雪崩光电二极管在线性测量中的应用
- 格式：pdf
- 大小：214.76 KB
- 文档页数：4
参考文献
[ 1] P. P. W ebb , R J . M ct nt yre, an d J . Conrad, Propert ies of A vat anche Phot odiodes , R CA R eview , V ol. 35, N o. 6, p. 234, 1974
[ 2] 唐中华. 激光测距应用中雪崩光电二极管最佳工作状态的 再研究. 激光技术, No. 10, p262. 1992
射光脉冲波长为 1. 06 m, 脉冲宽度为 17ns) , 节恒 温 箱 的 温 度 使 其 分 别 为 39℃、40℃和
光学系统将接收到的光束聚焦到 APD 光敏面 41℃, 改变 AP D 的偏置电压, 观察放大器输出
上。所用的 A PD 为 “雪崩光电二极管—— 前 信号的变化。其实验曲线见图 4。从图中可知,
0 ( w + 2d 2) ] } ex p( d 1+ d 2) ]
0 d1)
( 3)
这里, r 1 、r2 分别为器件前后表面的反射率; d1、
d2 分别为前后接触区的有效厚度; 0 为特定波
长和温度下的光学吸收系数; w 为器件耗尽层
宽度。由式( 3) 可知, 由于 0 是波长和温度的函
数, 所以量子效率随波长和温度源自化。对于特定一个电子—空穴对的倍增因子, 表示为
∫x0
M ( x ) = G ( x ) / [ 1- G( x ) dx ] x1
( 5)
∫ 其中, G( x ) = ex p[ -
x0
(-
) dx]
x
这里, 、 分别为电子和空穴的电离系数,
它们由强场区中的电场和温度决定的, 所以雪
崩倍增因子与温度、偏压有关。又因量子效率
34
计量技术 1998. № 11
雪崩光电二极管在线性测量中的应用
王茜倩 刘敬海 孙志勇
( 北京理工大学光电工程系, 北京 100081)
摘 要 本文讨论影响用作探测器的雪崩光 电二极管响应度恒定的因素, 在此基础上 提出了两种保持 响应度恒定的可行方法, 恒温恒压法和偏置电压温度 补偿法, 并进行了实验验证。 关键词 雪崩光电二极管 线性测量 响应 度
[ 3] 霍联正 . 雪崩光电二极管应用中的最 佳噪声分配 . 激光 技术, V ol . 12, N o. 4, p . 1, 1988
[ 4] R J . M ct nt yre, M ut t ipl ication N oise in U n iform A vat anch e D iodes , IEEE T rans . Elect ron Devices , V ol. ED -13, p. 164 1966
用加恒温槽的方法来保持响应度恒定, 其 优点在于简单、易实现。在较大温度变化范围 内均可保持响应度恒定, 且准确度较高, 稳定 性和可靠性好。但由于加了恒温槽, 使系统的 体积增大, 结构复杂。光路调整困难。此处, 若 只将 APD 放在恒温槽中, AP D 与放大器之间 的信号传输线势必要加长, 这样就会引进过多
况。实 验 曲 线 如 图 6 所 示。实 验 结 果 发 现 25mm ) 。所以系统的体积小, 装调方便, 光路
C30919E 的输出电 压随温度的变 化程度大大 调整也容易。目前国内还没有生产这种带温补
降低了。平均温度每变化 1℃, 输出电压变化 的雪 崩 光 电 二 极 管—前 放 组 件, 而 进 口 的
二、原 理
当入射光照射到 APD 的光敏面上时, 其
输出光电流 i s 与入射光功率 P r 之间的关系为:
i s= R·Pr
( 1)
要保证输出与输入之间是线性关系, 就必
须使 APD 的响应度 R 恒定。R 由下式给出
R = q M/ ( hc)
