雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用

可编程器件应用 电　子　测　量　技　术

EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007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　200092)

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:TN710.2 文献标识码:A

Study on application of avalanche photodiode

in phase laser distance measurement

Sun Maoheng　Ding Yan

(School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092)

Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively.

K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier

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PN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 PD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

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距仪的精度是有效的。

1　APD 工作原理

A PD 内部具有雪崩倍增效应。在A PD 的PN 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—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:

C 滤波

=

I o t on

ΔV oh

(1)

式中:I o 为高压输出端的直流输出电流;t on 为开关管的导通时间;ΔV oh 为高频输出端的纹波电压;C 滤波为滤波电容。

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555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。555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。

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

20mV 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。

3　APD 温度补偿电路设计

A PD 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PN 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 PD 的增益是关于其偏压和温度的函数,二者共同决定了A PD 工作时增益的大小。因此,让A PD 的偏压随温度的改变而改变就可以维持A PD 增益基本恒定,保证其正常工作。这就是对A PD 的温度漂移的偏压补偿原理。

A PD 倍增增益称为最佳雪崩增益,公式为:

M opt =

4Kt

q (I p +I db )xR L

1/(2+x )

(2)

式中:x 为过剩噪音系数,其值取决于A PD 的制作材料及工艺。

由式(2)可知,A PD 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A PD 的温度—响应度—偏压关系曲线如图2所示。

图2　A PD 温度—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 PD 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 PD 的偏置电压,使A PD 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 N

=

光电流信号功率(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)则:

S N =〈i 2

p 〉M 22q (I p +I db )M 2F (M )B +2qI ds B +4k B tB /R L

(3)

式中:I p 是未倍增时的初级光电流;I db 是未倍增过的光检测器体的暗电流;I ds 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。

孙懋珩等:雪崩光电二极管在相位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:

V A PD =D +C t =145.613+0.681t

(5)

为了便于运算,在电路中设置了一个参考电压V ref ,如图3所示,V ref 与温度传感器的输出端V out 作为运放L M6152的同相输入。L M6152的输出端

V o 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 ref 值可通过式(5)计算:V ref =(D/C )?A -B =3.776

(6)

由图3可知,R 4与R 5的比值由V r ef =R 5/(R 5+R 4)V C C 决定,则R 4/R 5=0.324。

输出端的电压为V o :

V o =(-V out -V ref )

-R 3R 2

=(V out +V ref )R 3R 2

(7)

由式(4)～式(7)可知,定义V ref 是为了使V o 与V A PD 相差整数倍,便于下面对于R 3/R 2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 oh =

t on +t off

t off

V i =EV i

(8)

由于实验室所用A PD 的反向偏置电压为160V ,电源电压为5V ,则E =32。

此处,V i =V o ,则由式(7)、式(8)可变为:

V oh =

t on +t off

t off

V o =EV o =(V out +V ref )

R 3/R 2

E

(9)

令V oh =V APD ,由于V out 、V ref 、E 、V APD 已知,则可很容易地计算出R 3/R 2=1.089。

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 PD 获得最佳增益时温度—偏压的曲线非常吻和,从而实现了A PD 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。

A PD 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 L 的电流其均方值为:

∫i 2rh =

4k B TB

R L

(10)

式中:K B 是Boltzmann 常数;T 是绝对Kelvin 温度;R L 是

负载阻抗;B 是探测器带宽。

由式(10)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,则电流就会随机波动,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:

〈i 2sh 〉=2qI P B

(11)

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 PD 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

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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ON ET2511TA 高速宽带宽跨导运放来作为A PD 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

ON ET2511TA 把由雪崩二极管输出的电流转换成差

分电压输出。Filter 输入端给A PD 提供一直流偏置电压,

由1个内部750Ω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20mV 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 PD

获得最佳增益时温度2偏压的曲线非常吻合,有效地实现了

A PD 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 PD 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 PD 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。

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作者简介

孙懋珩,男,1957年出生,博士,副教授,主要研究方向为光电测量及信号处理。