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碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用刘兴新【摘要】首先简要介绍激光雷达的主要军事应用、激光雷达对接收器的性能需求及激光雷达接收器的现状,综述碲镉汞材料特点、碲镉汞雪崩光电二极管探测器特点,与现有激光雷达接收器相比碲镉汞雪崩光电二极管作为激光雷达接收器的优势及制备技术；综述国外碲镉汞雪崩光电二极管用于激光雷达接收器的发展现状；最后分析我国发展用于激光雷达接收器的碲镉汞雪崩光电二极管可行性.%The main military applications of LADAR are first presented in this review. The requirements of LADAR on detector characteristics and the developing status of LADAR detectors are introduced in the second part. The characteristics and category of HgCdTe avalanche photodiode( APD) ,the advantage of HgCdTe APD used as LADAR detector are discussed in the third part. The state of the art of HgCdTe APD for LADAR application is reviewed in the fourth part. In the last part the feasibility of developing HgCdTe APD LADAR detector in our country is discussed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】6页(P603-608)【关键词】碲镉汞;雪崩光电二极管;激光雷达【作者】刘兴新【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN958.98激光雷达意义为激光探测和测距（LAser Detection And Ranging，LADAR），是激光技术与雷达技术的结合。
雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用雪崩光电二极管是一种新型的可靠性高、应用范围广泛的光电元件，主要用于检测距离或数据传输。
它通过表面积和发射晶体材料的能量密度来检测物体的位置，并将信号转换成电信号，从而实现测距。
雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中可以得到广泛的应用，可以用来测量激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度等。
雪崩光电二极管的工作原理是，当发射脉冲的激光照射到物体表面上时，会产生反射的脉冲激光，该反射脉冲激光会在雪崩光电二极管上产生一个电荷，然后将该电荷转换成电信号，最后通过计算机软件，得出激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度等信息。
由于雪崩光电二极管具有高可靠性，即使在恶劣的环境下也能正确检测数据，因此得到了广泛的应用。
相位式激光测距仪是一种测量激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度的仪器，它使用了雪崩光电二极管作为检测元件，可以测量激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度等。
在相位式激光测距仪中，雪崩光电二极管接收到激光信号后，会产生一个电荷，然后将电荷转换成电信号，并通过计算机软件，计算出激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度等信息。
雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中应用的优势比较明显，首先，它拥有高可靠性，可以在恶劣的环境下正确检测数据；其次，它可以探测激光束的位置、距离、夹角、速度等信息，而不受天气、白天黑夜等环境因素的影响；最后，它的使用成本低，可以大大降低设备的成本。
雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用比较广泛，它具有高可靠性、可测量激光束在时间上的位置、距离、夹角、速度等信息，并且使用成本低，可以大大提高设备的可靠性和使用效率，并有效降低设备的成本。
因此，雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中得到了广泛的应用，也得到了用户的普遍认可。
激光测距应用中雪崩光电二极管最佳工作状态...
