主要噪声源包括检测器噪声、负载电阻噪声、放大电路前端噪

声，还有背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声。当前的信噪比可以按照下列方程式计算：

方程1右边分子部分是光信号电流。方程1右边分母部分是噪声电流，包括三个方面。第一项是背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声，第二项是检测器噪声，最后一项是负载电阻噪声和跟随放大电路的等效噪声。在方程中，Ps代表检测器接收到的光信号功率，M是APD的倍增增益，Ro是当M=1时的电流灵敏度，e是电子的电荷量，等于×10-19C，B是检测电路的通频带宽，Pb是检测器收到的背景光功率，FA是APD的过量噪声系数，ids是APD表面漏电流，idb是负载漏电流，K是玻耳兹曼常数，等于× 10-23 JK-1，T 是检测器负载电阻的温度(K)，Rl是检测器的负载电阻(Ω)，Fn是放大电路的等效输入噪声系数。

M 于实际使用中M是远远大于1的，暗电流可表示为

id≈idb，而APD过量噪声因子

FA=kM+(1-k)(2-1/M)≈2+kM。在这一近似条件下，当d(SNRi)/dM=0，SNRi达到其最大值且倍增因子达到最佳，可表示为:

方程2中符号和方程1中符号的含义相同。我们知道，最佳倍增因子是外部温度、光信号功率、背景光功率，APD 噪声、光谱灵敏度、放大器噪声和系统带宽的函数。此外，特别是APD内部结构决定了其倍增增益M随工作温度变化而变化。用温度系数CT来描述这种影响。对于C30737系列的APD，CT为 V/℃，这意味着在相同条件下，当APD的工作温度增加1℃，为了维持APD倍增因子不变偏压需要增加 V。从前面一段的分析，我们知道，电路温度和背景光补偿旨在控制偏压，以便在不同

温度和背景光条件下电路仍能保持最佳的APD倍增因子。目前有几种偏置电路控制方法：恒流偏置，温度补偿和恒虚报警控制。恒流偏置是只适用于不变的背景光或无背景光情况。温度补偿抗背景光的能力较差。恒虚假控制可以保持最佳的倍增因子，但复杂的电路和高成本才换来较高的性能。提出了一种新方法，为APD偏压电路设计了温度补偿以及串行电阻背景光补偿，实现高性能的同时保持低成本。

温度变化对APD偏置电路的影响主要在两个方面：一是温度变化使负载电阻噪声发生变化，因而改变了APD检测电

路的最佳增殖因子；另一方面，温度变化改变了APD载流子和晶格之间的碰撞频率和强度，这也改变了APD的倍增因子。以下就是分析这两个因数的影响。

APD倍增因子M和其反向偏置电压V之间的关系可以用下式描述：

其中V是APD的反向偏置电压，VB是某一确定温度时的击穿电压，n介于1和3之间，它半导电材料、半导体掺杂分配和辐射源的波长决定。在方程3中，当M达到最佳值Mopt 时反向偏置电压达到最佳Vopt。从方程2和3我们能够得到最优偏置电压Vopt、工作温度和接收到的背景光功率Pb之间的关系如下：

方程４只包括APD偏置电路的温度对负载电阻噪声的影响，例如上文提到过的一个方面。温度变化对APD倍增因子影响可表示为温度系数Ct。以最佳工作电压V22 为22℃作为参考点，温度变化引起的最佳偏置电压的变化可以描述为：

方程５右边前面两项的和ΔV1表明负载电阻噪声对最佳偏置的影响。方程５右边第三个项ΔV2表明工作温度对APD偏置的影响。公式５显示了当温度变化时如何控制偏置电压优化倍增系数。这仅仅是APD偏置电压工作的温度补偿模型。

