APD读出电路设计

2×8低噪声InGaAs／InP APD读出电路设计

0 引言

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维库最新热卖芯片： 74LS374 M54585P ATMEGA168-20AU HCPL-4701 CD4015BF3A

MC68HC908JL3ECDW CXA2045Q HIP2100IBT IRFP150N MBR3045CT

在红外通信的1 310～1 550 nm波段，高灵敏度探测材料主要有Ge—APD和InGaAs／InP APD，两者相比较，InGaAs／InP APD具有更高的量子效率和更低的暗电流噪声。In0.53Ga0.47As／InP APD采用在n+-InP衬底上依次匹配外延InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP能隙渐变层、InP电荷层与InP顶层的结构。

APD探测器的最大缺点是暗电流相对于信号增益较大，所以设计APD读出电路的关键是放大输出弱电流信号，限制噪声信号，提高信噪比。选择CTIA作为读出单元，CTIA是采用运算放大器作为积分器的运放积分模式，比较其他的读出电路，优点是噪声低、线性好、动态范围大。

1 工作时序和读出电路结构

作为大阵列面阵的基础，首先研制了一个2×8读出电路，图1给出了该电路的工作时序，其中Rl、R2为行选通信号；Vr为复位信号；SHl、SH2是双采样信号；C1、C2、…、C8为列读出信号。电路采用行共用的工作方式，R1选通(高电平)时，第一行进行积分，SH1为高电平时，电路进行积分前采样，SH2为高电平时，进行积分结束前的采样，C1、C2、…、C8依次为高电平，将行上的每个像元上信号输出；然后R2为高电平，重复上面的步骤，进行第二行的积分和读出。

图2是2×8读出电路的结构框图，芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS单元组成，图中用虚线框表示：移位寄存器单元完成行列的选通，CTIA功能块将探测器电流信号按行进行积分，CDS功能块能抑制电路的噪声，如KTC(复位噪声)、FPN(固定图形噪声)等；FPGA主要产生复位信号(Vr)和采样信号(SH1、SH2)，触发电路的复位和采样动作，C8为该组信号的触发信号，解决和芯片内行列选通信号同步问题。

为了便于和读出电路的连接仿真，首先根据器件特性建立了器件的电路模型，如图3(a)中的虚线框所示，其中Idet、Rdet、Cdet分别表示器件的光电流、阻抗、寄生电容。图3(a)还给出了CTIA读出单元电路结构，主要由一个复位开关KR和积分电容Cint以及低噪声运放A构成。在CTIA结构中，设计一个高增益、低噪声、输入失调小、压摆率大的运放是确保读出电路信噪比高、动态范围大的关键。除此之外，积分电容Cint的设计也非常重要，在设计过程中发现，选择合适的积分电容也是关键之一。图3(b)是CDS单元，由采样管Ml、M2、采样保持电容C1、C2及M3~M6构成的差分器组成，Vin为CDS输入电位，也即CTIA的输出电位。Voou1和Vout2为两次采样输出，经过减法器后可以进行噪声抑制。

2 积分电容Cint

积分电容的设计主要和探测器信号电流的大小有关。图4是In0.53Ga0.47As／InP APD特性，仿真结果显示器件的工作电流一般在300 nA左右。

图5为器件电流取300 nA时积分电容分别为2、4、6和15 pF时的输出电压Vout的仿真结果。仿真参数设计：在器件厚度为20 μm的情况下，根据器件仿真结果进行计算，器件阻抗为2×109Ω，器件寄生电容为80 pF。参考电压Vb取2．0V，积分时间为60μs。可以看到对应不同的积分电容，积分电压到达饱和的时间是不一样的，也就是选择不同的积分电容，最佳积分时间是不一样的。如选用4 pF的积分电容，积分时间最好控制在40μs以下。

积分电容还决定电荷容量。电荷容量为

式中：Qm为电荷容量；Vref为参考电压，一般为1．5~3 V。式(1)表示增大积分电容Cint可以提高电荷容量。

在CTIA电路结构中，KTC噪声是最主要噪声，而KTC噪声也和积分电容有关。KTC复位噪声电压可以表示为

式中：VN为积分电容上复位引起的KTC噪声电压；K为波尔兹曼常数，其值为1．38×10-23J／K；T是绝对温度，取77 K。将此噪声电压折合成输入端噪声电子数，则表示为