唐中华
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】1992(016)005
【摘要】回顾了雪崩光电二极管最佳工作状态的确定方法。
根据 R.J.McIntyre给出的关于达通型雪崩光电二极管的噪声谱密度结果,分析了不同背景下,确定最佳工作状态的最佳噪声分配比的特性,并给出了实验结果。
给出了不但能确定和保持雪崩光电二极管的最佳工作状态,而且可以保持恒定的虚警率的实用方法。
【总页数】7页(P262-268)
【作者】唐中华
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN312.7
【相关文献】
1.雪崩光电二极管APD在激光外差干涉测距中的作用 [J], 刘清燕;徐文玲
2.脉冲激光测距仪光电探测器最佳工作状态下的接收灵敏度研究 [J], 谭显裕
3.脉冲激光测距仪雪崩光电探测器最佳工作状态和接收灵敏度研究 [J], 谭显裕
4.雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 [J], 孙懋珩;丁燕
5.雪崩光电二极管在激光测距机中的应用 [J], 霍联正;余永琪
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激光测高仪中雪崩光电二极管的探测性能分析姚萍萍;赵欣;张毅;赵平建;涂碧海【摘要】光电探测器是影响激光测高仪探测性能的重要器件.为了使探测器性能保持最佳状态,采用了近似算法进行分析.该算法使用近似分布函数来模拟探测器的输出,推导出虚警率与阈值门限和倍增因子三者之间的函数关系,找出虚警率、阈值和增益之间的最佳结合点.实验表明,根据该方法设计的激光测高仪探测器接收电路,可使探测概率和回波信噪比有显著提高.这一结果对激光测高仪目标特性的回波分析和地形地貌3维轮廓重建有很大帮助.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)006【总页数】4页(P628-630,634)【关键词】光电子学;激光测高仪;近似算法;雪崩光电二极管;虚警率【作者】姚萍萍;赵欣;张毅;赵平建;涂碧海【作者单位】中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031【正文语种】中文【中图分类】TN312+.7引言激光测高仪是搭载在飞行器(航天飞机、卫星等)上利用激光测量地面到飞行器之间距离的光电装置。
其工作原理是激光器以固定频率持续向地面发射激光脉冲，脉冲光束穿越大气到达地面或者海面后产生微弱的后向散射回波被测高仪接收，通过测量发射脉冲和回波脉冲的往返时间、回波波形和幅值等信息来获得地形地貌的3维轮廓图。
激光测高仪中回波检测的光学传感器使用的是低噪声、高灵敏度的硅雪崩光电二极管(avalanche photo diode,APD)。
APD在近红外区1064nm波长的量子效率高达40%。
由于星载激光测高仪的轨道高度在500km以上，回波脉冲十分微弱，在探测过程中又受到周围背景光辐射噪声，电子线路噪声和光电转换时p-n结的内部散弹噪声等影响，APD可能检测不到回波脉冲或者错误地将噪声误认为回波脉冲，从而降低测高精度，影响回波信号的保真度。
雪崩光电二极管的原理
雪崩光电二极管是一种基于光电效应的半导体器件，主要用于探测低强度光信号。
其原理与普通光电二极管类似，但是其探测灵敏度更高，可以探测到更微弱的光信号。
以下是相关参考内容：
- 雪崩光电二极管的工作原理：当光子被探测器吸收时，会激发出电子-空穴对。
在雪崩光电二极管中，电子-空穴对在电场的作用下会被加速，进而引起电子与晶格的碰撞，产生更多的电子-空穴对，从而形成放大效应，增强探测器的灵敏度。
- 雪崩光电二极管的特点：雪崩光电二极管具有高增益、低噪音、响应速度快等特点，适用于探测低光强度的信号，并在光通信、光子学等领域得到广泛应用。
- 雪崩光电二极管的制造工艺：雪崩光电二极管是利用半导体材料的属性与离子注入技术来制造的。
其中，离子注入技术可以改变半导体中杂质原子的浓度和种类，从而调整半导体的电性能，实现探测器的灵敏度与增益等特性。
- 雪崩光电二极管的应用场景：雪崩光电二极管可以用于光通信、医学成像、激光测距等领域的光信号检测，拥有很高的分辨率、探测精度等优点，适用于各种光电传感器和光电系统的应用场景。
可编程器件应用电子测量技术ELECT RON IC M EASU REM ENT T ECH N OLOGY 第30卷第2期2007年2月雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用孙懋珩丁燕(同济大学电子与信息工程学院上海200092)摘要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。
针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。
针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。
针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。
