1、PDF外文：http:/ 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 本文提出了一种 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
2、使用的 激光测距仪。实验结果证实， 本 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 。由于最 佳 倍增 因子 是 许多因 数 的 复函数 ，如 :外部温度
3、、 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 。本文介绍了一 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
4、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
5、声 。在方程 中 ， sP 代表 检测 器 接收 到的 光信号功率， M是 APD的 倍增增益， oR 是 当 M=1时的 电流 灵敏度 ， e是电子 的电荷量 ，等于 1.60210-19C， B是 检测 电路的 通 频 带宽， bP 是 检测 器 收到的 背景光 功率 ， AF 是 APD的过量噪声系数 ， dsi 是 APD表面漏电流， dbi 是负载漏电流， K是玻耳兹曼常数 ，等于 1.3807 10-23 JK-1， T是 检测 器负载电阻 的 温度 (K)， lR 是 检测 器的负载电阻 ( )， nF 是 放大电路 的 等效输入噪声系数。
6、 由于 实际使用 中 M是远远大于 1的，暗电流 可表示 为 di Mdbi ，而 APD过 量 噪声因子AF =kM+(1-k)(2-1/M) 2+kM。 在 这一近似条件 下 ， 当 d( iSNR )/dM=0， iSNR 达到其最 大 值且倍增 因子 达到 最佳 ，可表示 为 : （）
7、;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 TC 来描述 这种影响 。 对于 C30737 系列 的 APD， TC 为 0.6 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 0.6 V。 从 前面一段的分析 ， 我们知道，电路
8、温度和背景光补偿旨在控制偏压，以便 在 不同122 2 2 ( ) 2 ( ) 4 ( ) soio s b A d s d b A niP R MS N RKTe B R P P M F e B i i M F B FR 13004()Nopt s b d b iKTFMe R P R P i k R 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
9、较 高 的 性能。本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 ：
10、; （） 其中 V 是 APD 的 反向偏置电压 ， BV 是 某 一 确定 温度 时的击穿 电压 ， n 介于 1 和 3 之间 ， 它由 半导 电材料 、半导体掺杂分配和辐射源的波长 决定 。
11、 在方程 3 中，当 M 达到最佳值optM时反 向偏置电压达到最佳optV。从方程 2 和 3 我们能够得到 最优偏置电压optV、工作温度和接收到的背景光功率 bP 之间的关系如下： （） 方程 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 tC 。以最佳工作电压 22V 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 ： （） (1 ) nBV V 3004( 1 ) 1()nn no p t B o p t BS b d b iK T FV V M Ve R P R P i k R 31 2 2 20041 ( 2 9 5 )()nnBTS b d b iK T FV V V V V C Te R P R P i k R