从方程５，我们知道ΔV不仅取决于APD的工作温度T，

而且还取决于击穿电压VB、接收光信号功率和背景光功率。因此，方程５是不符合实际工程的。实际中，ΔV2＞＞ΔV1，所以方程５可以近似为：

APD的温度系数和22 ℃时的最佳工作电压可在设备手册里获得，工作温度可用温度传感器测出。因此，APD偏压相对于V22的补偿可通过方程6得到。

温度补偿模拟温度传感器、模拟数字转换A / D转换器、微控制器和可调直流电源供应电路组成，其电路框图如图１所示：

模拟温度传感器置于APD附近监测其工作温度。A / D 转换器将模拟温度信号变量转

换成数字信号变量。单片机的作用是将A/D转换器提供的数字温度信号转变成相应的控制信号，并根据方程６和控制方程调整数字电位器的输入电阻值调整直流电源供应。通过调整输入电阻值来调整直流适配器，这样就能输出合适的APD偏压。

温度补偿、背景光补偿可以通过适当选择的负载电阻实现。因此检测电路的抗背景

光干扰能力可以大大改善。图2显示了APD检测电路的偏置电路及其外围电路，其中V0是

V

图１．温度补偿电路原理图

温度补偿后输入的可调的直流电压，π型滤波器电容C1、C2和电阻RC组成，输出脉冲信号的读出电路电容C3, 电阻Rf和运算放大器AV组成。Rl是APD偏压电路的直流负载电阻。

我们将在下面分析APD偏压电路负载电阻对抗背景光能力的的影响。从图２，我们知道，APD偏置电压的性能可表示为：

图２．APD的外围电路

方程３和７，偏置电压Vapd、背景光功率P b和负载电阻RC间的关系可以表示为：

基于温度补偿，并假设只考虑背景光功率PVopt和Pb 对APD最佳偏置电压Vopt的影响，b之间的关系给出如下：如果方程８中工作电压等于方程９的最佳值，温度补偿后APD获得最佳倍增因子，检测电路信噪比也能达到最高水平。

为了检查上述方法的有效性，我们在汽车半导体激光测距仪设计中运用此方案，并设定具体参数来检测150米远的目标。如图３所示，APD偏压Vapd、背景光功率和串行电阻RC之间的关系可通过对方程８和９进行数值计算和分析得到。通过同样的方式，如图

４，检测电路当前的SNRi、背景光功率和串行电阻RC

之间的关系可以通过方程１、８和９得到，这里Ps=30 nW, R0=, B=35 M, P在背景光较弱时，Pb=0～500nW。b=200nW, idb=8×10-11A, k=, Rl=400 Ω, Fn=1, VB= V, V0= VB.

图3显示了Rc取不同值时APD偏压和的背景光之间的关系，其中实线代表最佳偏压虚线代表工作偏压Vapd和背景光之间的关系。该图显示了Vopt和Vopt和背景光之间的关系。

Vapd随着Rc变化的补偿。因而可以找到一个最佳的Rc 使Vopt和Vapd保持一致。图4对应于图3，显示了Rc取不同值时检测电路当前SNR和背景光之间的关系，其中实线呈现了最佳SNR和背景光间的关系，虚线显示了Rc取不同值时实际SNR和背景光间的关系。该图显示了APD检测电路和最佳偏压因Rc不同而产生不同的偏移时的实际SNR。为了优化检测电路的性能，认真选择Rc对保持实际SNR和最佳SNR 恒等非常重要。从图3和4，我们知道背景光对检测电路造成的不良影响可以通过选择合适的Rc得到一定的补偿，并能够改善检测电路的性能。

图３．Rcs不同时Vapd和Pb间的关系图４．Rcs不同时SNRi和Pb间的关系

这种雪崩光电二极管激光检测电路已广泛地运用于汽车防撞激光测距仪中，其性能测试的方法有两种。途径之一是在恒定的背景光下改变雪崩光电二极管的负载电阻，这时

激光测距仪测距能力范围变化很明显。在明亮的背景光下，Rc为Ω时的测量范围比Rc等于5 MΩ或100 kΩ的范围大10 ％～20 ％左右。另一种方式是在相同的测量范围下改变APD负载电阻，这时测量的抗背景光干扰能力具有明显的差距。在同一测量范