综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。
关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路中图分类号:T N710.2文献标识码:AStudy on application of avalanche photodiodein phase laser distance measurementSun M ao heng Ding Y an(Sch ool of Electronic and Information Engineering,T ongji U niver sity,S hang hai200092)Abstract:A s a lig ht-sensitive device,av alanche phot odiode is pa rticular ly suitable for the receiving and detection of w eak signal.T herefo re,it is alw ays used to r eceive weak laser sig nal in the phase laser distance measur ing system.T o so lve t he pro blem of hig h ripple in t he bias vo ltag e cir cuit,a hig h efficient circuit w ith low ripple is designed and analyzed w hich restra ins the ripple effectively.T o so lve the pro blem o f temperatur e drift,a new circuit with temperature co mpensation is designed and analyzed w hich enables A PD to reach t he optimal av alanche ga in.T o solv e the pr oblem of no ise,the majo r noises of A PD are analyzed and a pr eam plifier cir cuit w ith lo w noise is designed w hich ra ise the signa-l t o-noise rat io effectiv ely.T he results of the ex per iment indicat e t hat these circuit designs raise the measur ing accuracy o f the phase laser distance measuring system effect ively.Keywords:av alanche photodio de;phase laser distance measur ement;r ipple;temper atur e compensatio n;preamplifier0引言在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。
碳化硅雪崩光电二极管一、介绍碳化硅雪崩光电二极管（Silicon Carbide Avalanche Photodiode，简称SiC APD）是一种基于碳化硅材料制造的光电二极管。
它具有高增益、低噪声、高速响应等特点，在光通信、光测量、激光雷达等领域有广泛的应用。
本文将对碳化硅雪崩光电二极管的原理、结构、特性以及应用进行详细探讨。
二、原理1.光电效应光电二极管的工作原理基于光电效应，即光子入射到半导体材料中，产生电子-空穴对。
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度较大，能够吸收高能光子，从而产生大量电子-空穴对。
2.雪崩增益碳化硅雪崩光电二极管采用了雪崩效应，通过高电场下的电子冲击电离作用，使电子-空穴对产生雪崩效应，从而实现电流的放大。
雪崩增益可以将光信号转换为电流信号，提高信号的灵敏度和检测能力。
三、结构碳化硅雪崩光电二极管的结构主要包括以下几个部分：1.P-N结碳化硅雪崩光电二极管采用P-N结结构，其中P区富集正电荷，N区富集负电荷。
光子入射到P-N结区域，产生电子-空穴对，从而形成电流。
2.雪崩区碳化硅雪崩光电二极管中的雪崩区是增加电子雪崩效应的关键部分。
雪崩区的电场较高，能够加速电子，使其获得足够的能量，从而产生电离作用。
3.光窗碳化硅雪崩光电二极管的光窗是光信号入射的区域，通常采用透明的材料，如玻璃或石英。
光窗的设计对于提高光电转换效率和减小光损耗具有重要意义。
4.电极碳化硅雪崩光电二极管的电极用于收集电子和空穴。
通常采用金属材料制成，如铝、银等。
电极的设计对于提高光电转换效率和减小电流噪声具有重要作用。
四、特性碳化硅雪崩光电二极管具有以下特性：1.高增益碳化硅雪崩光电二极管的雪崩效应能够将光信号转换为电流信号，并通过电子冲击电离作用实现电流的放大。