( 2)
式中, 电子电量 q、普朗克常数 h 以及真空光速
1. 恒温恒压法 将 APD 放入恒温槽中, 通过测温和控温 机构使槽中的温度始 终保持不变, 再设 法使 A PD 的偏置电压保持一定, 从而达到使响应度 恒定的目的。在实验中, 将一个可调温的恒温 箱代替恒温槽, 其实验装置见图 2。
图2
实验中, 用发光二极管做 “模拟光源 ( 出 对输出的影响, 由此确定恒温槽的控温精度。调
1. 1% 。这里还包括光源的波动和测量时的读数 C30919E 的价格非常昂贵, 这将大大提高仪器
误差, 以及随环境温度变化视频放大器工作点 的成本。此外, 从实验中也可看出, 其温度补
漂移所引起的误差。
偿范围是有限制的, 当温度变化超出这个范围
计量技术 1998. № 11
37
量仪检定 与 调 修
C30919E 的响应度受温度影响程度不大,
路, 所以 只需 加 一个 + 550V 固 定 偏 压。将 所以当工作环境的温度变化范围不大时, 其响
C30919E 放入恒温箱中, 改变恒温箱的温度, 应度基本是保持恒定的。由于该组件的测温及
观察在同一输入光功率下输出电压的变化情 温度补偿电路都做在器件内部 ( 外壳直径为
和雪崩倍增因子都是温度的函数, 所以 APD
的响应度也随温度变化, 如图 1 所示。从图中
看出, 若想保持响应度恒定, 可以两方面入手:
一是保持偏置电压和环境温度都固定不变, 一
是使偏压随温度按一定比例改变。
三、实验及结果
根据以上讨论, 提出两种保持响应度恒定 的方法: 恒温恒压法和偏置电压温度补偿法。
美国 RCA 公司生产的 “雪崩光电二极管前放”组件 C30919E 本身就带有温度补偿电 路, 可用下面的实验来考察其温补效果。实验 装置如图 5 所示。
图3
2. 偏置电压温度补偿法
从第 2 部分的讨论可知, 若调整 AP D 的偏
置电压使其随环境温度的变化按一定比例改
图4
图5
由于 C30919E 器件内部带有偏压调节电
一、引 言
在许多接收激光信号的探测系统中, 常使 用雪崩光电二极管 ( APD) 作探测器。其原因 是该器件的量子效率高, 具有内部增益, 可将 光电信号倍增上百倍, 而倍增后的噪声仅与放 大器自身噪声水平相当, 从而大大提高了接收 系统的信噪比。但它还很少用于测量仪器, 其 主要原因是与 P IN 光电二极管相比, 它存在着 光敏面小、所需偏置电压高、光敏面内响应度 一致性差等缺点, 特别是其响应度受偏压和外 界环境的影响较大, 输出不易稳定, 从而大大 影响了它在线性测量中的应用。本文就如何保 持响应度恒定提出了两种可行的方法。
燃油加油机计量检定规程修订的说明
周信豪 廉育英
( 中国计量科学研究院, 北京 100013)
随着机动车辆迅猛地增加, 燃油加油机的 数量、质量和品种有了很大发展, 原有的 JJG443—86 计量加油机试行检定规程已不适 应发展的需要。为此, 国家技术监督局在 1994 年下达了对该规程的修订任务。为了与国际接 轨, 要求新规程在原规程的基础上, 结合国际 建议 R117 “非水液体测量装置”和 R118 “机动 车燃油加油机型式批准的试验程序”, 同时兼容 “机动车燃油加油机”的国家标准[ 3] 进行编写。
c 都是固定不变的, 对于一定波长的入射光,
也是常数, 所以引起 R 变化的因子只有量子效
率 和雪崩增益因子 M 。实验中 所用达通型
A PD 的量子效率表达式为[ 1]
=
( 1-
r1 ) [ 1-
ex p( - 0w ) ] { 1+ r2 ex p[ 1- r 1r 2exp[ - 2 ( w +
36
计量技术 1998. № 11
的噪声, 降低系统的探测灵敏度。但若将 APD 和放大器都放入恒温槽中, 又会使恒温槽的体 积增大, 不易达到恒温效果。因此, 在实际应 用中要综合考虑各方面的因素。