式中：Nin为积分电容KTC复位噪声折合到输入端的噪声电子数；q为电荷常数，其值为1．60×10-19C；G为输出级增益。

图6表示了该噪声电子数和温度、积分电容Cint之间的关系。从图6可以看到，Nin随温度降低而减少，同时随Cint的增大而增多。所以在设计Cint时，必须兼顾探测器电流、积分时间、电荷容量Qm和KTC噪声折合到输入端电子数Nin，并且结合电路工作温度设计一个合适的值。在读出电路中，电容的工作温度为77 K，Cint设计为4 pF时，参考电压取2 V，电荷容量为8×10-12J。电路的输出级增益为O．65，KTC复位噪声折合到输入端的噪声电子数为768个，小于实际探测器的噪声电子数，而电荷容量也足够大，满足探测器读出的需要。在CTIA结构中，设计一个高增益低噪声的运算放大器。根据具体的应用合适设计。而开关管KR采用四管合抱管结构，减小导通电阻对电路的影响。图7为读出电路芯片的照片。

3 结论

电路采用O．6μm CMOS工艺流片，采用40脚的管壳进行封装，其中有效引脚为32个。用电注入法(恒流源模拟器件)测试了芯片的性能，电流信号为100～600 nA。功率耗散小于200μW。当积分电容为4 pF的时候，积分时间为36μs。时钟频率为0．5MHz的时候，一帧像元积分和读出的总时间为108μs。电路的电荷存储能力为5×107个，动态范围为l V左右，输出噪声为5．2×10-5Vrms。测试结果显示电路符合预期的设计要求。

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APD

第２５卷第２期　２　０　０　２年６月　长春理工大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶＯＩ．２５　ＮＯ．２　ｄｕｎ．２　０　０　２　文章编号：１００４—４８５×（２００２）０２—０１６—０３　

ＡＰ　Ｄ激光回波信号探测电路系统研究　

陈殿仁　邹超　

（长春理工大学电子与信息工程学院，吉林长春１３００２２）　摘　要：本文分析了ＡＰＤ光电探测系统的噪声，研究了ＡＰＤ激光回波信号探测系统的组成　原理与电路设计问题，以及为提高探测灵敏度、降低误码率在电路设计方面所采取的技术措　施。给出了具有实际应用价值的ＡＰＤ信号放大电路和控制时序逻辑电路原理图。对ＡＰＤ光　电信号探测系统设计具有一定的指导意义。　关键词：激光目标识别；光电信号探测；ＡＰＤ应用技术　中图分类号：ＴＮ２４７；ＴＮ７２２．３文献标识码：Ａ　

ＡＰＤ微弱回波信号探测技术广泛应用于激　光测距、激光通信、激光雷达、激光敌我识别等　领域。随机背景噪声条件下，信号的最佳探测问　题是光电探测系统的关键技术之一。要设计一个　能在强背景干扰条件下，可靠工作的ＡＰＤ光电　探测系统，除了要对ＡＰＤ进行合理的偏压补偿　外，前置放大器的设计也是影响系统探测性能的　重要因素。　ｌ　ＡＰＤ光电探测系统的噪声　ＡＰＤ光电探测系统的背景噪声包括从星体、　地球、太阳、大气、云或者任何不应有的辐射源　照射或反射到接收机上的信号。还包括激光传输　过程中，由大气、灰尘、烟雾的散射等，都可以　认为是背景噪声。由探测信号、背景辐射、探测　器暗电流和前置放大器噪声等产生的噪声方差　Ｖａｒ［ｎｗ（ｔ）］、Ｖａｒ（ｎ６ｇ）、Ｖａｒ（ｎ　）、Ｖａｒ（ｎ。　）分别　为　。　Ｖａ　（￡）］＝Ｆ　Ｌ＾　）ｐ（￡一　）ｄ　（１）　其中，　是光电探测器的量子效率，ｈ是普朗克　常数，ｃ＝２９９７９２４５８　ｍ／ｓ是真空中的光速，Ａ　是激光波长，　是接收信号能量（焦耳），＾，（ｔ）是　接收放大器的单位冲激响应，Ｐ（ｔ）是规一化的接　收光脉冲波形，并分别满足关系Ｊ　ｈ，（￡）ｄｔ＝１，　Ｊ　Ｐ（ｔ）ｄｔ＝１，Ｆ是探测器过剩噪声指数，定义为　Ｆ＝（ｇ　）　／（ｇ　）。ｇ　为光电探测器的系统增　益。硅ＡＰＤ作为光电探测器，过剩噪声指数可　以表示为，　Ｆ＝ｋ＋（２—１／Ｍ）（１一ｋ）　（２）　ｋ是电离系数，Ｍ＝（ｇ　）＝１／［１一（　Ｖ８）　］，　是ＡＰＤ的倍增增益，　是ＡＰＤ的反向工作电压，　是ＡＰＤ的雪崩点电压，与温度有关。由背景　光产生的散弹噪声方差　可表示为　Ｖａｒ（ｎ６ｇ）＝２　Ｆ　尸　（３）　Ｐ　是探测器上的背景光能量，Ｂ　是放大器的等　效噪声带宽，　寺Ｌ　（　）ｄ　（４）　探测器上的背景光能量可以求解为　Ｐ　＝　・△Ａ　Ａ，７＂ｒ　（５）　是照射在目标表面的太阳光，单位为Ｗ／　ｍ　ｎｍ，△Ａ是接收光学滤光片带宽，０　是接收光　学系统的视场角，　，是接收系统的透过率、ｒ｜是目　标表面散射系数，Ａ，是接收光学天线口径（ｍ　）。　ＡＰＤ的暗电流散弹噪声方差可以表示为　Ｖａｒ（ｎ出）＝２　Ｆ　（６）　收稿日期：２００２—０３—２０　基金项目：国家重点项目　作者简介：陈殿仁