因此，它具有高增益特性，可以实现高灵敏度的光信号检测。
2.低噪声碳化硅雪崩光电二极管具有低噪声的特点，能够提高信号的检测精度和可靠性。
雪崩效应光电二极管光电二极管是一种电子元件，它可以将光能转化为电能，被广泛应用于光电检测、通信、测量等领域。
其中，雪崩效应光电二极管是一种常用的检测器件，它利用雪崩效应放大光电信号，提高检测的精度和灵敏度。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种半导体器件，由PN结、金属电极和包装层组成。
PN结的一侧存在光敏材料，当光照射到光敏材料上时，它会激发出一定的电子和空穴，促使PN结产生电场，形成电势差。
电势差越大，二极管的导通电流就越大。
因此，光电二极管可以利用光信号产生的电信号大小作为有效检测结果。
当光电二极管中电压达到一定程度时，由于高能电子加速、撞击晶格，会促使晶格中的电子进入激活态，从而引起电子的二次发射效应。
这种电子的二次发射效应会导致电流放大，形成雪崩效应。
雪崩效应是一种激发半导体晶体结构的电离效应，当电压增加到某一临界值时，电子与晶格之间相互作用将会引发一系列电离过程，从而产生大量的电子和空穴。
这些电子和空穴会不断地撞击晶格，使得更多的电子和空穴被激发，形成一种爆炸式的增长。
因此，雪崩效应光电二极管可以将光信号产生的电信号放大数倍，提高检测的精度和灵敏度。
同时，它还可以在无源区产生大的电压，在光滑日变换或者光功率变化下，保持输出电压的稳定性，有效避免温度变化或其他外部干扰对检测结果的影响。
雪崩效应光电二极管被广泛应用于通信、测量、粒子物理学和核物理学等领域。
在通信领域，雪崩效应光电二极管被应用于光纤通信系统中的光接收端，可以将光信号转换为电信号，放大信号并抑制噪声，提高信号传输的品质。
在测量领域，雪崩效应光电二极管可用于高速数据采集系统、光功率谱仪、激光测距仪等领域，能够快速、准确地测量物体的尺寸、距离、速度等信息。
在粒子物理学和核物理学领域，雪崩效应光电二极管用于高能物质，在宇宙射线、核实验、粒子探测器等领域，能够快速、高效地检测高能粒子和辐射等信息。
总之，雪崩效应光电二极管凭借其高精度、高灵敏度、高速度等优点，已成为现代光电检测技术中不可或缺的检测器件之一。
光学仪器在冰雪资源中的应用案例冰雪资源在我国具有重要的生态、经济和社会价值。
近年来，随着科学技术的不断发展，光学仪器在冰雪资源的研究和应用中发挥着越来越重要的作用。
本文将以几个典型案例为例，介绍光学仪器在冰雪资源中的应用。
案例一：激光雷达技术在冰川厚度测量中的应用激光雷达（LiDAR）技术是一种基于激光测距原理的高精度遥感技术。
在冰川厚度测量方面，激光雷达具有显著的优势。
通过对冰川表面进行激光扫描，再结合地面控制点数据，可以精确地反演出冰川厚度。
此外，激光雷达技术还可以实时监测冰川变化，为冰川资源管理和灾害预警提供重要数据支持。
案例二：光谱技术在雪反射率测量中的应用光谱技术是一种基于物质对光谱辐射的吸收、反射和发射特性进行分析的方法。
在雪反射率测量方面，光谱技术具有较高的分辨率和灵敏度。
通过光谱测量，可以详细了解雪的光学性质，进而为气候研究、环境监测和冰雪资源评价提供依据。
案例三：红外热像仪在冰雪覆盖面积监测中的应用红外热像仪是一种基于物体热辐射特性的无损检测仪器。
在冰雪覆盖面积监测方面，红外热像仪具有独特的优势。
通过对冰雪表面进行红外热成像，可以快速、准确地获取冰雪覆盖范围和厚度。
此外，红外热像仪还可以应用于冰雪融化速度的监测，为冰雪资源管理和水资源预测提供数据支持。
案例四：偏振光技术在雪冰表面结构分析中的应用偏振光技术是一种基于光波偏振状态的分析方法。
在雪冰表面结构分析方面，偏振光技术具有较高的分辨率和灵敏度。
通过偏振光显微镜和偏振相机等仪器，可以详细研究雪冰表面的微观结构，进而为雪冰的形成过程、积雪特性研究和冰雪资源评价提供依据。
以上几个案例展示了光学仪器在冰雪资源研究中的应用。
随着光学仪器技术的不断发展和创新，未来光学仪器在冰雪资源领域的应用将更加广泛，为我国的冰雪资源研究、管理和利用提供更为强大的技术支持。
案例五：全站仪在雪道建设中的应用全站仪（Total Station）是一种集光、机、电为一体的高精度测量仪器。
MPPC及其在激光测距中的应用多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC),亦称硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM),是一种弱光探测器,它能够对单个光子进行响应,具有良好的光子数分辨能力,是与其它探测器相比最突出的特点。
MPPC的结构是由几百至几万个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(G-APD)单元并联集成在同一块硅片上构成,所有单元共用电极输出信号,其中每个G-APD单元串联一个几百千欧的高值电阻,主要起雪崩淬灭作用。
MPPC因其具有对弱光敏感,能够对单光子进行分辨,体积小,易于集成,不易于受磁场干扰,成本低等优点,逐渐成为弱光探测领域一个研究热点,主要应用于核物理、地形地貌勘测、医学成像、激光测距等领域。