变, 则可保持 APD 的响应度不变。因此, 可采 用对偏置电压进行温度补偿的方法来得到恒定 响应度。
波长的入射光( 例如 = 1. 06 m ) , 只随温度
变化。
A PD 中载流子的平均倍增因子为[ 1]
w
∫g ( x ) M ( x ) dx
M- = 0 w
( 4)
∫g ( x ) dx
0
图1
其中 g ( x ) 表示强场区中光激发, M( x ) 为 x 处
计量技术 1998. № 11
35
放”组件 SPD—052, 它输出的光电信号经过低 温度在 40±1℃范围内变化对雪崩光电二极管
噪声、宽频带放大器放大, 用示波器观察输出 信号大小。将 AP D 组件放入恒温箱中, 通过控 温 机构 将其温 度控 制在 所要 求的 范围 内。A PD 的偏置电压由高稳定度电源供给。
恒温箱的恒 温温度定为 40℃。由实验可 知, 40℃时使系统获得最大信噪比的最佳偏置 电压为 420V, 故在此将稳压电源的输出电压调 至 420V。在此条件下, 用变密度盘改变 APD 的 输入光功率, 其输出随输入光功率的变化规律 见图 3 所示。由图看出, 当 AP D 的偏置电压和 环境温度都固定不变时, 其输出与输入之间有 良好的线性关系。
下面进一步讨论温度在 40℃附近变化时
响应度的影响不大。在最佳偏置电压 420V 下, 对应温度 T = 39℃、40℃和 41℃, 其输出电压 分别为: 800mV 、760mV 和 740mV, 所以环境 温度变化±1℃所引起的电压变化为 7. 8% 。其 中还包括光源的波动和测量时的读数误差, 实 际上由温度变化引起的误差还应小于此值。
该规程的修订工作由中国计量科学研究院
负责, 由计量、生产等六个单位、八位起草人 组 成起草小组起 草。新修订 的规程[ 1] 与原规
程[ 2] 相比, 在下述几方面作了修订和更新。
[ 1] P. P. W ebb , R J . M ct nt yre, an d J . Conrad, Propert ies of A vat anche Phot odiodes , R CA R eview , V ol. 35, N o. 6, p. 234, 1974
[ 2] 唐中华. 激光测距应用中雪崩光电二极管最佳工作状态的 再研究. 激光技术, No. 10, p262. 1992
射光脉冲波长为 1. 06 m, 脉冲宽度为 17ns) , 节恒 温 箱 的 温 度 使 其 分 别 为 39℃、40℃和
光学系统将接收到的光束聚焦到 APD 光敏面 41℃, 改变 AP D 的偏置电压, 观察放大器输出
上。所用的 A PD 为 “雪崩光电二极管—— 前 信号的变化。其实验曲线见图 4。从图中可知,
0 ( w + 2d 2) ] } ex p( d 1+ d 2) ]
0 d1)
( 3)
这里, r 1 、r2 分别为器件前后表面的反射率; d1、
d2 分别为前后接触区的有效厚度; 0 为特定波
长和温度下的光学吸收系数; w 为器件耗尽层
宽度。由式( 3) 可知, 由于 0 是波长和温度的函
数, 所以量子效率随波长和温度源自化。对于特定一个电子—空穴对的倍增因子, 表示为
∫x0
M ( x ) = G ( x ) / [ 1- G( x ) dx ] x1
( 5)
∫ 其中, G( x ) = ex p[ -
x0
(-
) dx]
x
这里, 、 分别为电子和空穴的电离系数,
它们由强场区中的电场和温度决定的, 所以雪
崩倍增因子与温度、偏压有关。又因量子效率
34
计量技术 1998. № 11
雪崩光电二极管在线性测量中的应用
王茜倩 刘敬海 孙志勇
( 北京理工大学光电工程系, 北京 100081)