APD 2

ｃＨ　Ａ　ｓｒ：　Ｊｒ　Ｅ　ＡＮＤ　Ｎ（＝１ｉ　０　Ｙ　ｉＮｆ‘Ｏ［￣ＭＡｒＩＯＮ　Ｊ“ｎ　２０　１５　中国　奠技信息２０１５年第１　１鞠　新研究　ＤＯＩ：１　０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１　００１—８９７２．２０１　５．１　１．００６　

ＡＰ　Ｄ单光子探测器的抑制技术　－６ｄ＇，溪张栎存康小麓　

为实现高光子测量效率，快速控制雪崩淬灭，缩短死区时间，　并对光子脉冲进行准确计数，在分析光电二极管雪崩增益特性及工　作原理的前提下，设计出高效雪旃二极管探测器。针对雪崩淬灭和　电压恢复抑制方式不同，对雷崩抑制电路的被动和主动模式进行分　析与仿真。测试结果表明：全被动模式虽然电路模型简单，容易实现，　但是死区时间过长，光子数目测量率较低；而主动工作模式可以实　现高效计数，极大限度地缩短死区时间，克服偏压恢复时间较长的　缺陷。本文利用高速放大器的高速特性，设计出精密快速的抑制电路，　用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复　相结合的抑制电路。　

引言　本文研究～种新式光电探测技术——单光子探测技　术，它能够利用光电效应，检测单个光子并进行计数。单　个光子入射到光电倍增器件上会产生光电子，光电子通过　倍增系统产生电脉冲，称其为单光子脉冲。计数电路根据　脉冲幅度大小对其进行计数，其中单光电子峰的脉冲幅度　较大，探测器噪声（主要是热噪声）为幅度较／Ｊ￣Ａ９脉冲；　随着单光子技术的不断发展，目前已在量子信息技术、高　能物理、生物发光、放射探测、大气测污、天文测光等领　域有着广泛的应用，前景颇好。　近年来，致力于寻求能够获得较好结果的设计探测器　的器件，以雪崩光电二极管（ＡＰＤ）作为核心器件由于　具有量子效率高、功耗低、体积小等优点被广泛应用。而　ＡＰＤ通常所加反向电压高于其雪崩电压，也就是常说的　工作在盖革模式下。为解决雪崩不能自然停止问题，不仅　需采取措施快速抑制雪崩，并在抑制过程结束后，应使其　快速恢复至等待状态，从而准备对下一个光子进行探测。　本文首先分析了ＡＰＤ器件的等效电路模型，用于对　后面电路进行仿真，第２部分分析了雪崩抑制电路被动模　式的工作原理，并对其进行仿真，对仿真结果进行分析。　第３部分分析了雪崩抑制电路主动模式的工作原理以及详　细介绍设计原理，并对其进行仿真，分析设计出的高效控　制雪崩淬灭与电压恢复的电路结果；第４部分进行总结，　并对该领域展望未来。　ＡＰＤ等效电路模型　如图１所示，ＡＰＤ的等效电路模型为一个光控开关　Ｋ与电压源Ｖｂ的串联构成，光控开关Ｋ模拟有无光子入　射，有光子入射时开关闭合。电压源　为ＡＰＤ的雪崩电　压值。　为ＡＰＤ等效内阻，　为ＡＰＤ的结电容，　为　分布电容，它的值一般为皮法量级。　被动淬灭模式　被动淬灭模式也可称之为无源抑制方式，如图２所示，　由限流大电阻与取样电阻串联而成，雪崩信号从取出。　在单光子探测器工作过程中，当无光子到达时，探测　器处于等待状态，ＡＰＤ两端电压Ｖａ略高于雪崩电压，　此时开关Ｓ断开。当有光子入射时，雪崩发生，开关Ｋ　闭合，由于限流大电阻分压，ＡＰＤ两端的电压开始下降，　