本论文主要工作内容和结果包括以下几部分:1.对MPPC的光电特性和超动态范围特性进行了详细的描述与分析。
发现了MPPC的超动态范围特性是传统理论所无法解释的,针对该问题,本论文进行了详细地理论推导,给出了合理的机理解释,认为这种超动态范围的现象可能源于非高场区也存在一个比较小的增益,而且理论推导出其增益值大致在250左右。
2.便携式MPPC模块研究。
国外对MPPC的研究比较多,国内研究比较少,主要是因为MPPC集成化模块需要进口,进口的一个模块所需费用三万元左右,价格比较昂贵,限制了其在很多领域的应用。
针对此问题研制出了便携式MPPC模块,其成本低,只需两千元左右,其性能接近进口的模块,有利于促进国内很多领域对MPPC模块的应用研究。
3.便携式MPPC模块在激光测距中的应用研究。
MPPC应用广泛,本论文主要将研制的便携式MPPC模块试行应用于激光测距并且通过一定的方法来提高MPPC在激光测距中的信噪比。
系统地搭建了一套激光测距原理图,并且结合时间相关光子计数(TCSPC)技术,成功实现了多目标同时测量,测距精度能够达到mm量级,用进口的激光测距仪进行了检测,发现测距精度相当。
商用雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是一种用于检测光信号的半导体器件。
它是一种具有极高灵敏度和快速响应的检测器。
由于其优越的性能，雪崩光电二极管已经成为许多应用领域中不可或缺的元件之一。
商用雪崩光电二极管主要用于激光雷达、通信、医学影像等领域。
在激光雷达系统中，雪崩光电二极管被用作接收器，可以实现高精度的测距和成像。
在通信领域，雪崩光电二极管主要用于光纤通信系统的接收端，可以实现高速数据传输和高灵敏度的光信号检测。
在医学影像领域，雪崩光电二极管被用于光学断层扫描（OCT）领域，可以实现高质量的人体组织成像和疾病诊断。
商用雪崩光电二极管的优点主要由其结构和工作原理所决定。
它是一种PN结构，具有高透明度和快速响应的特性。
当光子进入晶体管时，它们将被转化成电子和空穴对，并在加速电场的作用下产生特定的放大效应。
这个过程可以以雪崩效应的形式实现，从而极大地提高了检测器的灵敏度和响应速度。
此外，商用雪崩光电二极管还具有宽波长响应范围、低噪声和高分辨率等特性，是目前最为先进的光学检测器之一。
在未来，商用雪崩光电二极管将进一步发挥其优越性能，在互联网经济领域中发挥更广泛的应用。
随着技术不断进步和创新，商用雪崩光电二极管将不断推动光电子技术的发展，为人类创造更加美好、便捷和智慧的生活提供有力支持。
激光测距传感器的系统组成和应用激光测距传感器:先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。
经目标反射后激光向各方向散射。
部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上的仪器。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号。
记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。
激光测距传感器采用激光相位法测量物体的距离(不需反光镜,增加滤光镜还可测高温物体,响应速度高达50HZ。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光测距传感器主要用于替代雷达系统,闭路控制系统和光闸控制系统等。
同时在以下领域提供经济有效的解决方案:空中防撞,溢出高度测量和空中高度测量。
激光测距传感器是一种功能强大的工业测量设备,由于无接触式长距离测量、测量精度高、测量范围广、响应速度快、在线式连续测量等特点,广泛地应各种工业用途、安全距离控制、工业自动化和生产智能管理,如集装箱定位、大型工件装配定位、江河湖海的水位测量等。
& {% n1 m9 w5 u: h' t' n2 n a# P7 N仪器的系统组成控制部分:采用高速单片机作为主CPU。
. K$ T- x: ~$ r0 [" @5 @1 @测试部分:采用积木式组合设计,由控制部分控制测试。
# }( J( W& x5 `& g 数据传输:采用RS-232 标准串行通讯协议,如采用RS485 数据传输协议需要定制。
串行接口:本激光测距传感器的数据输出为标准的串行RS-232 接口。
需要配套的设备来接收数据,如计算机、工业控制计算机或单片机等设备。
' A3 W- Q- S' s; K" Y! n; U仪器的应用* r6 j' J; B4 E9 m9 |7 h距离测量# e2 W+ K n- { v2 I; V, b/ Z3 y不易接近物体测量:罐装物、地下管道、集装箱等物料料位测量:料位测量;冶金钢铁过程控制 H! Q! d9 x E% L2 R4 [ O 拍照触发:车辆流量监测 G3 O7 n7 l. }% E T q& j" T船舶安全停靠位置监控自动检测与控制汽车防碰撞安全控制3 G! r* ^ u8 Y A3 t汽车安全车距测量]6 N% n, Y3 N1 i塔吊行吊XY 定位8 T& s* ?/ S( `9 P1 U高架电缆测量、限高测量运动物体位置监控 [: q+ ^ d4 }% b; S8 K" q0 g铁路接触网测量、建筑物限界测量j! V9 f. \: e/ n# i& u; c工业自动化和生产智能管理大型工件装配定位大型货架库存管理+ U. r A9 m2 }: N/ f: H$ _+ ^: t靶距自动控制% u, R+ W$ d+ o' t" E2 A电梯运行测量超大物体几何计量电气化铁路接触网测量`' i* w2 I6 G. B江河湖海等的水位测量位置、液位、距离、料位、生产线料坯传送定位7 I- z$ I r+ `9 X- ?5 N 飞机高度测量8 n9 u8 G6 Z5 U: ^/ I$ n8 m# W高架电缆测量限高测量% x8 ]! y+ A/ a4 E. I! O9 ?9 i替代雷达系统光闸控制系统等。
