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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×10-23JK-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。