雪崩光电二极管APD直流偏压源设计

科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２ｏｏ８￣１０￣（３０）国　

雪崩光电二极管ＡＰＤ直流偏压源设计　

韩红远，朱翔宇　

（太原市电子研究设计院，山西太原０３０００２）　

摘要：文章介绍了雪崩光电二极管ＡＰＤ的特性，设计了一种ＡＰＤ工作时的直流偏压源　

电路，提出了温度变化时偏压源的修正方案。　

关键词：雪崩光电二极管；直流偏压源；电路　

中图分类号：ＴＮ２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８１３６（２００８）３０—０００８—０２　

１　引言　路设计显得尤为重要。　

雪崩光电二极管ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）是一种能实　

现光电转换且具有内部增益的高灵敏度器件。在以硅或锗为材　

料制成的光电二极管的Ｐ—Ｎ结上加上反向偏压后，射人的光被　

Ｐ—Ｎ结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”（即光　

电流成倍地激增）的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二　

极管”。目前，雪崩光电二极管（ＡＰＤ）作为一种高灵敏、能精确接　

收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤　

通信网络中，其工作电压不高，噪声相对较小，非常适合极微弱　

光信号的探测。　

２　ＡＰＤ雪崩特性　

雪崩光电二极管（ＡＰＤ）在结构设计上已考虑到使它能承受　

高反向偏压，从而在ＰＮ结内部形成一个高电场区。光产生的电　

子或空穴对经过高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们　

在高速运动中与晶体碰撞，使晶体巾的原子电离，从而激发出新　

的电子一空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的　

电子一空穴对称为二次电子一空穴对。新产生的电子和空穴在　

高场区中运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，如此循环，像　

雪崩一样的发展，从而使光电流获得了倍增。随着反向偏压Ｖｂ　

的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值　

时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压　

Ｖｂｒｏ　雪崩光电二极管的雪崩增益Ｍ的大小与电子或空穴对有　

焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势

一、焦平面APD探测器的背景及特点

焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。

1、APD

雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能力。

2、APD阵列的分类

按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。

（1）Geiger-mode APD阵列的特点

优点：

1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；

2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；

3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；

4）较低的功耗，体积小，集成度高；

5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。

缺点：

1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。

2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。

（2）线性模式APD阵列的特点

优点： 1）光子探测率高，可达90%以上；

2）有较小的通道串扰效应；

3）具有多目标探测能力；

4）可获取回波信号的强度信息；

5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。

缺点：

1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）

2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。（其信号测量包括强度和时间测量两部分）

基于FPGA的光电倍增管APD偏压控制电路设计

第２８卷第６期　

２００８年１１月　核电子学与探测技术　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　８Ｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＬ　２８　Ｎ０．６　

Ｎｏｖ．　２００８　

基于ＦＰＧＡ的光电倍增管ＡＰＤ偏压　

控制电路设计　

王　东，张　凡，黄光明，周代翠　

（华中师范大学物理科学与技术学院，湖北武汉４３００７９）　

摘要：为了减小光子谱仪ＰＨＯＳ中信号通道增益的离散性，需要调整光电倍增管ＡＰＤ的偏压来补　偿系统中的以下几个方面：　ＩＤ增益的宽离散性、前置放大器增益的离散性和钨酸铅晶体光产额的离　散性等。因此，设计了基于ＦＰＧＡ的ＡＰＤ偏压控制电路。该控制电路通过ＦＰＧＡ对ｌＯ－ｂｉｔ　ＤＡＣ进行　控制，使输出高压的调节范围达到２１０Ｖ￣４００Ｖ，调节精度达到０．２Ｖ／ｂｉｔ。文中具体介绍了ＡＰＤ偏压　