围，Rc为Ω对比Rc等于5 MΩ或100 kΩ抗背景光能力增加了20 ％～30 ％。

从以上理论分析和实验结果，我们发现基于负荷电阻的温度补偿和背景光补偿的APD偏压控制方法可以大大地提高相同条件下APD检测电路的检测能力范围和抗背景光能力。这种方法的电路设计特点是结构简单，成本低，所以它是一个实际可行的项目。

APD偏压电路的最佳设计

孙纯生，秦世桥，王兴书，朱冬华

1 .国防科技大学光电科学与技术学院，中国长沙410073

2 . 海军工程大学装备工程部，中国武汉430033

提出了一种基于温度补偿和负载电阻补偿的雪崩光电二极管反向偏压控制方法，并详细的分析了背景光和负载电阻对雪崩光电二极管检测电路的影响。为雪崩光电二极管偏置电路的设计建立了一种理想的温度补偿和负载电阻补偿模型。据预测，这种控制方法特别适用于车辆使用的激光测距仪。实验结果证实，提出的设计可以很大程度的改善测距

仪的性能。

雪崩光电二极管的特点是具有很高的量子效率和教大的内部增益，这可以很大程度的降低对前置放大电路性能的要求，并能提高检测电路的信噪比(SNR)。因此，它具有很广泛的用途，如光纤通信、激光测距仪、微弱信号探测器等。为了使检测电路能获得最佳检测性能，APD的外部电压需要接近最佳倍增因子时的电压。于最佳倍增因子是许多因数的复函数，如:外部温度、背景光通量、放大器噪声和系统带宽，因此需要设计一个复杂的反馈控制电路及时的调整雪崩光电二极管的偏压。当然这就增加了开销。介绍了一种简单的、避免高开销的方式，就是确保温度补偿的同时给APD偏置电路选择一个合适的负载电阻。通过这种方式，背景光对雪崩光电二极管检测电路造成的不良影响可在一定程度上得到补偿，并且检测电路抗背景光能力得到了改善。在这种方法基础上为汽车防撞设计的激光测距仪能很好地满足系统的要求。

APD激光检测电路的主要噪声源包括检测器噪声、负载电阻噪声、放大电路前端噪

声，还有背景光电流和信号光电流造成的散粒噪声。当前的信噪比可以按照下列方程式计算：

方程1右边分子部分是光信号电流。方程1右边分母部分是噪声电流，包括三个方面。第一项是背景光电流和信号

光电流造成的散粒噪声，第二项是检测器噪声，最后一项是负载电阻噪声和跟随放大电路的等效噪声。在方程中，Ps代表检测器接收到的光信号功率，M是APD的倍增增益，Ro是当M=1时的电流灵敏度，e是电子的电荷量，等于×10-19C，B是检测电路的通频带宽，Pb是检测器收到的背景光功率，FA是APD的过量噪声系数，ids是APD表面漏电流，idb是负载漏电流，K是玻耳兹曼常数，等于× 10-23 JK-1，T 是检测器负载电阻的温度(K)，Rl是检测器的负载电阻(Ω)，Fn是放大电路的等效输入噪声系数。

M 于实际使用中M是远远大于1的，暗电流可表示为id≈idb，而APD过量噪声因子

FA=kM+(1-k)(2-1/M)≈2+kM。在这一近似条件下，当d(SNRi)/dM=0，SNRi达到其最大值且倍增因子达到最佳，可表示为:

方程2中符号和方程1中符号的含义相同。我们知道，最佳倍增因子是外部温度、光信号功率、背景光功率，APD 噪声、光谱灵敏度、放大器噪声和系统带宽的函数。此外，特别是APD内部结构决定了其倍增增益M随工作温度变化而变化。用温度系数CT来描述这种影响。对于C30737系列的APD，CT为 V/℃，这意味着在相同条件下，当APD的工作温度增加1℃，为了维持APD倍增因子不变偏压需要增加 V。从前面一段的分析，我们知道，电路温度和背景光补偿旨在