可编程器件应用 电 子 测 量 技 术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007年2月 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用孙懋珩 丁 燕(同济大学电子与信息工程学院 上海 200092)摘 要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。
针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。
针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。
针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。
综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。
关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路中图分类号:TN710.2 文献标识码:AStudy on application of avalanche photodiodein phase laser distance measurementSun Maoheng Ding Yan(School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092)Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively.K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier0 引 言在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。
在激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得接收检测相对较为困难,所以一般都用雪崩光电二极管作为光敏接收器件[1]。
雪崩二极管具有很高的内部增益,响应速度非常快,但要使雪崩二极管发挥其优异的特性,必须给它提供一个较高的反向偏置电压(一般在几十伏以上甚至几百伏。
一般的开关电源可以达到这么高的电压要求,但伴随着会有相对较大纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,它会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。
针对这一情况,本文提出的一种高效的低纹波偏压电路是通过从高压输出端引出一个反馈电路,直接反馈到高压电路的电源端,通过改变电源电压来改变高压输出。
在实验中测得的输出高压的纹波与之前未经低纹波设计的高压电路相比,纹波电压得到了很好的抑制。
对于雪崩二极管来说,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化,为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN结倍增区的电场,因此必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时来调整光检测器的偏置电压。
本文设计了一个新型的温度补偿电路,用一个模拟温度传感器及一个运放,通过简单的计算公式进行参数配置,最终得出一条与A PD最佳增益非常匹配的反向高压输出曲线。
雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声会大大降低测量的性能,为达到最大信噪比,提高相位式激光测距仪的测量精度,本文对其噪声进行了分析并且设计了一个有效的前置放大电路。
实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。
将这些电路在相位式激光测距仪接收模块中应用,结果表明,它们对于提高相位式激光测 第30卷电 子 测 量 技 术距仪的精度是有效的。
1 APD 工作原理A PD 内部具有雪崩倍增效应。
在A PD 的PN 结上加高反向偏压,就可以加宽耗尽层并且在结区产生一强内建电场。
在强内建电场作用下,光生载流子被加速,获得能高的动能,它们与半导体晶格碰撞,使束缚在价带的电子得到能量,越迁到导带,产生新的电子—空穴对,即发生碰撞电离。