控制电路的设计思路，给出了测试结果，并对测试结果进行了深入的分析。　关键词：ＰＨＯＳ，ＡＰＤ，偏压控制，反馈校验，ＦＰＧＡ　中图分类号：ＴＩ　１１．６　文献标识码：　Ａ　文章编号：　０２５８一Ｏ９３４（２０Ｏ８）０６一ｌ２１９∞４　

ＰＨＯＳ［　］（Ｐｈｏｔｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）是欧洲核　

子研究中心（Ｃ既　）大型强子对撞机（Ｌａｒｇｅ　

Ｈａｄｒｏｎ　Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，简称ＬＨＣ）上的大型重离子　

碰撞实验（Ａ　Ｌａｒｇｅ　Ｉｏｎ　Ｃｏｌｌｉｄｅｒ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，　

简称ＡＬＩＣＥ）中的光子谱仪。在ＰＨＯＳ中，所　

有ＡＰＤ［２］都被置于一２５℃的恒温中。在相同　

的温度下，给同一批次的ＡＰＤ加上相同的反　

向偏压，它们的增益差别很大。ＰＨＯＳ中使用　

的是日本Ｈａｍｍａｍａｔｓｕ公司生产的型号为　

￥８１４８的ＡＰＤ。图ｌ为该公司交货时附带的　

测试数据中某个批次的ＡＰＤ在增益Ｍ：５０时　

的反向偏压分布图。　

上图是在２０℃的恒温下测试得到的数据，　

从图中可以看到，当增益Ｍ一５０时，该批次中　

基于DS3501的APD偏压温度补偿电路设计

第２０卷　Ｖ０１．２０　第３期　ＮＯ．３　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１２年２月　Ｆｅｂ．２０１２　

基才ＤＳ３５０１的ＡＰＤ　偏压温度补偿电路设计　

石朝毅　，张玉钧　，殷高方　，王志刚１’２，肖雪　，赵南京　，刘文清　

（１．中科院安徽光学精密机械研究所国家环境光学监测技术重点实验室，安徽合肥２３００３１；　２．扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州２２５００９）　

摘要：介绍了ＤＳ３５０１的工作原理，针对ＡＰＤ偏置电压需要进行精确温度补偿的要求，设计了一种高精度、宽动态范　

围的ＡＰＤ偏压自动补偿电路。经实验测试，ＡＰＤ偏压相对误差小于０．２５％。将该补偿电路应用于荧光法溶解氧测量　

系统中．显著提高了系统测量精度，测量结果相对误差小于１％。　

关键词：ＡＰＤ；自动偏压补偿；ＤＳ３５０１；精度　中图分类号：ＴＮ３６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）０３—０００１—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ＡＰＤ　ｂｉａｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄ￥３５０１　

ＳＨＩ　Ｃｈａｏ—ｙｉ。，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ－ｊｕｎ　，ＹＩＮ　Ｇａｏ・ｆａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　，　，ＸＩＡＯ　Ｘｕｅ　，ＺＨＡＯ　Ｎａｎ－ｊｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｗｅｎ－ｑｉｎｇ　

（１．Ｓｔａｔｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆｉｎｅ　

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３１，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００９，Ｃｈｉｎａ）　

用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

赵红赟;王晓辉;孔洁;杨海波;张惊蛰;高山山;苏弘;孙志宇;余玉洪;杨振雷

【期刊名称】《原子能科学技术》

【年(卷),期】2016(050)003

【摘要】介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学（FEE ）的设计与实现，该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路（ASIC ）芯片和现场可编程逻辑门阵列（FPGA ）研制，可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包，并通过 L VDS差分接口上传到后端的数据获取系统（DAQ）。同时，该电路设有板载线性标定电路，可实现对各通道电子学性能刻度，设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路，使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。

【总页数】8页(P545-552)

