apd偏压电路的最佳设计

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1、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，小国长沙4100732•海军工程大学装备工程部，中国武汉430033木文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（APD）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，木文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（APD）的特点是具有很高的量了效率和教大的内部增益，这可以很大程度的降低对前置

2、放大电路性能的要求，并能提高检测电路的信噪比（SNR）0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了时的电压。由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。木文介绍了一种简单的、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

3、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：SN&PRM[2eBRo(Ps+£)0代+2羽怎+6M远)+4(K%/B£J%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，人代表检测器接收到的光信号功率，M是APD的倍增增益，心是当M二1时的电流

4、灵敏度，e是电子的电荷量，等于1.602X10-19C,B是检测电路的通频带宽，人是检测器收到的背景光功率，心是APD的过量噪声系数，鼻是APD表面漏电流，g是负载漏电流，K是玻耳兹曼常数，等于1.3807X10-23JK-1,卩是检测器负载电阻的温度(K),尺是检测器的负载电阻(Q),代是放大电路的等效输入噪声系数。由于实际使用中M是远远大于1的，暗电流可表示为i产说,而APD过量噪声因了/=RM+(l・Q(2・l/M)~2+kM。在这一近似条件下，当d(SNR$dM=0,SM?,.达到其最大值且倍增因子达到最佳，可表示为：_4KTF15M=如2(/也+傀几+6)拠」―、方

5、程2屮符号和方程1屮符号的含义相同。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G来描述这种影响。对于C30737系列的APD,C丁为0.6V/°C,这意味着在相同条件下，当APD的工作温度增加1°C,为了维持APD倍增因了不变偏压需要增加0.6Vo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倍增因了。目前有儿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

6、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木才换來较高的性能。木文提出了一种新方法，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了；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倍增因了M和其反向偏置电压VZ间的关系可以用下式描述：其中V是APD的反向偏置电压，匕是某

7、一确定温度时的击穿电压，n介于1和3Z间，它由半导电材料、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M如时反向偏置电压达到最佳匕刃。从方程2和3我们能够得到最优偏置电压匕”、工作温度和接收到的背景光功率间的关系如下：二匕（1—M爲）二匕1一4KTF”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C,。以最佳工作电压岭2为22°C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:]r4KTF“