这种碰撞电离现象循环发生,像雪崩一样,它使得耗尽层中的载流子数量急剧增长,从而使光电流在其内部进行倍增。
2 低纹波的反向偏置电压设计开关型稳压电路的纹波电压计算公式为:C 滤波=I o t onΔV oh(1)式中:I o 为高压输出端的直流输出电流;t on 为开关管的导通时间;ΔV oh 为高频输出端的纹波电压;C 滤波为滤波电容。
由式(1)可以看出,只要适当加大滤波电容的电容量就可以大大降低纹波,但由于开关电源体积的限制,不可能无限制加大滤波电容的值,所以设计一个低纹波的反向偏置电压电路对于雪崩二极管发挥最佳增益是极为重要的。
高压发生器由一个555振荡器、开关三极管、储能电感、滤波电容以及隔离二极管组成。
555振荡器是用于产生一定频率的方波信号来控制三极管的导通和截止,再经过由电感电容组成的滤波电容,从而产生高的输出电压。
本电路中由运放组成的一个反馈电路一端连接高压输出端,另一端直接连接到高压发生电路的电源端。
反馈电路通过改变高压发生电路的电源电压相应改变高压输出,有效地抑制了纹波电压。
电路图如图1所示。
图1 低纹波偏置高压电路根据图1,实验结果得到的输出高压的纹波可控制在20mV 以内,与之前未经低纹波设计的高压电路(通常纹波为几百毫伏)相比,纹波电压得到了很好的抑制。
3 APD 温度补偿电路设计A PD 的内部增益对温度非常敏感,这是因为电子和空穴的电离速率取决于温度。
而这种对温度的依赖性在高偏置电压条件下尤其明显,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化。
为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN 结倍增区的电场,则必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时调整光检测器的偏置电压。
理论上可以证明A PD 的增益是关于其偏压和温度的函数,二者共同决定了A PD 工作时增益的大小。
因此,让A PD 的偏压随温度的改变而改变就可以维持A PD 增益基本恒定,保证其正常工作。
这就是对A PD 的温度漂移的偏压补偿原理。
A PD 倍增增益称为最佳雪崩增益,公式为:M opt =4Ktq (I p +I db )xR L1/(2+x )(2)式中:x 为过剩噪音系数,其值取决于A PD 的制作材料及工艺。
由式(2)可知,A PD 的最佳倍增增益取决于入射光功率、暗电流、环境温度以及光电响应度等因素。
某种型号A PD 的温度—响应度—偏压关系曲线如图2所示。
图2 A PD 温度—响应度—偏压关系曲线图由图2可以看出,如果要保持最佳增益,随着温度的变化,A PD 相应的偏置电压值就会发生变化。
因此,必须设计温度补偿电路来控制A PD 的偏置电压,使A PD 在各种温度条件下都能以最佳倍增增益工作,从而使接收系统获得最大的信噪比。
光接收机输出端的信噪比S/N [2]定义为:S N=光电流信号功率(光检测器噪声功率+放大器噪声功率)则:S N =〈i 2p 〉M 22q (I p +I db )M 2F (M )B +2qI ds B +4k B tB /R L(3)式中:I p 是未倍增时的初级光电流;I db 是未倍增过的光检测器体的暗电流;I ds 是表面漏电流;F (M )是噪声系数,它和雪崩过程的随机特性有关。
孙懋珩等:雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用第2期4 温度补偿电路设计与分析实验室所用雪崩二极管的高压偏置电压与温度变化的关系式:V A PD =D +C t =145.613+0.681t(5)为了便于运算,在电路中设置了一个参考电压V ref ,如图3所示,V ref 与温度传感器的输出端V out 作为运放L M6152的同相输入。
L M6152的输出端V o 作为高压电路的电源输入端,如图4所示。
图3 电压变换电路图4 高压电路V ref 值可通过式(5)计算:V ref =(D/C )・A -B =3.776(6)由图3可知,R 4与R 5的比值由V r ef =R 5/(R 5+R 4)V C C 决定,则R 4/R 5=0.324。
输出端的电压为V o :V o =(-V out -V ref )-R 3R 2=(V out +V ref )R 3R 2(7)由式(4)～式(7)可知,定义V ref 是为了使V o 与V A PD 相差整数倍,便于下面对于R 3/R 2的值进行计算。
由图4可知,高偏置电压部分电路的输入输出电压关系式如下:V oh =t on +t offt offV i =EV i(8)由于实验室所用A PD 的反向偏置电压为160V ,电源电压为5V ,则E =32。
此处,V i =V o ,则由式(7)、式(8)可变为:V oh =t on +t offt offV o =EV o =(V out +V ref )R 3/R 2E(9)令V oh =V APD ,由于V out 、V ref 、E 、V APD 已知,则可很容易地计算出R 3/R 2=1.089。