【作者】赵红赟;王晓辉;孔洁;杨海波;张惊蛰;高山山;苏弘;孙志宇;余玉洪;杨振雷

【作者单位】中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学技术大学，安徽合肥 230026;中国科学院

近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049

【正文语种】中文

【中图分类】TL82

高灵敏度APD接收机的设计

龙源期刊网

高灵敏度APD接收机的设计

作者：薛凌云伍岳

来源：《农村经济与科技》2016年第24期

[摘要]可见光通信（Visible-Light Communication，VLC）作为物联网领域的新技术，正在受到越来越多的关注。任何一个VLC通信系统，都是由发送设备和接收设备组成，其中接收设备的灵敏度和频带宽带是制约VLC系统性能的主要因素之一。本文从APD接收机灵敏度展开讨论，提出了一种提高APD接收机灵敏度的方法，并经过测试达到了预期的效果。

[关键词]可见光通信；雪崩光电二极管（APD）；接收灵敏度

[中图分类号]TN851 [文献标识码]A

目前，短距离通信都采用ZigBee、WiFi、RFID等无线电波方式实现数据传输，这些方式虽然得到了广泛的应用，但存在着对人体产生危害、通信设备容易产生互相干扰、频率资源受限等诸多问题。近年来发展起来的可见光通信（Visible-Light Communication，VLC）可以很好的解决以上问题。VLC作为物联网领域的新技术，正在受到越来越多的关注。

任何一个VLC通信系统，都是由发送设备和接收设备组成，其中接收设备的灵敏度和频带宽带是制约VLC系统性能的主要因素之一。为了实现VLC系统的高速传输，在发送端需要采用OFDM调制、多值调值、并行传输等方式。在接收端，对于VLC高速网络接入、远距离传输（例如路车间通信系统）、微光测试等VLC应用，需要采用光电二极管（photo diode，PD）或雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）作为接受器件。本文从APD接收机灵敏度展开讨论，提出了一种提高APD接收机灵敏度的方法。

1 雪崩光电二极管（APD）

APD 是一种在反向电压的作用下，光电流成倍增长的高速、高灵敏度的光电二极管。APD 内部具有信号倍增功能，与PIN 型 PD 相比，能够获得极高的信噪比，常用于高速、高精度光检测、采用闪烁器（scintillator）的微光检测器等多种场合。但是其缺点是需要施加极高的反向电压，倍增率受温度影响较大。

输出高压的小型升压转换器

美信社区：

输出高压的小型升压转换器输出高压的小型升压转换器

有许多器件需要高压电源，如雪崩二极管(APD)的偏置电源、压电传感器(PZT)、真空荧

光屏(VFD)以及微机电系统(MEMS)等。本应用笔记介绍了三种从低输入电压产生高压输出的

结构(图1a、图1b和图1c)。下面将针对其功率密度和电路尺寸，分别讨论这些结构的优点

和缺点。在应用笔记结尾部分，列举了一些实验数据，以对比基于变压器和基于电感的解决

方案。

图1a-1c. 从低输入电压产生高压输出的高压DC-DC转换器的三种结构

在许多APD应用(75V)中，高压偏置电源要求从3V电源产生。这种需求将面临以下难点：

高压MOSFET在3V低压栅极驱动下无法工作。

高压MOSFET较大的漏源电容需要消耗电感中的能量，将其漏极电压提升至输出电压。

导致的能损会高达1/2 fswitch×CDSVOUT ²。

高压MOSFET比低电压型号的体积更大、价格更高。在开关电源IC中，很少具有内置的

高压功率MOSFET。

极端情况下的占空比会导致过短的关断时间或很低的开关频率。较低的开关频率又会造

成更高的纹波，并需要较大的磁性元件。

图1c的电路通过采用一个自耦变压器，解决了上述难题。由于MOSFET上的峰值电压降

低了，从而能够采用MAX1605内部的28V MOSFET。整个电路(比8引脚的DIP封装还小)能

够装配在一块6mm x 8.5mm的双面板上(图2)。

图2. 采用MAX1605，该6mm x 8.5mm的DC-DC转换器将2.5V升压至75V。顶层和底层

的电路布局如图所示。美信社区：

工作原理工作原理

将标准的升压和回扫DC-DC转换器结合起来，就构成了图1c所示的混合电路。这种组

合结构将次级绕组的回扫电压叠加到输入电压和初级绕组的回扫电压之上(标准的回扫转换