摘 要 本文讨论影响用作探测器的雪崩光 电二极管响应度恒定的因素, 在此基础上 提出了两种保持 响应度恒定的可行方法, 恒温恒压法和偏置电压温度 补偿法, 并进行了实验验证。 关键词 雪崩光电二极管 线性测量 响应 度
[ 3] 霍联正 . 雪崩光电二极管应用中的最 佳噪声分配 . 激光 技术, V ol . 12, N o. 4, p . 1, 1988
[ 4] R J . M ct nt yre, M ut t ipl ication N oise in U n iform A vat anch e D iodes , IEEE T rans . Elect ron Devices , V ol. ED -13, p. 164 1966
用加恒温槽的方法来保持响应度恒定, 其 优点在于简单、易实现。在较大温度变化范围 内均可保持响应度恒定, 且准确度较高, 稳定 性和可靠性好。但由于加了恒温槽, 使系统的 体积增大, 结构复杂。光路调整困难。此处, 若 只将 APD 放在恒温槽中, AP D 与放大器之间 的信号传输线势必要加长, 这样就会引进过多
况。实 验 曲 线 如 图 6 所 示。实 验 结 果 发 现 25mm ) 。所以系统的体积小, 装调方便, 光路
C30919E 的输出电 压随温度的变 化程度大大 调整也容易。目前国内还没有生产这种带温补
降低了。平均温度每变化 1℃, 输出电压变化 的雪 崩 光 电 二 极 管—前 放 组 件, 而 进 口 的
二、原 理
当入射光照射到 APD 的光敏面上时, 其
输出光电流 i s 与入射光功率 P r 之间的关系为:
i s= R·Pr
( 1)
要保证输出与输入之间是线性关系, 就必
须使 APD 的响应度 R 恒定。R 由下式给出
R = q M/ ( hc)
( 2)
式中, 电子电量 q、普朗克常数 h 以及真空光速
1. 恒温恒压法 将 APD 放入恒温槽中, 通过测温和控温 机构使槽中的温度始 终保持不变, 再设 法使 A PD 的偏置电压保持一定, 从而达到使响应度 恒定的目的。在实验中, 将一个可调温的恒温 箱代替恒温槽, 其实验装置见图 2。
图2
实验中, 用发光二极管做 “模拟光源 ( 出 对输出的影响, 由此确定恒温槽的控温精度。调
1. 1% 。这里还包括光源的波动和测量时的读数 C30919E 的价格非常昂贵, 这将大大提高仪器
误差, 以及随环境温度变化视频放大器工作点 的成本。此外, 从实验中也可看出, 其温度补
漂移所引起的误差。
偿范围是有限制的, 当温度变化超出这个范围
计量技术 1998. № 11
37
量仪检定 与 调 修
C30919E 的响应度受温度影响程度不大,
路, 所以 只需 加 一个 + 550V 固 定 偏 压。将 所以当工作环境的温度变化范围不大时, 其响
C30919E 放入恒温箱中, 改变恒温箱的温度, 应度基本是保持恒定的。由于该组件的测温及
观察在同一输入光功率下输出电压的变化情 温度补偿电路都做在器件内部 ( 外壳直径为
和雪崩倍增因子都是温度的函数, 所以 APD
的响应度也随温度变化, 如图 1 所示。从图中
看出, 若想保持响应度恒定, 可以两方面入手:
一是保持偏置电压和环境温度都固定不变, 一
是使偏压随温度按一定比例改变。
三、实验及结果
根据以上讨论, 提出两种保持响应度恒定 的方法: 恒温恒压法和偏置电压温度补偿法。
美国 RCA 公司生产的 “雪崩光电二极管前放”组件 C30919E 本身就带有温度补偿电 路, 可用下面的实验来考察其温补效果。实验 装置如图 5 所示。
图3
2. 偏置电压温度补偿法
从第 2 部分的讨论可知, 若调整 AP D 的偏
置电压使其随环境温度的变化按一定比例改
图4
图5