控制偏压，以便在不同

温度和背景光条件下电路仍能保持最佳的APD倍增因子。目前有几种偏置电路控制方法：恒流偏置，温度补偿和恒虚报警控制。恒流偏置是只适用于不变的背景光或无背景光情况。温度补偿抗背景光的能力较差。恒虚假控制可以保持最佳的倍增因子，但复杂的电路和高成本才换来较高的性能。提出了一种新方法，为APD偏压电路设计了温度补偿以及串行电阻背景光补偿，实现高性能的同时保持低成本。

温度变化对APD偏置电路的影响主要在两个方面：一是温度变化使负载电阻噪声发生变化，因而改变了APD检测电路的最佳增殖因子；另一方面，温度变化改变了APD载流子和晶格之间的碰撞频率和强度，这也改变了APD的倍增因子。以下就是分析这两个因数的影响。

APD倍增因子M和其反向偏置电压V之间的关系可以用下式描述：

其中V是APD的反向偏置电压，VB是某一确定温度时的击穿电压，n介于1和3之间，它半导电材料、半导体掺杂分配和辐射源的波长决定。在方程3中，当M达到最佳值Mopt 时反向偏置电压达到最佳Vopt。从方程2和3我们能够得到最优偏置电压Vopt、工作温度和接收到的背景光功率Pb之间的关系如下：

方程４只包括APD偏置电路的温度对负载电阻噪声的影

响，例如上文提到过的一个方面。温度变化对APD倍增因子影响可表示为温度系数Ct。以最佳工作电压V22 为22℃作为参考点，温度变化引起的最佳偏置电压的变化可以描述为：

方程５右边前面两项的和ΔV1表明负载电阻噪声对最佳偏置的影响。方程５右边第三个项ΔV2表明工作温度对APD偏置的影响。公式５显示了当温度变化时如何控制偏置电压优化倍增系数。这仅仅是APD偏置电压工作的温度补偿模型。

从方程５，我们知道ΔV不仅取决于APD的工作温度T，而且还取决于击穿电压VB、接收光信号功率和背景光功率。因此，方程５是不符合实际工程的。实际中，ΔV2＞＞ΔV1，所以方程５可以近似为：

APD的温度系数和22 ℃时的最佳工作电压可在设备手册里获得，工作温度可用温度传感器测出。因此，APD偏压相对于V22的补偿可通过方程6得到。

温度补偿模拟温度传感器、模拟数字转换A / D转换器、微控制器和可调直流电源供应电路组成，其电路框图如图１所示：

模拟温度传感器置于APD附近监测其工作温度。A / D 转换器将模拟温度信号变量转

换成数字信号变量。单片机的作用是将A/D转换器提供的数字温度信号转变成相应的控制信号，并根据方程６和控制方程调整数字电位器的输入电阻值调整直流电源供应。通过调整输入电阻值来调整直流适配器，这样就能输出合适的APD偏压。

温度补偿、背景光补偿可以通过适当选择的负载电阻实现。因此检测电路的抗背景

光干扰能力可以大大改善。图2显示了APD检测电路的偏置电路及其外围电路，其中V0是

V

图１．温度补偿电路原理图

温度补偿后输入的可调的直流电压，π型滤波器电容C1、C2和电阻RC组成，输出脉冲信号的读出电路电容C3, 电阻Rf和运算放大器AV组成。Rl是APD偏压电路的直流负载电阻。

我们将在下面分析APD偏压电路负载电阻对抗背景光能力的的影响。从图２，我们知道，APD偏置电压的性能可表示为：

图２．APD的外围电路

方程３和７，偏置电压Vapd、背景光功率P b和负载电阻RC间的关系可以表示为：

基于温度补偿，并假设只考虑背景光功率PVopt和Pb

对APD最佳偏置电压Vopt的影响，b之间的关系给出如下：如果方程８中工作电压等于方程９的最佳值，温度补偿后APD获得最佳倍增因子，检测电路信噪比也能达到最高水平。

为了检查上述方法的有效性，我们在汽车半导体激光测距仪设计中运用此方案，并设定具体参数来检测150米远的目标。如图３所示，APD偏压Vapd、背景光功率和串行电阻RC之间的关系可通过对方程８和９进行数值计算和分析得到。通过同样的方式，如图