由于 C30919E 器件内部带有偏压调节电
一、引 言
在许多接收激光信号的探测系统中, 常使 用雪崩光电二极管 ( APD) 作探测器。其原因 是该器件的量子效率高, 具有内部增益, 可将 光电信号倍增上百倍, 而倍增后的噪声仅与放 大器自身噪声水平相当, 从而大大提高了接收 系统的信噪比。但它还很少用于测量仪器, 其 主要原因是与 P IN 光电二极管相比, 它存在着 光敏面小、所需偏置电压高、光敏面内响应度 一致性差等缺点, 特别是其响应度受偏压和外 界环境的影响较大, 输出不易稳定, 从而大大 影响了它在线性测量中的应用。本文就如何保 持响应度恒定提出了两种可行的方法。
燃油加油机计量检定规程修订的说明
周信豪 廉育英
( 中国计量科学研究院, 北京 100013)
随着机动车辆迅猛地增加, 燃油加油机的 数量、质量和品种有了很大发展, 原有的 JJG443—86 计量加油机试行检定规程已不适 应发展的需要。为此, 国家技术监督局在 1994 年下达了对该规程的修订任务。为了与国际接 轨, 要求新规程在原规程的基础上, 结合国际 建议 R117 “非水液体测量装置”和 R118 “机动 车燃油加油机型式批准的试验程序”, 同时兼容 “机动车燃油加油机”的国家标准[ 3] 进行编写。
c 都是固定不变的, 对于一定波长的入射光,
也是常数, 所以引起 R 变化的因子只有量子效
率 和雪崩增益因子 M 。实验中 所用达通型
A PD 的量子效率表达式为[ 1]
=
( 1-
r1 ) [ 1-
ex p( - 0w ) ] { 1+ r2 ex p[ 1- r 1r 2exp[ - 2 ( w +
36
计量技术 1998. № 11
的噪声, 降低系统的探测灵敏度。但若将 APD 和放大器都放入恒温槽中, 又会使恒温槽的体 积增大, 不易达到恒温效果。因此, 在实际应 用中要综合考虑各方面的因素。
变, 则可保持 APD 的响应度不变。因此, 可采 用对偏置电压进行温度补偿的方法来得到恒定 响应度。
波长的入射光( 例如 = 1. 06 m ) , 只随温度
变化。
A PD 中载流子的平均倍增因子为[ 1]
w
∫g ( x ) M ( x ) dx
M- = 0 w
( 4)
∫g ( x ) dx
0
图1
其中 g ( x ) 表示强场区中光激发, M( x ) 为 x 处
计量技术 1998. № 11
35
放”组件 SPD—052, 它输出的光电信号经过低 温度在 40±1℃范围内变化对雪崩光电二极管
噪声、宽频带放大器放大, 用示波器观察输出 信号大小。将 AP D 组件放入恒温箱中, 通过控 温 机构 将其温 度控 制在 所要 求的 范围 内。A PD 的偏置电压由高稳定度电源供给。
恒温箱的恒 温温度定为 40℃。由实验可 知, 40℃时使系统获得最大信噪比的最佳偏置 电压为 420V, 故在此将稳压电源的输出电压调 至 420V。在此条件下, 用变密度盘改变 APD 的 输入光功率, 其输出随输入光功率的变化规律 见图 3 所示。由图看出, 当 AP D 的偏置电压和 环境温度都固定不变时, 其输出与输入之间有 良好的线性关系。
下面进一步讨论温度在 40℃附近变化时
响应度的影响不大。在最佳偏置电压 420V 下, 对应温度 T = 39℃、40℃和 41℃, 其输出电压 分别为: 800mV 、760mV 和 740mV, 所以环境 温度变化±1℃所引起的电压变化为 7. 8% 。其 中还包括光源的波动和测量时的读数误差, 实 际上由温度变化引起的误差还应小于此值。
该规程的修订工作由中国计量科学研究院
负责, 由计量、生产等六个单位、八位起草人 组 成起草小组起 草。新修订 的规程[ 1] 与原规
程[ 2] 相比, 在下述几方面作了修订和更新。
